植物生理学 第一章

水信道的研究之所以热门，是因为它与体液的排出有关。特别 是肾脏，它每天都得从尿液中回收水份，以调节体内的含水量。体 液的滞留，可能会引起郁血性心脏衰竭，而许多遗传疾病也与 aquaporin的缺陷有关，例如肾性尿崩症（nephrogenic diabetes insipidus）。水信道的发现，可以说是为生物科技与医学界开启了 另一个相当重要的研究领域。
水的自由能差。
用ψw表示 单位：大气压、巴、兆帕 1Mpa=10 bar, 1 大气压=1.013 巴 标准状况下，纯水的水势为零
Vw，m ：偏摩尔体积，指在恒温恒压、 其它组分不变的条件下，加入1摩尔的水所 引起的体积增量。
如：纯水的摩尔体积是18cm3,将其 加入极大体系的80%乙醇中，最终体积 是16cm3，水的偏摩尔体积是多少？ （16cm3）
这两种状态水存在的数量或比例多少直接 与代谢强度和植物的抗性有关。
自由水 束缚水
比例大:溶胶状态，代谢旺盛, 生长较快，抗性小
比例小:凝胶状态，代谢较弱, 生长迟缓，抗性强
2、水的生理作用
①细胞的重要组成成分 ② 代谢过程的反应物质 ③ 各种生理生化反应和物质运输的介质 ④使植物保持固有的姿态 （了解）生态作用：
第一章 植物的水分代谢
第一节 植物对水分的需要 第二节 植物细胞对水分的吸收 第三节 植物根系对水分的吸收 第四节 植物的蒸腾作用 第五节 植物体内水分的运输 第六节 合理灌溉的生理基础
没有水就没有生命 “有收无收在于水”
第一节 植物对水分的需要
一、植物含水量 二、植物体内水分存在状态和作用
植物水分代谢（Water metabolism)： 水分的吸收，运输，蒸腾
一、植物含水量（Water content) 1、不同植物含水量不同
2、不同环境中的植物含水量不同 3、不同组织和器官含水量不同
二、植物体内水分存在状态和作用
1、水分存在状态
（1）束缚水（Bound water) （2）自由水（Free water)
自由水/束缚水
蛋白质
自由水 束缚水
自由水和束缚水分布示意图
Fra Baidu bibliotek
三、渗透作用 1、细胞和土壤溶液构成一个渗透系统 （1）渗透系统（Osmotic system) 用半透膜将两种不同浓度溶液分开
构成渗透系统
植物细胞就是一个渗
透系统
成熟细胞的原生质层 （原生质膜、原生质和液 泡膜）相当于半透膜。
液泡液、原生质层和细 胞外溶液构成了一个渗透 系统。
（2）水势（Water potential) 每偏摩尔体积的水与每摩尔体积纯
几种常见化合物的水势
溶液
Ψw /Mpa
纯水
0
Hoagland营养液
-0.05
海水
-2.50
1mol·L-1蔗糖
-2.69
1mol·L-1 KCl
-4.50
水势 1、判断水分移动方向。高 低 2、作为灌溉指标。
（3）渗透势（Osmotic potential） 也称溶质势,用Ψπ表示
由于溶质的加入而降低的那一部分水势。 恒为负值。
通道蛋白。
通过对通道蛋白的磷酸化和脱磷酸化控制通道 的开或关。
◇ 水孔蛋白的活化依靠磷酸化和脱磷酸化作用 调节。如依赖Ca2+的蛋白激酶可使其丝氨酸残 基磷酸化，水孔蛋白的水通道加宽， 水集流通 过量增加。如除去此磷酸基团，则水通道变窄，
水集流通过量减少。
◇水孔蛋白广泛分布于植物各个组织。
◇ 功能：依存在的部位不同而有所不同。
调节植物的体温，维持植物小环境的恒 定温度（水的理化性质：高气化热和比 热，较强的导热性）
第二节 植物细胞对水分的吸收
一、扩散 二、集流 三、渗透作用
一、扩散: 浓度梯度
单个水分子通过膜脂双分子层间隙进入细胞
二、集流： 压力梯度
水集流（Bulk flow)通过质膜上水孔蛋白组成的水
通道进入细胞 水孔蛋白：是一类具有选择性地、高效转运水分的膜
一般情况下，压力势为正值； 质壁分离时，压力势为零； 剧烈蒸腾时，压力势为负值。
2、细胞的水势构成：
Ψw=Ψπ + Ψp + Ψg
⑴重力势：水分因重力下移于相反力量相等时 的力量。
⑵细胞体积和Ψw、Ψπ、Ψp的关系
①初始质壁分离时，V=1.0，
Ψp= 0， Ψw = Ψs = -2.0MPa
②充分膨胀时，V=1.5，
▽ 维管束薄壁细胞中：可能参与水分长距离的 运输，参与调节整个细胞的渗透势；
▽ 根尖的分生区和伸长区中：有利于细胞生长 和分化；
▽ 分布于雄蕊、花药：可能与生殖有关。
2003年诺贝尔化学奖 获得者 阿格雷（Peter Agre）， 美国约翰霍普金斯大学
1988年，阿格雷成功从红血球分离出一种膜蛋白，在经过多种 分析、蛋白质定序与该蛋白质cDNA的定序后，他确定这就是大家 寻觅已久的水信道。阿格雷将之命名为“aquaporin”，意即「水 孔」。2000年，aquaporin蛋白质三维结构的高分辨率影像，得以 解释为什么它只让水分子通过，这是因为细胞膜信道有一个很重要 的特性，就是它们具有选择性，而Aquaporin的形状，正是它只能 让水分子通过的原因。水分子会成单一纵列，进入弯曲狭窄的信道， 信道中的极性与偶极力会帮助水分子旋转，以适当的角度挤过狭窄 的信道；而信道中有一个带正电的区域，会排斥带正电的离子，便 可以避免水合质子偷渡。
溶液Ψπ和溶液摩尔浓度的关系： Ψπ= － iRCT
i：溶质的解离常数 R: 气体常数（0 .082大气压/升. 摩尔. 度) T：绝对温度（273+t) C：摩尔浓度
（4）压力势（Pressure potential） 用Ψp 表示
具有一定刚性的细胞壁对细胞内容物施加 的压力而引起细胞内水势的变化值。
Ψw = Ψs + Ψp = 0 ③剧烈蒸腾时，Ψp < 0
cell水势、溶质势、压力势/MPa
名词解释：
束缚水（Bound water)：被细胞原生质体中
胶体颗粒所紧紧吸附的那部分水。
‫ ޓ‬不能自由移动 ‫ ޓ‬0℃时不结冰 ‫ ޓ‬不能作为溶剂 ‫ ޓ‬与植物的抗性有关
名词解释：
自由水（Free water)：不被胶体颗粒或渗透
物质紧紧吸附的那部分水
ஐ 能自由移动 ஐ 随温度的上升或下降气化或结冰 ஐ 可以作为溶剂 ஐ 其数量制约着植物代谢的强度