Fizjologia roślin ściąga 1

Fizjologia roślin

Klasyfikacja struktur komórkowych:

• Protoplast (otoczony błoną komórkową):
  • Cytoplazma podstawowa,
  • Jądro komórkowe,
  • Organelle komórkowe,
• Ściana komórkowa zbudowana z polisacharydów:
  • Substancji pektynowych,
  • Hemicelulozy,
  • Celulozy,

Organelle komórkowe:

• Siateczka śródplazmatyczna- bierze udział w syntezie fosfo- i glikolipidów, lipidów zapasowych oraz w procesach detoksykacji,
• Struktury Golgiego- uczestniczą w syntezie pektyn i hemiceluloz,
• Mikrociała:
  • Peryksysomy- uczestniczą w procesie fotooddychania oraz rozkładzie H2O2,
  • Glikosysomy- występują w liścieniach oraz komórkach bielma i warstwy aleuronowej nasion; biorą udział w przekształcaniu lipidów zapasowych w cukry,
• Mitochondria,
• Plastydy (proplastydy, tioplasty, chloroplasty, leukoplasty, chromoplasty)
• Wakuola,

Wakuola (system wakuolarny):

• Otoczona pojedynczą błoną o dużej elastyczności zwanej tonoplastem lub błoną wakuolarną,
• Może zajmować 90-95% objętości w pełni zróżnicowanych i rozwiniętych komórek roślinnych,
• Zawiera sok komórkowy, w skład którego wchodzą woda, sole mineralne, związki organiczne (kwasy organiczne, aminokwasy oraz metabolity wtórne), enzymy (proteinazy, esterazy, glikozydazy),
• Odpowiada za gospodarkę wodną komórki, nadaje jej turgor oraz uczestniczy w detoksykacji toksycznych związków,

Rybosomy:

• Drobne „nieobłonione” struktury, zbudowane z RNA i białek,
• Występuja swobodnie w cytoplazmie podstawowej lub są związane z zewnętrzną powierzchnią błon siateczki śródplazmatycznej,
• Uczestniczą w biosyntezie białka,

Komunikacja międzykomórkowa w roślinie:

Protoplasty sąsiadujących komórek nie są całkowicie oddzielone lecz łączą się ze sobą poprzez plazmodesmy, które stanowią:

• Cytoplazmatyczne połączenia międzykomórkowe otoczone plazmolema,
• Przechodzą w poprzek ściany komórkowej,
• W ich świetle występują cysterny siateczki śródplazmatycznej,
• Są strukturami dynamicznymi,
• Ich drożność jest regulowana przez czynniki wewnętrzne i zewnętrzne,
• Umożliwiają swobodny transport jonów i związków drobnocząsteczkowych.

Przedziały połączeń międzykomórkowych:

• Protoplasty komórek połączone plazmodesmami w jedną wspólną ponadkomórkową całość nazywa się SYMPLASTEM,
• Pozostała część rośliny czyli ściany komórkowe, martwe komórki i przestwory międzykomórkowe nazywa się APOPLASTEM,

Podstawowe czynniki niezbędne roślinom do wzrostu: tlen, CO2, światło, odpowiednia temperatura, woda, minerały.

GOSPODARKA WODNA ROŚLIN

Zawartość wody w różnych organach i tkankach:

• Cytoplazma 80-90%
• Chloroplasty, mitochondria około 50%,
• Tkanki aktywne metabolicznie 70-95%,
• Soczyste owoce 85-90%,
• Miękkie liście 80-90%,
• Bulwy, korzenie 70-90%,
• Dojrzałe nasiona 10-15%.

Woda- jest podstawowym składnikiem organizmów żywych (stanowi 75-95% masy rośliny). Jest cząsteczką spolaryzowaną. Ładunki elektryczne na cząsteczce wody rozmieszczone są asymetrycznie. Cząsteczki wody przyciągają się wzajemnie, a występujące między nimi oddziaływania elektrostatyczne noszą nazwę wiązań wodorowych. Międzycząsteczkowa oddziaływania wody umożliwiają tworzenie agregatów o uporządkowanej strukturze. Każda cząsteczka wody może utworzyć cztery wiązania wodorowe. Stopień uporządkowania zależy od stanu skupienia. Woda jest doskonałym rozpuszczalnikiem dla substancji obdarzonych ładunkiem elektrycznym, ma wysokie ciepło właściwe, ma wysoką wartość ciepła topnienia i parowania; dzięki tym właściwościom rośliny utrzymują temperaturę organizmu na stosunkowo stałym poziomie, mimo znacznych zmian temperatury środowiska zewnętrznego. Woda ma wysoką spoistość wewnętrzną- wzajemne przyciąganie się cząsteczek wody (kohezja) zapewnia dużą wytrzymałość słupa wody na rozciąganie; dzięki temu możliwy jest transport wody na znaczne odległości. Przyciąganie wody przez naładowane elektrycznie powierzchnie, np. ściany komórkowe (adhezja) powoduje ich zwilżanie; umożliwia to przemieszczanie się wody w rurkach kapilarnych i ścianach komórkowych. Wysokie napięcie powierzchniowe- powierzchnie ścian komórkowych bezpośrednio wystawione na działanie powietrza pozostają wilgotne i nie wysychają. Łatwo przepuszcza światło widzialne.

Funkcje wody w roślinie:

• Jest rozpuszczalnikiem substancji biologicznie czynnych, stanowi środowisko reakcji chemicznych,
• Bierze udział w wielu reakcjach chemicznych jako substrat (w reakcjach hydrolizy czy donor wodoru w fotosyntezie) lub jako produkt (końcowy produkt oddychania),
• Odpowiada za strukturę makrocząsteczek (białek, kwasów nukleinowych, lipidów błonowych) oraz ich aktywność metaboliczną. Woda związana z makromolekułami jest to tzw. woda hydratacyjna,
• Woda znajdująca się w wakuoli nadaje komórką i całej roślinie turgor, umożliwia utrzymanie właściwej pozycji,
• Bierze udział w procesie wydłużania komórek, a przez to we wzroście całej rośliny,
• Uczestniczy w transporcie różnych substancji w wiązkach przewodniczących. Umożliwia integrację procesów przebiegających w różnych organach,
• Woda wyparowywana w procesie transpiracji umożliwia utrzymanie odp. tem., chroni przed przegrzaniem, sprzyja pobieraniu i transportowi substancji mineralnych.

Termodynamiczna terminologia stosunków wodnych:

• Potencjał chemiczny (µi) substancji jest to energia swobodna danego składnika przypadająca na jeden jego mol,
• Energia swobodna- energia zdolna do wykonania pracy,
• Potencjał chemiczny (µi) przedstawia stan energetyczny danej substancji; jest miarą energii z jaka dana substancja może wykonywać pracę tzn. przemieszczać się, dyfundować…
• µi=energia swobodnamol
• Wielkość potencjału chemicznego zależy od stężenia danej substancji, temperatury i ciśnienia.
• Potencjał wody jest to energia swobodna przypadająca na jednostkę masy wody. „Praca wody” wyraża się w ruchu wody do obszaru o niższym potencjale wody. Symbolem potencjału wody jest Ψw. Potencjał wody wyraża się w jednostkach ciśnienia. Potencjał wody jest zdefiniowany jako różnica pomiędzy potencjałem chemicznym wody a badanym w układzie µw a potencjałem chemicznym wody czystej µow w danej temperaturze, przeliczona na molową objętość wody (Vw= 18cm3)
• Ψw=µw-µowVw
• Potencjał wody czystej w otwartym naczyniu jest równy zero. Woda czysta pod ciśnieniem ma potencjał dodatni. Rozpuszczenie związków w czystej wodzie powoduje obniżenie potencjału wody.
• Potencjał wody komórek roślinnych Ψw jest sumą trzech składowych potencjałów:

• Potencjału osmotycznego Ψs,
• Potencjału ciśnienia Ψp,
• Potencjału matrycowego Ψm

• Ψw=Ψs+Ψp+Ψm
• Potencjał wody dawniej określano mianem siły ssącej komórki. Wartości potencjału wody w komórkach roślinnych są zazwyczaj mniejsze od 0. W stosunkowo dobrze uwodnionych komórkach Ψw mieści się w granicach -0,1 a -1,0 MPa. Wielkość Ψw określa stan uwodnienia komórek oraz możliwości pobrania lub oddania wody przez komórkę.
• Potencjał osmotyczny zależy od stężenia substancji rozpuszczonych w wodzie, głównie w wakuoli (wzrost stężenia obniża potencjał wody; jest tym bardziej ujemny im wyższe jest stężenie roztworu); jest zawsze mniejszy od zera.
• Potencjał ciśnienia zależy od zewnętrznego ciśnienia hydrostatycznego. Pojawia się wówczas, gdy protoplast wywiera ciśnienie na ścianę komórkową; ściana jest napięta i wywiera nacisk na protoplast. To dodatnie ciśnienie wewnątrz komórki wywołuje kompresję wody, czyli zbliża do siebie jej cząsteczki, przez co zwiększa ich energię. Dawniej potencjał ciśnienia określano ja ciśnienie turgorowi. Obniżenie turgoru równoznaczne jest z więdnięciem. Potencjał ciśnienia jest dodatni gdy wewnątrz komórki panuje ciśnienie hydrostatyczne lub równe zeru gdy tego ciśnienia nie ma. Może być też ujemny w wyjątkowych sytuacjach, np. w naczyniach ksylemu w wyniku intensywnej transpiracji lub wskutek rozciągającego działania innych komórek w tkance.
• Potencjał matrycowy zależy od obecności substancji ulegającej pęcznieniu. Obniża potencjał wody w komórce. Wynika z przyciągania i wiązania cząsteczek wody przez grupy polarne (-OH, -COOH, - NH2) makrocząsteczek takich jak, np. celuloza, pektyny, białka, skrobia. Ma drugorzędne znaczenie, często pomijany.
• Kierunek przepływu wody w roślinie zależy od gradientu potencjału wody pomiędzy różnymi częściami rośliny. Woda przemieszcza się z miejsc o potencjale wyższym do miejsc o potencjale niższym. Przemieszczenie się wody między różnymi układami zachodzi w wyniku procesów dyfuzji, osmozy i przepływu objętościowego. Siłą napędową transportu wody w roślinie jest bardzo niski potencjał wody w atmosferze.
• Przepływ wody między komórkami:

• Woda przepływa zgodnie z gradientem potencjału wody,
• Woda przemieszcza się z miejsc o potencjale wyższym do miejsc o potencjale niższym,
• Im bardziej roztwór jest stężony, tym niższy jego potencjał wody.

• Dyfuzja- przemieszczanie się cząsteczek substancji z miejsc o większym potencjale chemicznym do miejsc o mniejszym potencjale chemicznym. Przemieszczanie się cząsteczek trwa do momentu wyrównania potencjału chemicznego.
• Osmoza- dyfuzyjny ruch wody przez półprzepuszczalną membranę, zgodnie ze spadkiem potencjału wody.
• Przepływ objętościowy- zachodzi pod wpływem gradientu ciśnienia działającego na układ. Cząsteczki przemieszczają się razem, nie ma niezależnego ruchu cząsteczek jak w dyfuzji. Mechanizm ten jest odpowiedzialny za przemieszczanie się wody na duże odległości w ksylemie oraz przez specjalne białka błonowe- akwaporyny- występujące w plazmolemie i tonoplaście.
• Akwaporyny (kanały wodne)- umożliwiają masowy i szybki transport wody przez błony biologiczne.
• Pęcznienie (imbibicja)- hydratacja= uwadnianie koloidów- dyfuzyjny ruch wody do ośrodka pęczniejącego zgodnie ze spadkiem potencjału wody. Woda w ośrodku pęczniejącym jest wiązana wiązaniami wodorowymi, w wyniku efektów kapilarnych, silami adsorpcji. Wszystkie siły wiążące wodę ograniczają możliwość ruchu wody, a przez to obniżają jej potencjał.
• Rośliny pobierają wodę i sole mineralne systemem korzeniowym:

• Rozprowadzają ją wiązkami sitowo-naczyniowymi, które w roślinie stanowią nieprzerwany układ,
• Poszczególne strefy korzenia mają różną zdolność pobierania wody oraz soli mineralnych,
• Największa absorpcja wody zachodzi w strefie włośnikowej,
• Dzięki włośnikom powierzchnia systemu korzeniowego jest wielokrotnie większa od powierzchni części nadziemnej.