Что такое физиология и морфология растений
Физиология растений
Физиоло́гия расте́ний (от греч. φύσις — природа, греч. λόγος — учение) — это наука о функциональной активности растительных организмов.
Содержание
История физиологии растений
Физиология растений зародилась в XVII—XVIII веках в классических трудах итальянского биолога и врача М. Мальпиги «Анатомия растений» и английского ботаника и врача С. Гейлса «Статика растений». Термин физиология растений впервые был предложен Ж. Сенебье́ в его трактате «Physiologie végétale» в 1800 году. В этом трактате он собрал все известные к тому времени данные по этой дисциплине, а также сформулировал основные задачи физиологии растений, её предмет и используемые методы.
В XIX веке в рамках физиологии растений обособляются её основные разделы: фотосинтез, дыхание, водный режим, минеральное питание, транспорт веществ, рост и развитие, движение, раздражимость, устойчивость растений, эволюционная физиология растений.
В первой половине XX века главным направлением развития физиологии растений становится изучение биохимических механизмов дыхания и фотосинтеза. Параллельно развивается фитоэнзимология, физиология растительной клетки, экспериментальная морфология и экологическая физиология растений. Физиология растений даёт начало двум самостоятельным научным дисциплинам: микробиологии и агрохимии.
Во второй половине XX века намечается тенденция объединения в единое целое биохимии и молекулярной биологии, биофизики и биологического моделирования, цитологии, анатомии и генетики растений. Среди учёных возрастает интерес к исследованиям на субклеточном и молекулярном уровнях. В то же время активно идёт изучение механизмов регуляции, обеспечивающих функционирование растительного организма как единого целого. Резко ускоряются исследования механизмов реализации наследственной информации, роли мембран в системах регуляции, механизмов действия фитогормонов. Быстрое развитие физиологии растений открывает новые возможности в биотехнологии, интенсивном сельском хозяйстве. В сельскохозяйственную практику входят химические регуляторы роста растений, гербициды и фунгициды.
БИОЛОГИЧЕСКИЙ ОТДЕЛ ЦЕНТРА ПЕДАГОГИЧЕСКОГО МАСТЕРСТВА
Автор Чергинцев Д. А. Много полезной информации о строении хлоропластов, разных типах хлорофилла, особенностях электрон-транспортной цепи.
Автор статьи Чергинцев Д.А. Тиоредоксиновая регуляция. Стадия карбоксилирования. Стадия восстановление и стадия регенерации. Углекслотная компенсация. Типы фотосинтеза.
Автор Чергинцев Д. А. Опыт Чарльза и Френсиса Дарвина. Эксперимент Вента. Биосинтез ИУК. Действие ауксинов на растения.
Автор Чергинцев Д. А. Важнейшие из цитокининов. Их биосинтез и транспорт в растениях. Физилогические эффекты, вызываемые цитокининами у растенияй. Взаимодействие цитокининов и ауксинов.
Автор Чергинцев Д. А. Гормоны листа, самый многочисленный класс растительных гормонов. Пробуждение почек, прорастание семян, стимуляция роста корня и междоузлий. Партенокарпия.
Чергинцев Д. А. Гормон биотического стресса – этилен. Вызывает сбрасывание листьев и созревание плодов, способствует закладке механических тканей и образованию аэренхимы.
Автор статьи Чергинцев Д.А. Синтез абсицизовой кислоты (АБК) и её роль в жизни растений.
Лектор Чуб В. В. Эволюция растений и фотосинтеза. Строение листа. Процесс миграции энергии. Реакция Красновского. Самый главный фермент. Цикл Кальвина. Дыхание. CAM-метаболизм.
Лектор Лабунская Е. А. Ауксины. Цитокинины. Гиббереллины. АБК
Лектор Сатина Л.Я. Тонкослойная хроматография – анализ смесей жидких или твердых веществ. Теоретические основы и практическое применение:
Изучение осмотических явлений (А. Доброчаев). Плазмолиз и деплазмолиз (В. В. Чуб). Тонкослойная хроматография (Д. Ветошкина)
Занятия ведет Быкова Е. А. Осмотические явления. Клеточки Траубе. Окрашивание клеток нейтральным красным. Методы определения пигментов.
Список литературы
2. Страсбургер. т.2. под.ред Зитте, 35-изд.
3. Физиология растений (Под ред. И. П. Ермакова)
Основные сведения по морфологии и физиологии цветкового растения
Строение растений.Тело растений обычно расчленено на корень и побег.Из высших растений наиболее высокоорганизованными, многочисленными и распространенными являются цветковые растения. Кроме корня и побега, они имеют цветки и плоды – органы, отсутствующие у других групп растений. Строение растений удобно рассмотреть на примере цветковых растений. Вегетативные органы растений, корень и побег, обеспечивают их питание, рост и бесполое размножение.
Корень.С помощью корня растение закрепляется в почве. Он также обеспечивает поступление воды и минеральных веществ и нередко служит местом синтеза и запасания питательных веществ. Корни начинают формироваться уже в зародыше растения. При прорастании семени из зародышевого корешка образуется главный корень.Через некоторое время от него отрастают многочисленные боковые корни.У ряда растений от стеблей и листьев образуются придаточные корни.Совокупность всех корней называют корневой системой.Корневая система может быть стержневой,с хорошо развитым главным корнем (одуванчик, редис, яблоня) или мочковатой,образованной боковыми и придаточными корнями (ячмень, пшеница, лук). Главный корень в таких системах слабо развит или совсем отсутствует. У ряда растений в корнях запасаются питательные вещества (крахмал, сахар), например у моркови, репы, свеклы. Такие видоизменения главного корня называют корнеплодами.У георгины питательные вещества откладываются в утолщенных придаточных корнях, их называют корнеклубнями.Встречаются в природе и другие видоизменения корней: корни-прицепки(у лиан, плюща), воздушные корни(у монстеры, орхидеи), ходульные корни (у мангровых растений – баньяна), дыхательные корни(у болотных растений). Растет корень верхушкой, где находятся клетки образовательной ткани – точка роста.Она защищена корневым чехликом. Корневые волоскивсасывают воду с растворенными в ней минеральными веществами в зоне всасывания. По проводящей системекорня вода и минеральные вещества поступают вверх к стеблям и листьям, а вниз передвигаются органические вещества.
Побег – это сложный вегетативный орган, состоящий из почек, стебля и листьев. Наряду с вегетативными у цветковых растений имеются генеративные побеги, на которых развиваются цветки. Побег образуется из зародышевой почки семени. Развитие побегов многолетних растений из почек хорошо заметно весной. По расположению почки на стебле различают верхушечную и боковые почки.Верхушечная почка обеспечивает рост побега в длину, а боковые – его ветвление. Почка снаружи покрыта плотными чешуями, часто пропитанными смолистыми веществами, внутри находятся зачаточный побег с конусом нарастания и листочки. В пазухах зачаточных листьев располагаются едва заметные зачаточные почки. В генеративной почке находятся зачатки цветков.
Стебель – это осевая часть побега, на которой располагаются листья и почки. Он выполняет опорную функцию в растении, обеспечивает передвижение воды и минеральных веществ от корня вверх к листьям, органических веществ – вниз, от листьев к корню. Внешне стебли весьма разнообразны: у кукурузы, подсолнечника, березы – прямостоячие; у пырея, лапчатки – ползучие; у вьюнка, хмеля – вьющиеся; у гороха, лианы, винограда – лазящие. Стебель выполняет запасающую функцию, в нем откладываются органические вещества. У ряда растений встречаются видоизмененные стебли: колючки у боярышника, служащие для защиты; усики у винограда– для прикрепления к опоре.
Лист – это важный вегетативный орган растения, выполняющий основные функции: фотосинтез, испарение воды и газообмен. У растений различают несколько типов листорасположения: очередное,когда листья расположены поочередно друг за другом, супротивное – листья располагаются друг напротив друга и мутовчатое – три и более листа отходят от одного узла. Лист состоит из листовой пластинки и черешка, иногда имеются прилистники. Листья без черешка называют сидячими.У некоторых растений (злаки) бесчерешковые листья образуют трубку – влагалище, обхватывающую стебель. Такие листья называют влагалищными. Листья могут быть простыми и сложными. Простой листимеет одну листовую пластинку, а сложный – несколько листовых пластинок, расположенных на одном черешке. Разнообразны формы листовых пластинок. У простых листьев листовые пластинки могут быть цельными и рассеченными с различными краями: зубчатыми, пильчатыми, городчатыми, волнистыми. Сложные листья могут быть парно– и непарноперистосложными, пальчатосложными, тройчатыми.
В листовой пластине находится система жилок,выполняющих опорную и транспортную функции. Различают сетчатое жилкование (у большинства двудольных растений), параллельное (злаки, осоки) и дуговое (ландыш).
На нижней стороне листа у большинства растений в эпидерме находятся многочисленные устьица – отверстия, образованные двумя замыкающими клетками. Через них осуществляются газообмен, испарение воды. Днем устьичная щель открыта, а на ночь закрывается.
В наших широтах ежегодно наблюдается массовое сбрасывание листвы – листопад.Это явление имеет важное приспособительное значение, оно предохраняет растение от иссушения, замерзания, предотвращает поломку ветвей деревьев. Кроме того, с мертвыми листьями растение освобождается от ненужных и вредных для него веществ.
Многие растения имеют видоизмененные листья, выполняющие специфические функции. Усики гороха, цепляясь за опору, поддерживают стебель, в чешуйчатых листьях лука запасаются питательные вещества, колючки барбариса предохраняют его от поедания, ловушки росянки заманивают и ловят насекомых.
У большинства многолетних травянистых растений происходит видоизменение побегов,которые приспособились к выполнению разнообразных функций.
Корневище – это видоизмененный подземный побег, выполняющий функции корня, а также служащий для запасания питательных веществ и вегетативного размножения растений. В отличие от корня корневище имеет чешуйки – видоизмененные листья и почки, оно растет горизонтально в земле. От него отрастают придаточные корни. Корневище имеется у ландыша, осоки, купены, пырея ползучего.
У земляники образуются надземные видоизмененные столоны – усы, обеспечивающие вегетативное размножение. При соприкосновении с землей они укореняются с помощью придаточных корней и образуют розетку листьев.
Подземные столоны – клубни у картофеля – это также видоизмененные побеги. В хорошо развитой сердцевине их сильно утолщенного стебля запасаются питательные вещества. На клубнях можно видеть глазки – почки, расположенные по спирали, из которых развиваются надземные побеги.
Луковица – это укороченный побег с сочными листьями. Нижняя часть – донце является укороченным стеблем, от которого отрастают придаточные корни. Луковица образуется у многих лилейных (тюльпана, лилий, нарциссов).
Видоизмененные побеги служат для вегетативного размножения растений.
Генеративные органы растений
Генеративные органы – цветок, плод и семя – обеспечивают половое размножение растений.
Цветок – это укороченный видоизмененный генеративный побег, орган размножения покрытосеменных растений. Цветок располагается на цветоножке. Расширенная часть цветоножки называется цветоложем,на котором расположены все части цветка. В центре цветка находятся его главные части: пестик и тычинки. Пестик – женский орган цветка, тычинки – мужской орган. Пестик обычно состоит из рыльца, столбика и завязи. В завязи находятся семязачатки,в которых развивается и созревает яйцеклетка. Тычинки состоят из тычиночной нити и пыльников. В пыльниках развивается пыльцевое зерно, в котором образуются спермии. Внутренние части цветка защищены листочками околоцветника.Наружные зеленые листочки – чашелистикиобразуют чашечку, внутренние лепестки образуют венчик.Двойным называют околоцветник, состоящий из чашечки и венчика, а простым – из одинаковых листочков. У вишни, гороха, розы околоцветник двойной, у тюльпана, ландыша – простой. Околоцветник служит для защиты внутренних частей цветка и привлечения опылителей, поэтому он часто имеет яркую окраску. У ветроопыляемых растений околоцветник нередко редуцирован или представлен чешуйками и пленками (злаки, береза, ива, осина, тополь). У некоторых растений в цветках имеются особые желёзки – нектарники,которые выделяют сахаристую пахучую жидкость – нектар, служащую для привлечения опылителей. По наличию тычинок и пестиков различают два типа цветков. Цветки, имеющие пестик и тычинки (яблоня, вишня), называются обоеполыми,только тычинки или пестики – однополыми (огурец, тополь). Если тычиночные и пестичные цветки располагаются на одной особи, то растения называются однодомными(кукуруза, дуб, лещина, огурец), а если на разных – то двудомными (тополь, ива, верба, облепиха).
Соцветия.Растения могут обладать крупными одиночными или многочисленными мелкими цветками. Мелкие цветки, собранные вместе, называют соцветиями. Соцветия лучше заметны для опылителей, более эффективно опыляются ветром. Различают несколько типов соцветий.
Колос характеризуется наличием сидячих (без цветоножек) цветков на главной оси (подорожник). Сложный колос образован несколькими простыми колосками (пшеница, рожь).
Початок имеет толстую центральную ось, на которой располагаются сидячие цветки (белокрыльник). В соцветии кисть (ландыш, черемуха) цветки на цветоножках располагаются на общей оси один за другим. В соцветии корзинка (ромашка, одуванчик) множество сидячих цветков расположено на широкой утолщенной блюдцевидной оси. У соцветия головка (клевер) мелкие сидячие цветки располагаются на укороченной шаровидной оси. В простом зонтике (вишня, примула) на главной укороченной оси цветки находятся на одинаковых длинных цветоножках. У моркови, петрушки соцветия состоят из группы простых зонтиков и образуют сложный зонтик.
У щитка, в отличие от кисти, цветки располагаются в одной плоскости, поэтому отходящие от центральной оси цветоножки имеют разную длину (тысячелистник, груша).
Метелка – это сложное соцветие, имеющее несколько боковых ответвлений, состоящих из кистей, щитков (овес, сирень, мужские цветки кукурузы).
Семя.Семя состоит из семенной кожуры, зародыша и эндосперма. Снаружи оно покрыто плотной защитной семенной кожурой. В зародыше различают корешок, стебелек, почечку и семядоли.Семядоли – это первые зародышевые листья растения. В зависимости от количества семядолей в зародыше различают однодольные растения (одна семядоля) и двудольные растения (две семядоли). Питательные вещества могут находиться в семядолях или особой запасающей ткани – эндосперме,в этом случае семядоли почти не развиты.
Плод.Плод – это сложное образование, в его формировании могут принимать участие не только пестик, но и другие части цветка: основания лепестков, чашелистиков и цветоложе. Плод, образованный из нескольких пестиков, называется сборным (малина, ежевика). Форма плодов очень разнообразна. В зависимости от количества семян различают односемянныеи многосемянные плоды, что связано с количеством семяпочек в завязи. Различают также сочные и сухиеплоды.
Костянка– сочный односемянный плод (вишня, слива, абрикос).
Ягода – сочный многосемянный плод (томаты, смородина, крыжовник).
Яблоко – сочный многосемянный плод, образованный не из завязи, а из других частей цветка (груша, слива, яблоко).
Тыквина – сочный многосемянный плод, семена располагаются в центральной части (тыква, дыня, огурец).
Померанец – сочный многосемянный плод у цитрусовых (лимон, апельсин).
Зерновка – сухой односемянный нераскрывающийся плод (кукуруза, рис, пшеница), в котором околоплодник срастается с семенной кожурой.
Семянка– сухой односемянный нераскрывающийся плод (подсолнечник, одуванчик), в котором околоплодник не срастается с кожурой.
Орех – сухой односемянный плод с одревесневшим околоплодником (орешник-лещина, грецкий орех).
Боб – сухой многосемянный вскрывающийся плод (горох, фасоль).
Коробочка – сухой многосемянный плод (лен, мак), в котором семена высыпаются из многочисленных отверстий или трещин.
Стручок – сухой многосемянный вскрывающийся плод, семена располагаются на внутренней перегородке (капуста, пастушья сумка, редис).
Жизненные формы растений.Деревья характеризуются наличием одревесневшего стебля – ствола, сохраняющегося на протяжении всей жизни. Кустарники имеют несколько небольших стволиков. Для трав характерны сочные, зеленые, неодревесневшие побеги. Продолжительность жизни.Различают однолетние, двулетние, многолетние растения. Деревья и кустарники относятся к многолетним растениям, а травы могут быть как многолетними, так и однолетними и двулетними.
Размножение растений. В природе существует два типа размножения организмов: бесполое и половое.
1.Бесполое размножение – это образование нового организма из одной клетки или группы клеток исходного материнского организма. В этом случае в размножении участвует только одна родительская особь, которая передает свою наследственную информацию дочерним особям.В основе бесполого размножения лежит митоз. Существует несколько форм бесполого размножения.
Простое деление,или деление надвое, характерно для одноклеточных организмов. Из одной клетки путем митоза образуются две дочерние клетки, каждая из которых становится новым организмом.
Почкование – это форма бесполого размножения, при которой от родительской особи отделяется дочерний организм. Такая форма характерна для дрожжей.
У споровых растений (водорослей, мхов, папоротников) размножение происходит с помощью спор,специальных клеток, образующихся в материнском организме. Каждая спора, прорастая, дает начало новому организму.
Вегетативное размножение – это размножение отдельными органами, частями органов или тела. Оно основано на способности организмов восстанавливать недостающие части тела – регенерации.Встречается у растений (размножение стеблями, листьями, побегами), у низших беспозвоночных животных (кишечнополостных, плоских и кольчатых червей).
2.Половое размножение – это образование нового организма при участии двух родительских особей. Новый организм несет наследственную информацию от обоих родителей.
Оплодотворение – процесс слияния мужских и женских половых клеток, в результате которого образуется зигота. Из зиготы развивается зародыш, который дает начало новому организму. Оплодотворение бывает наружным и внутренним. Наружное оплодотворениехарактерно вне организма (водоросли).
Биологическое значение оплодотворения состоит в том, что при слиянии гамет восстанавливается диплоидный набор хромосом, а новый организм несет наследственную информацию и признаки двух родителей. Это увеличивает разнообразие признаков организмов, повышает их жизнестойкость.
Половое размножение цветковых растений. Для образования семени необходимо, чтобы пыльца с тычинок попала на рыльце пестика, т. е. произошло опыление. Если пыльца попадает на рыльце того же цветка, то происходит самоопыление (фасоль, горох, пшеница). При перекрестном опылении пыльца с тычинок одного цветка попадает на рыльце пестика другого.
Мелкую сухую пыльцу может переносить ветер (ольха, орешник, береза). У ветроопыляемых растений цветки обычно мелкие, собранные в соцветия, околоцветник отсутствует или слабо развит. Могут переносить пыльцу насекомые (насекомоопыляемыерастения), а также птицы и некоторые млекопитающие. Цветки таких растений обычно яркие, ароматные, содержат нектар. Пыльца в большинстве случаев клейкая, имеет выросты – крючки.
Человек может в своих целях переносить пыльцу с тычинок на рыльце пестиков, такое опыление называется искусственным.Искусственное опыление используют для получения более высоких урожаев, выведения новых сортов растений. В тычинках формируется мужской гаметофит – пыльцевые зерна (пыльца),состоящие из двух клеток – вегетативной и генеративной. В генеративной клетке образуются мужские половые клетки – спермии. В завязи пестика в семяпочке образуется женский гаметофит –(одно наиболее крупное, расположенное у пыльцевхода, называется яйцеклеткой,а два ядра поменьше, располагающиеся в центре, – центральными ядрами).При попадании пыльцы на рыльце пестика вегетативная клетка прорастает в пыльцевую трубочку, перемещая генеративную клетку к пыльцевходу – микропиле.Через пыльцевход два спермия проникают в зародышевый мешок – и происходит оплодотворение. Один спермий сливается с яйцеклеткой и образует зиготу,из которой развивается зародыш семени. Второй спермий сливается с двумя центральными ядрами, образуя триплоидный эндосперм семени, в котором могут запасаться питательные вещества. Из покрова семязачатка образуется семенная кожура. Такой процесс оплодотворения называется двойным.Он открыт русским ботаником С. Г. Навашиным в 1898 г. Разросшаяся стенка завязи или другие части цветка образуют плод.
Дата добавления: 2019-03-09 ; просмотров: 599 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Что такое физиология и морфология растений
ВВЕДЕНИЕ
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ – наука, которая изучает жизнедеятельность и функции растительного организма во взаимодействии с условиями окружающей среды.
Предметом физиологии растений – являются исследования общих закономерностей жизнедеятельности растений, как открытой энергетической системы, которая состоит из подсистем. Основной структурной единицей растительного организма есть клетка.
Объектом исследования физиологии являются клетки, ткани, органы и целые растения, которые выращивают в лабораториях или в полевых условиях, или в закрытом грунте.
Микробиология исследует значение микроорганизмов в развитии патологических процессов, выработки иммунитета при инфекционных заболеваниях человека, животных, растений, проводит разработку эффективных методов профилактики и борьбы с вредными микробами – возбудителями болезней. Рассматривает вопросы использования полезных микроорганизмов в медицине, ветеринарии, кормопроизводстве и экологии.
Возникает необходимость глубокого анализа характера микробиологических процессов, которые проходят в почвах, занятых сельскохозяйственными культурами, умение оценить влияние агротехнических мероприятий на характер микрофлоры и деятельность микроорганизмов. В дальнейшем это позволит успешно управлять процессами повышения плодородия почвы и урожайности сельскохозяйственных культур.
ЗАДАЧИ ФИЗИОЛОГИИ:
1. Изучение физиологических и биохимических процессов растительного организма в онтогенезе (индивид. развитие), что обеспечивает улучшение технологии выращивания, хранения и переработки продукции.
2. Разработка новых методов эффективного использования воды растением. Экология водного режима и физиология растений в условиях орошения.
3. Усовершенствование теории минерального питания для эффективного использования минеральных удобрений и повышения продуктивности растений.
4. Дальнейшее изучение механизма фотосинтеза и усовершенствование методов, способствующих увеличению использования растениями солнечной энергии.
5. Исследование роста и развития растений и разработка методов, направленных на управление этими процессами.
6. Изучение физиологии формирования качества урожая, независимо от экологических условий выращивания растений.
7. Дальнейшее изучение устойчивости растений к неблагоприятным факторам природы и деятельности человека (вредные выбросы промышленности и транспорта).
ДЫХАНИЕ – совокупность распада органических веществ, которые накопились при фотосинтезе. Различают дыхание: анаэробное – без доступа кислорода, и аэробное – с доступом кислорода. Как человек может повлиять на этот процесс?
РАЗВИТИЕ – смена фенологических фаз в процессе онтогенеза. У зерновых выделено 7 фаз.
ОНТОГЕНЕЗ – индивидуальное развитие растений, комплекс последовательных необратимых изменений жизнедеятельности и структуры растений (от семени и до смерти).
МЕТОДЫ ФИЗИОЛОГИИ
Лабораторные и полевые исследования, а также культура тканей и клеток.
Они включают изучение физиолого-биохимических процессов клетки, водного обмена, дыхания, минерального питания растений, процессов синтеза, транспорта, превращение и накопление органических соединений, физиологических особенностей онтогенеза и стойкости растений к неблагоприятным факторам внешней среды, а также взаимодействия с другими организмами.
Исследования на клеточном и молекулярном уровнях проводят с помощью методов микроскопии, электронной микроскопии, газовой хроматографии, радиоактивных и стабильных изотопов.
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ФИЗИОЛОГИИ РАСТЕНИЙ КАК НАУКИ
Вначале развивалась как составная часть ботаники. Как самостоятельная наука сформировалась в конце 17века. Истинный основатель – швейцарский ученый Ж. Сенебье. (1800г).
М. Мальпиги (итал)- 1675г. Р. Гук (1665г) – учение о микроскопическом строении растений.
Английский ученый Д. Пристли в 1771г.- выделение кислорода зелеными растениями, а то, что это протекает на свету, установил в 1779г. Голландец Я. Унгенхауз.
Сущность корневого питания была раскрыта немецким ученым Ю. Либихом в 1840г. Он сформулировал теорию минерального питания.
К. Тимирязев – фотосинтез, это биологический процесс превращения энергии солнца в химическую, создал оригинальную школу физиологии растений.
Быстрый рост науки в конце 18века позволил раскрыть сущность другого важного процесса в жизнедеятельности растительного организма – как дыхание. Швейцарский ученый Н. Соссюр в 1797г. Доказал принципиальную аналогичность этого процесса у животных и растений.
Химизм дыхания установлено следующими учеными – В. Палладин, Г. Кребс, С. Костычев.
Д. А.Сабинин установил закономерности роста и развития растений.
М. Максимов – изучал засухоустойчивость растений.
Д. Гродзинский – физиологию устойчивости растений к неблагоприятным условиям.
Ф. Мацков – внекорневое питание.
Современная агрономия – это синтез новейших достижений биологической и сельскохозяйственной науки и практик. Без понимания сущности микробиологических процессов почвы, умения анализировать роль микроорганизмов, которые отвечают за их происхождение, невозможна успешная деятельность будущих агрономов, а также усовершенствования современных технологий выращивания сельскохозяйственных культур.
ВЗАИМООТНОШЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ И РАСТЕНИЙ
Важное значение имеют микроорганизмы для жизни растительного мира.
В результате их жизнедеятельности обеспечиваются пригодными для усвоения организмами, минеральными и азотистыми соединениями.
Начиная от посева семян и заканчивая дозреванием растений и уборкой урожая, рост и преобразование растительного сырья на продукты питания и корма, происходит это все при помощи микроорганизмов почвы.
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ
Клетка – основная структурно-функциональная единица живой материи, которая находится в основе строения и развития всех организмов. В клетке происходят все жизненные процессы: питания, выделения, новообразование ее элементов, деление, реакция на раздражимость.
Клетка – это элементарная биологическая открытая система, которая способна к самовоспроизведению, саморегуляции и саморазвитию. Для прохождения этих процессов в клетке должны постоянно протекать обмен веществ и образовываться энергия.
ОБМЕН ВЕЩЕСТВ (МЕТАБОЛИЗМ) – обмен между организмами и средой (внешний обмен), а также транспортировка веществ в организм (внутренний обмен). Метаболизм характеризуется 2 взаимосвязанными процессами жизнедеятельности – анаболизмом и катаболизмом.
Анаболизм – это совокупность биохимических процессов, которые помогают усвоению питательных веществ и энергии, созданию тела клетки (фотосинтез).
Катаболизм – распад органических веществ, синтезированных при анаболизме, на более простые, необходимые для построения новых органических соединений и освобождения (выделения) определенного количества энергии (дыхание).
Единство этих 2 типов обмена и составляет основу жизни.
ОБЩАЯ МОРФОЛОГИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ
Согласно современным представлениям, растительная клетка состоит из 3 основных частей – оболочки, протопласта и вакуоли. Клеточная оболочка относительно жесткая, сложная в химическом отношении и является продуктом деятельности протопласта. Протопласт – живая часть клетки, является коллоидным раствором с размещенными в нем структурными элементами (ядро, пластиды, митохондрии, Эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, рибосомы). Вакуоли – это неживые образования, заполненные растворами неорганических солей, поглощенных клеткой и органических веществ – продуктов метаболической деятельности клетки.
Морфологические отличия клеток обусловлены характером биологических процессов и типом обмена веществ. Если растительная клетка выращивается изолированно, то ее форма приближается к сферической, если в окружении других клеток, то может иметь форму многогранника. Клетки эмбриональных тканей и конуса нарастания очень маленьких размеров. У молодых клеток оболочка тонкая. Со временем, с увеличением объема клетки, количество протопласта постепенно увеличивается, в нем образуется много мелких вакуолей, которые постепенно сливаются в 1 большую и оболочка утолщается.
СТРОЕНИЕ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ КОМПОНЕНТОВ КЛЕТКИ
Клеточная оболочка и ее функции. Оболочка клетки образуется из продуктов секреторной деятельности протопласта, которые постепенно наслаиваются в процессе развития клетки.
Между оболочками соседних клеток существует средняя пластинка, которую образуют вначале гелеподобные пектиновые вещества, но позже она дополняется целлюлозою и другими полисахаридами и приобретает жесткость. У древесных клеток оболочка насыщена лигнином.
Первичная оболочка клетки состоит из целлюлозных микрофибрил, погруженных в основное вещество – матрикс. Благодаря пространству между фибриллами клеточная стенка имеет достаточную гибкость.
Во время формирования клетки внешняя оболочка испытывает сильное давление сбоку протопласта, растягивается, и при этом к ней добавляется новый строительный материал – происходит ее рост и утолщение. Рост клеточной стенки возможен благодаря деятельности аппарата Гольджи.
Вещества матрикса и углеводные компоненты будущего целлюлозного каркаса переносятся к плазмалемме пузырьками диктиосом, где с помощью ферментов, связанных с мембраной клетки, происходит синтез и строение клеточной стенки. Как правило, в 2 оболочке выделяют 3 слоя – внешний, средний и внутренний. В этих слоях угол расположения целлюлозных микрофибрил разный, что обеспечивает твердость (плотность), незначительную пластичность оболочки и высокую прочность всей структуры.
У некоторых клеток, например, мезофилла, формирование клеточной оболочки заканчивается, как только клетка достигает своей максимальной величины. В других тканях в клетках, которые закончили свой рост, с внутреннего бока образуется вторичная клеточная оболочка с твердой структурой. Такое утолщение оболочки уменьшает объем протопласта. Со временем весь протопласт отмирает полностью, остаются только пустые цилиндры из клеточных оболочек, которые выполняют механическую функцию или функцию проводных тканей.
Вторичная клеточная оболочка пронизана многочисленными порами. Делянка оболочки с порами очень тонкая, состоит только из средней внутренней пластинки и первичной клеточной стенки.
В зрелых живых клетках поры представлены канальцами, это объединяет внутреннюю часть вторичной клеточной стенки и внешнюю часть первичной. Поры могут размещаться группами, образуя поровые поля, которые играют важную роль в пропуске воды, растворов минеральных и пластических веществ.
ПРОТОПЛАСТ – это коллоидная система. В живой клетке она находится в постоянном движении, благодаря которому обеспечивается оптимальное размещение органелл, лучшему протеканию биохимических реакций, удалению продуктов обмена из вакуоли и за границей клетки. Основу протопласта составляет цитоплазма.
Химический состав цитоплазмы (вода – 75-85%, белки и аминокислоты – 10-12%, углеводы – 4-6%, жиры и липиды – 2-3%, другие органические вещества – около 1%,минеральные вещества – 2-3%) благоприятствует образованию коллоидного раствора, который не смешивается с водой и веществами вакуолей.
Цитоплазме свойственна эластичность и довольно высокая плотность. Например, в клетках паренхимы коры бобов ее вязкость в 24 раза выше, чес у воды.
Вязкость цитоплазмы неоднородная. Периферическая часть ее, которая прилегает к оболочке, более вязкая и отделяется от нее поверхностной мембраной – плазмалеммой. От вакуоли цитоплазма отделена другой поверхностной мембраной – тонопластом. Между этими мембранами находится менее вязкий внутренний слой цитоплазмы – мезоплазма, которая является цитоплазматическим матриксом, который пронизан эндоплазматической сеткой (внутренней мембраной). В цитоплазматическом матриксе постоянно происходят процессы обмена веществ.
Различают гидрофильные вещества, хорошо растворимые в воде вследствие способности молекул воды образовывать с молекулами водные связи и гидрофобные вещества, которые в воде практически не растворимы, потому что молекулы большинства из них не имеют полярности.
Вода является не только растворителем для растений питательных веществ, компонентом структуры цитоплазмы, но и средой, в которой происходят все биохимические реакции.
Центральным и важнейшим органом клетки является – ядро. Это неотъемлемая часть любой клетки. В нем заключена вся генетическая информация. Ядро имеет довольно сложную структуру. Форма его – шаровидная или овальная. Размер колеблется в широких пределах.
Сверху ядро окружено мембраной пористой структуры, которая при помощи элементов ЭПС соединена с мембранами других клеточных структурных компонентов.
Ядро не только содержит генетическую информацию, но и передает ее цитоплазме (синтез информационной РНК) от клетки к клетке (деление ядра, деление клетки, размножение, наследственность). Среди белков ядра преобладают нуклеопротеиды. Структура ядра зависит от функционального состояния клетки.
В интерфазном ядре хромосомы имеют вид бесформенных скоплений хроматина, которые увеличились в объеме. Перед началом деления ядра каждая хромосома состоит из 2 хроматид, которые в анафазе делятся. Далее, в новой клетке хроматида удваивается и становится хромосомой с полным набором генетической информации.
ХРОМОСОМЫ или хроматин у эукариотов состоят из 4 видов молекул:
3. Щелочного низкомолекулярного белка-гистона (40%)
4. Кислого негистонового белка, кроме ферментов (10%) и незначительного количества жиров, полисахаридов и ионов металлов.
ЯДРЫШКО – круглое образование высокой плотности, которое не имеет мембран. Оно состоит с более компактного, чем ядро материала, содержит рибонуклеиновую кислоту (15%) и белки (80%). В ядрышке содержатся в большом количестве субъединицы хромосом. Эти рибонуклеопротеидные гранулы вместе с рибонуклеопротеидными ниткообразными структурами (фибриллами) погружены в нуклеоплазму. В ядрышке синтезируются многочисленные рибосомные белки-гистоны, накапливается РНК перед выходом в цитоплазму. Также в ядрышке собираются другие типы РНК (транспортная РНК).
ПЛАСТИДЫ – продукты жизнедеятельности растительной клетки. Они образуются из пропластид – маленьких амебоподобных тел, которые берут начало от мельчайших частичек, которые отделяются от ядра и содержат нуклеоплазму. В растительных клетках содержится 3 типа пластид: лейкопласты (бесцветные), хлоропласты (зеленые) и хромопласты (оранжевые). Совокупность пластид принято называть «пластидом».
Пластиды всех 3 типов могут взаимно преобразовываться. Например, лейкопласты преобразовываются в хлоропласты при позеленении картофеля на свету, в темноте хлоропласты теряют зеленую окраску и превращаются в лейкопласты, при дегенерации хлоропластов и разложении хлорофилла преобразуются в хромопласты. (осенняя окраска листьев).
Хлоропласты имеют зеленую окраску, это обуславливается наличием в них хлорофилла.
МИТОХОНДРИИ содержатся в цитоплазме всех клеток эукариотов. В процессе полового размножения промитохондрии передаются потомству через яйцеклетку. Размножение митохондрий происходит путем поперечного деления, а также почкованием. Образовавшиеся дочерние органеллы – промитохондрии со временем преобразуются в зрелые митохондрии.
В состав митохондрий входят белки, жиры, витамины, рибосомы, РНК, ДНК, ферментативный комплекс.
Основной функцией митохондрий является обеспечение процессов жизнедеятельности клетки необходимой энергией путем преобразования энергии химических связей при окислении дыхательного субстрата в энергию макроэнергетических связей аденозинтрифосфорной кислоты АТФ). Митохондрии – энергетические станции. Образование АТФ происходит при ферментативном расщеплении углеводов, жирных кислот, аминокислот в процессе окислительного фосфорилирования. В них проходит биосинтез липидов и белков, которые принимают участие в общем процессе транспорта ионов в клетку.
РИБОСОМЫ – ультромикроскопические образования диаметром близко 0,2 мкм. Каждая клетка содержит тысячи рибосом. Общее их количество определяется интенсивностью синтеза белка в клетке. По химическому строению они являются нуклеопротеидами, которые состоят из высокомолекулярной рибосомальной РНК и молекулы структурного рибосомного белка. Они имеют свойство « считывать « информацию, которая содержится в звеньях матричной РНК в виде последовательно размещенных нуклеотидов, и реализовать ее в форме белковой молекулы с соответствующим размещением 20 аминокислот.
Они отвечают за синтез белка.
Они могут свободно размещаться в цитоплазме, образовывать полирибосомы, могут быть прикреплены к мембране эндоплазматического ретикулуму. Построены из больших и малых субъединиц, которые соединены между собой атомами магния.
Такая структурная организация обеспечивает возможность наилучшего пространственного размещения рибосомы, помогает найти необходимую ориентацию активным аминокислотам, которые берут участие в образовании пептидной цепочки (звена).
АППАРАТ ГОЛЬДЖИ (диктиосомы)
От краев цистерн отшнуровываются пузырьки. Считают, что в цистернах диктиосом происходит синтез полисахаридов клеточной стенки, которые транспортируются в пузырьках к периферии клетки. Со временем пузырьки сливаются с плазматическими мембранами, а синтезированные соединения откладываются за протопластом.
Рядом с обычными пузырьками, которые имеют гладкую поверхность, на диктиосомах формируются пузырьки с шероховатой поверхностью, которые возможно содержат белки.
Функция аппарата Гольджи также состоит в образовании и выделении секреций (эфирные масла, камеди и др.). Секреторные продукты передвигаются через аппарат Гольджи к месту назначения. При прохождении через аппарат секреторные белки получают доработку (укорачивание боковых цепей олигосахаридов, присоединение фосфатных групп или жирных кислот, протеолитическое расщепление). Другой важной функцией аппарата Гольджи является сортировка ферментов и других соединений. Для осуществлений функций диктиосомы требуют энергии.
ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКИЙ РЕТИКУЛУМ
Эндоплазматический ретикулум (эндоплазматическая сеть) – это система мембран (каналов), которые пронизывают цитоплазму. Мембраны на одних участках суживаются, на других расширяются, образуя цистерны, плоские мешки или разветвленные трубки. ЭПС может быть гладким или гранулированным. На внешней поверхности гранулированного ретикулума размещены многочисленные маленькие органоиды – рибосомы. Гладкий ретикулум, который преобладает в растительных клетках, не несет на себе рибосомы. Эта система внутренних мембран начинается от внешней мембраны оболочки ядра и подходит к разным органоидам, связывая все части клетки.
Одновременно мембраны эндоплазматического ретикулума разделяют цитоплазму на многочисленные отделы, благодаря чему в каждом из таких отделов происходят полные процессы. Одновременно он выполняет функцию конвейера для многих ферментативных преобразований веществ и их перемещения по клетке. Кроме того, каналы ЭПС через плазмодесмы соединяются с ретикулумом соседних клеток.
ВАКУОЛИ, ЛИЗОСОМЫ, МИКРОТРУБОЧКИ
Так как содержимое вакуоли значительно отличается от содержимого цитоплазмы, то можно сделать вывод, что проникаемость тонопласта отличается от проникаемости плазмалеммы.
У большинства растений РН клеточного сока колеблется в пределах 3,5-5,5, а РН цитоплазмы приближается к 7,0 Такая разница в концентрации ионов Н+ дает основание предположить существование в тонопласте гипотетических насосов, которые перекачивают ионы Н+ из цитоплазмы в вакуолю и содействуют (благоприятствуют) поддержанию РН цитоплазмы на постоянном уровне, что является очень важным для активности ферментов, которые в значительной степени определяют РН среды.
Лизосома окружена мембраной и характеризуется хаотичностью внутренней структуры. В лизосомах сосредоточено около 50 ферментов, которые катализируют процессы распада : протеазы, которые гидролизируют белки, нуклеазы – распад нуклеиновых кислот, липазы – расщепление жиров. Наиболее активны эти ферменты в кислой среде.
МИКРОТРУБОЧКИ – пустотелые, вытянутые протоплазматические частицы диаметром 18-30 нм и длинной несколько микронов, состоящие из фибриллярных нитей, основой которых является белок тубулин. Они не относятся к специализированным органеллам клеток, потому что функционируют только в соединении с цитоплазмой. Микротрубочки – это динамические структуры, которые регулярно рушатся и образуются снова на определенных этапах клеточного цикла.
В клетках, которые растягиваются и дифференцируются, микротрубочки, которые размещаются около внутренней поверхности плазматической мембраны, принимают участие в образовании клеточной оболочки, контролируя состав целлюлозных микрофибрил, которые откладываются цитоплазмой на клеточную оболочку. Микротрубочки направляют пупырышки диктиосом к оболочке, которая образуется. При делении клетки они составляют основу веретена деления и также принимают участие во внутриклеточном транспорте.
Микротрубочки выполняют в основном опорную и сократительную. Функции, обеспечивают циркуляцию цитоплазмы, принимают участие в морфогенезе клеток.
ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ – ультратонкие структуры толщиной 5-10нм, созданные из белков (60%), фосфолипидов (40%) и небольшого количества углеводов. Они отделяют содержимое клетки, регулируют обмен между клетками и средой, образуют в середине клетки ряд компартментов, где протекают специальные метаболические процессы. Мембранами окружена цитоплазма, ядро, хлоропласты, аппарат Гольджи, рибосомы. Наиважнейшие биологические процессы (световые реакции фотосинтеза, окислительное фосфорилирование при дыхании) происходят непосредственно на мембранах.
Кроме названных функций, мембраны регулируют транспорт ионов и продуктов метаболизма.
Они имеют избирательное проникание, т. е. способность активно регулировать процесс проникновения веществ в клетку. Молекулы или ионы одних веществ проникают быстро, других – свободно, еще других – не проникают вообще.
Белки клеточной мембраны неоднородны по своему строению и выполняют разные функции. Некоторые являются носителями, которые транспортируют через мембрану к цитоплазме клетки или других органелл молекулы или ионы других веществ, другие являются ферментами, которые принимают участие в метаболических процессах, преобразование энергии, перенос электронов. Сложные белки-гликопротеиды содержат олигосахаридные цепи. Эти цепи являются своеобразными антеннами для опознавания внешних сигналов. Благодаря опознанию соседние клетки могут связываться одна с другой через определенные участки и образовывать ткани в процессе дифференциации.
Белки мембран выполняют ряд других важных функций. Предполагают, что у белков, которые насквозь пронизывают мембрану имеются гидрофильные каналы или поры. Через эти каналы могут проникать полярные молекулы веществ, которые не пропускает жировой слой мембраны. Химический состав жиров мембраны также неоднородный.
ВИТАМИНЫ, ЖИРЫ, УГЛЕВОДЫ
Среди других органических веществ, которые содержатся в растениях, витамины занимают особенное место. Витамины (от лат. Вита – жизнь) являются жизненно-важными для растительных и животных организмов соединениями. Они содержатся в очень малых количествах, но жизненно необходимы для нормального роста и поддержания важных биохимических процессов в организмах растений, животных и человека. Они выполняют каталитические функции, обеспечивают ход процессов обмена и преобразования энергии пластических веществ.
Витамины – компоненты разнообразных ферментных систем.
В зависимости от растворимости различают жирорастворимые и водорастворимые витамины. В группу водорастворимых витаминов входят:
1. Витамин С (аскорбиновая кислота), химическая формула – С6Н8О6- это кристаллическое вещество, имеет окислительно-восстановительные свойства, благодаря чему преобразовывается в дезоксиаскорбиновую кислоту при отщеплении 2 атомов Н+. В растениях она синтезируется из углеводов. Ее накопление зависит от условий выращивания. При выращивании растений в северных районах содержание аскорбиновой кислоты меньше, чем у растений южных зон выращивания. Одни и те же растения на легких почвах содержат больше аскорбиновой кислоты, чем на тяжелых. Увеличению количества витамина С способствуют фосфорные удобрения, а азотные, наоборот – снижению. Наибольшее содержание витамина С в плодах шиповника, ягодах черной смородины, лимонах, сладком перце.
Во время хранения плодов и овощей содержание ее снижается. Наибольшие потери витамина С – во время варки. Суточная норма потребления витамина С для человека составляет 50-100мг, недостаток – приводит к заболеванию – цинга.
Он входит в состав фермента пируватдекарбоксилаза. Недостача его в организме приводит к нарушению углеводного обмена. Наибольшее его содержание – в наружных оболочках семян злаковых и бобовых культур.
Суточная норма – 2-3мг. Недостаток вызывает тяжелые нервные и сердечные заболевания.
3. Витамин В2 (рибофлавин, витамин роста) – по химическому составу это азотистое основание.
В соединении с фосфорной кислотой витамин В2 входит в состав флавиновых коферментов (ФАД, ФМН), которые принимают участие в окислении многих органических соединений, переноса Н+ от обновленных НАД-Н и НАДФ-Н на цитохромную систему. Недостаток этого витамина приводит к нарушению обмена веществ в организме. Суточная норма его – 2-4мг. Основным источником этого витамина являются зеленые овощи, мясные (печень, почки), молочные и рыбные продукты, дрожжи.
4. Витамин В3 (пантотеновая кислота) входит в состав кофермента А, который катализирует количественные реакции синтеза. Сам витамин В3 синтезируется только в растительном организме, поэтому его недостаток приводит к серьезным нарушениям обмена жиров и углеводов. Внешними признаками этих нарушений могут быть жесткость кожи, выпадение волос. Суточная норма – 10-20мг. Наиболее им богаты – дрожжи, некоторые мясные продукты, оболочки семян зерновых.
5. Витамин В6 (пиридоксин) является производным пиридина. Пиродоксин входит в состав активных групп ферментов, которые катализируют реакции трансаминирования, декарбоксилирования и др. преобразования аминокислот. Поэтому его недостаток вызывает нарушения белкового обмена у растений, животных и людей. Суточная потребность – 2-4мг.
6. Биотин (витамин Н). Биотиновые ферменты катализируют 2 типа реакций – декарбоксилирования (при участии АТФ) и транскарбоксилирования, которые имеют большое значение в синтезе высших жирных кислот, белков, нуклеиновых кислот. Его недостаток вызывает замедление роста, у человека повреждается кожа, волосяной покров. Суточная его норма для человека – 10мг. Содержится в картофеле, луке, томатах. Например, в 1л. Молока содержится до 50мг биотину.
7. Витамин РР (никотиновая кислота) является производным пиридина:
В растениях содержится в основном в виде кислоты, которая преобразуется в амид и принимает участие в синтезе наиважнейших окислительно-обновленных ферментов (дегидрогеназ) с активной группой никотинамидадениндинуклеотид (НАД) или НАДФ. Синтезируется она в растениях на свету. Ее недостаток нарушает обмен веществ При недостатке развивается пеллагра (хроническое заболевание кожи), нарушается психика. Суточная норма – 15-25мг. Наибольшее содержание никотиновой кислоты содержат – дрожжи, пшеничные зародыши, печень, почки животных.
8. Витамин В с (фолиевая кислота) впервые был выделен из листьев шпината. Принимает участие в биосинтезе нуклеотидов, реакция взаимных преобразований аминокислот, переносе формальдегидных, метильных и оксиметильных групп. Недостаток – заболевания крови (анемия, лейкопения).
В группу жирорастворимых витаминов входят:
2. Витамин группы Д – полициклические соединения спиртового характера класса стеролов. Стеролы под действием света способны преобразовываться в витамины группы Д. Высокое содержание витамина Д в жире, печенке морских рыб. Для человека основным источником витамина Д в зимний период является – коровье молоко, яйца. В летний период, как правило, необходимое количество его образуется под действием солнечных лучей. Среднесуточная потребность – 0,02мг. Недостаток этого витамина приводит к нарушению солевого обмена и заболеванию рахитом.
4. Витамин К очень распространен в растениях, особенно в надземных органах, так как на его биосинтез значительно влияет свет. Он принимает участие в реакции фотосинтеза. В организме животных витамин К обеспечивает свертывание крови.
УГЛЕВОДЫ
Углеводы – это наиболее наиважнейшие и наиболее распространенные органические соединения, которые образуются в процессе фотосинтеза, и являются основным дыхательным материалом, что обеспечивает организм необходимой энергией и промежуточными продуктами для поддержания процессов жизнедеятельности и биосинтеза других сложных соединений.
По химическому составу они подразделяются на 3 класса:
МОНОСАХАРИДЫ, или простые сахара, содержат от 3 до 7 атомов углерода, гидроксильную (-ОН) и альдегидную или кетоновую группы.
По количеству углеродных атомов моносахариды называют триозами, тетрозами, пентозами, гексозами. Представителями моносахаридов являются глицериновый альдегид, диоксиацетон, рибоза, седогептулоза, глюкоза, фруктоза. Они хорошо растворимы в воде и используются растениями для регуляции роста растений.
ОЛИГОСАХАРИДЫ являются небольшими полимерами, которые состоят из ЭН моносахаридных остатков. Дисахарид сахароза – наиболее распространенный олисахарид в растениях.
Пектиновые вещества – водорастворимые полисахариды, компоненты первичной клеточной оболочки.
ОСМОС – свободное проникновение растворителя в раствор, отделенный от него мембраной, способное к избирательному пропусканию разных молекул и ионов.
ТУРГОР – напряженное состояние клеточной оболочки, созданное гидростатическим давлением внутриклеточной жидкости.
ПЛАЗМОЛИЗ – уменьшение объема протопласта живой клетки, с отделением цитоплазмы от оболочки, которое происходит под действием концентрированных растворов.
ЦИТОРИЗ – наблюдается при значительном высыхании почвы или сильной транспирации (сдавливание всей клетки)
ДЕПЛАЗМОЛИЗ – возвращение клетки к нормальному состоянию во время появления воды.