Занятие VII. Физиология устьичного аппарата

 

Работа 1. Определение числа устьиц и площади устьичных отверстий на единице листовой поверхности

Контрольные вопросы:

1. Опишите два типа строения устьичного аппарата: на примере двудольных растений и травянистых злаков.
2. Каковы особенности расположения устьиц на листе?
3. Сравните количество и размеры устьиц у растений различных экологических групп.
4. Охарактеризуйте следующие методы изучения устьичного аппарата: микроскопия интактных листьев, фиксированного эпидермиса, отпечатков поверхности листа;

 

Газообмен между межклетниками листа и атмосферой регулируется устьицами. Устьичный аппарат двудольных растений представлен щелью, окаймленной двумя видоизмененными эпидермальными клетками полулунной формы – замыкающими клетками. У однодольных растений устьица представлены двумя удлиненными клетками с более тонкими стенками на концах.

Растение способно регулировать отдачу воды путем изменения степени отверстности устьиц. Строение замыкающих клеток позволяет изменять ширину устьичной щели от максимальной до минимальной. Открывание и закрывание устьиц основано на изменении тургора в замыкающих клетках. При насыщении замыкающих клеток водой более тонкие стенки растягиваются сильнее, кривизна стенок замыкающих клеток увеличивается и устьичная щель открывается. При потере воды замыкающие клетки выпрямляются, и щель закрывается.

У различных видов растений устьица различаются по форме, количеству, величине, что определяет транспирационную способность растения. У большинства растений устьица располагаются на нижней поверхности листа. Число устьиц колеблется в зависимости от вида растения от 1 до 60 тыс. на 1 см² листовой поверхности. Суммарная площадь устьичных отверстий составляет не более 1-2% поверхности листа, но диффузия водяного пара из листа осуществляется беспрепятственно вследствие эффекта краевой диффузии и составляет 50-60% от испарения со свободной водной поверхности по площади равной площади листа.

 

Цель работы: сравнить строение устьиц, их количество, размеры и площадь устьичных отверстий на единице листовой поверхности у растений разных экологических групп.

Объекты и оборудование: листья традесканции, аспидистры, кливии, герани, плюща и других растений из разных экологических групп; лезвие, предметные и покровные стекла, препаровальные иглы, пинцет, окуляр-микрометр винтовой, микроскоп.

Ход работы

1. Определить при малом увеличении объектива микроскопа (8^Х) площадь поля зрения:

а) биштрих окуляр-микрометра расположить так, чтобы штрихи биштриха были на одинаковом расстоянии от деления «4» шкалы, в этом случае центр перекрестия будет центром поля зрения микроскопа;

б) сориентировать шкалу объект-микрометра по одному из радиусов (r), определенных линиями перекрестия; подсчитать число делений шкалы объект-микрометра, укладывающихся в радиус поля зрения (а);

в) зная, что цена деления шкалы объект-микрометра равна 0,01 мм, вычислить радиус поля зрения: r (мм) = a ∙ 0,01;

г) рассчитать площадь поля зрения микроскопа по формуле площади круга: S = πr².

2. С нижней поверхности листа срезать эпидермис, приготовить препарат в капле воды и рассмотреть под микроскопом при увеличении объектива 8^Х.

3. Подсчитать число устьиц в 5 полях зрения, вычислить среднее число устьиц в поле зрения, сделать перерасчет на 1 мм² листовой поверхности. Данные занести в табл 1.

4. При большом увеличении (40^Х) найти открытые устьица и измерить окуляр-микрометром длину и ширину устьичной щели для 5 устьиц. Значение β_ср. взять из работы 2 занятия 3. Рассчитать среднюю длину и среднюю ширину устьичного отверстия, Данные занести в таблицу 2.

5. Рассчитать площадь одного устьичного отверстия путем умножения средней длины на среднюю ширину и поправочный коэффициент 0,7.

6. Зная количество устьиц на 1 мм² листовой поверхности и площадь одного устьичного отверстия. Найти площадь всех устьичных отверстий на единице листовой поверхности (1 мм²). Выразить эту величину в процентах от единицы площади листа.

7. Определения провести для двух растений, сравнить количество устьиц, их размеры, строение, а также площадь устьичных отверстий на единице листовой поверхности.

Оформление работы:

количественные данные запишите в таблицы, сделайте необходимые расчеты, сравните показатели у исследуемых видов. На сделанных микрофотографиях эпидермы листьев укажите замыкающие и побочные клетки устьиц, устьичную щель, основные клетки эпидермы. Сравните микроскопическую картину вариантов.

 

Результаты и обсуждение:

 

1. Определение радиуса (r) и площади поля зрения микроскопа (β):

Таблица 1

Объект	Число устьиц в поле зрения микроскопа, шт.
1-ое поле	2-ое поле	3-е поле	4-ое поле	5-ое поле
1.   2.

 

Расчет числа устьиц на 1 мм² листа:

 

Таблица 2

Объект	№ устьица	Размеры устьичных отверстий	Площадь отверстия, мм^2
длина	ширина
II - 1	мм	II - I	мм

 

Расчет площади устьичных отверстий на 1 мм² поверхности листа (мм², %):

Объект 1:

Объект2:

Работа 2. Влияние внешних условий на состояние устьиц

Контрольные вопросы:

1. Какое влияние оказывают внешние факторы на движения устьиц?

2. Как изменяется состояние устьиц в течение суток?

3. В чем разница между пассивными и активными движениями устьиц?

4. С какой целью в физиологических исследованиях применяют методы инфильтрации и порометрии?

 

На устьичные движения оказывают влияние разнообразные факторы: освещенность, содержание воды, концентрация СО₂ в межклетниках, температура. В условиях недостаточного увлажнения происходит гидроактивная реакция закрывания устьиц, причем устьица закрываются еще до появления внешних признаков завядания. Поэтому степень открытости устьиц является физиологическим показателем состояния растений и установления сроков полива.

Межклетники листа заполнены воздухом, поэтому при рассматривании на свет лист кажется матовым. Если произойдет инфильтрация, то соответствующие участки листа становятся прозрачными. Определение состояния устьиц методом инфильтрации основано на способности органических растворителей проникать в силу капиллярности через открытые устьица в межклетники, вытесняя из них воздух, в этом можно убедится по появлению прозрачных пятен. Различные растворители способны инфильтрироваться в разной степени: ксилол проникает даже через слабо открытые устьица, бензол – через средне открытые, а этанол – лишь через широко открытые. Данный метод достаточно прост и может быть применим в полевых условиях.

 

Цель работы: пронаблюдать изменения в степени открытости устьиц под влиянием внешних условий.

Реактивы и оборудование: листья растений, выдержанных в разных условиях освещенности, водоснабжения, температуры; этанол, ксилол, бензол в капельницах.

Ход работы

1. На нижнюю поверхность листа нанести отдельно по капле бензола, ксилола, спирта.

2. Держать лист горизонтально до исчезновения капель растворителей, которые могут либо испариться, либо инфильтрироваться. После чего рассмотреть лист на свет.

3. Результат записать в таблицу, обозначая проникновение растворителя знаком “+”, а отсутствие проникновения знаком “ - “.

Оформление работы:

приведите латинские названия растений. Заполните таблицу и сравните состояние устьиц на свету и в темноте у различных растений.

 

Результаты и обсуждение:

Объект	Условия опыта	Инфильтрация	Состояние устьиц
этанол	бензол	ксилол
	на свету
в темноте
	на свету
в темноте
	на свету
в темноте
	на свету
в темноте
	на свету
в темноте
	на свету
в темноте
	на свету
в темноте
	на свету
в темноте
	на свету
в темноте
	на свету
в темноте

 

Работа 3. Открытие иона калия в замыкающих клетках устьиц

 

Контрольные вопросы:

1. В чем заключается роль иона К⁺ как регулятора осмотического потенциала и потенциала давления замыкающих клеток?

2. Как регулируются светом ионные потоки при открывании устьиц?

3.
Используя приведенную схему опишите предполагаемый механизм закрывания устьиц в ответ на АБК.

 

Рис. Модель закрывания устьиц в ответ на абсцизовую кислоту (АБК)

 

Движение иона калия в замыкающие клетки и из них – в сопровождающие является одним из важных механизмов устьичных движений: поступление ионов калия в замыкающие клетки связано с открыванием устьичных щелей, выход – с их закрыванием. Ион калия можно обнаружить с помощью чисто химической реакции с кобальтинитритом натрия по появлению желтых кристаллов кобальтинитрита калия-натрия в клетках. Это дает возможность сравнительного изучения содержания калия в замыкающих клетках устьиц в условиях темноты при закрытых устьичных щелях и на свету – когда устьичные щели широко открываются.

Для этой работы годятся очень многие растения, имеющие крупные замыкающие клетки. Особенно рекомендуются устьица злаков – овса и кукурузы, несмотря на то, что с этих листьев очень трудно снять эпидермис. Хорошим объектом является традесканция кукурузолистная.

Цель работы: выявить разницу в распределении ионов калия в клетках эпидермиса листьев растений на свету и в темноте.

 

Реактивы и оборудование: 100-200-ватная лампа, водный экран, ледяная баня, 3-4 стаканчика на 50 мл, лезвие, пинцет, препаровальные иглы, покровные и предметные стекла, стеклянная палочка, 10% р-р Na₃[Co(NO₂)₆], 5% глицерин, уксусная кислота (ледяная).

 

Ход работы:

1.За 2 часа до работы срезать листья исследуемых растений и поместить их в воду в 2 кристаллизатора. Один кристаллизатор поместить в темноту – для получения закрытых устьиц, другой – на яркий свет, под 100-200-ваттную лампу с водным экраном, предохраняющим листья от перегревания – для получения открытых устьиц.

2.Приготовить 10% водный р-р кобальтинитрита натрия и подкислить его, добавив 1 каплю ледяной уксусной кислоты (р-р должен быть свежеприготовленным).

3.Приготовить ледяную баню (в баню положить куски льда) и поместить в нее р-р кобальтинитрита натрия и 3-4 стаканчика на 50 мл с дист. водой. В продолжение опыта р-р и вода должны находиться в бане.

4.Снять 3-4 полоски эпидермиса и быстро поместить их на 30 сек. в охлажденную воду, а затем – на 10 мин. в р-р кобальтинитрита натрия; для удобства часть охлажденного р-ра можно перелить в часовое стекло и поместить в бане на стаканчик.

5. Через 10 минут перенести срезы для удаления избытка краски в воду и промывать сначала в одном, потом – в другом стаканчике. Эту операцию следует проделать быстро, в течение 2-3 минут.

6.Отмытые от избытка краски срезы поместить в каплю 5% глицерина и рассмотреть под микроскопом при большом увеличении, отмечая расположение желтых кристаллов кобальтинитрита калия-натрия в замыкающих и сопровождающих клетках на свету и в темноте:

Ход реакции: Na₃[Co(NO₂)₆] + 2K⁺ -- K₂Na[Co(NO₂)₆] + 2Na⁺

7.Сделать фотографии микроскопической картины обоих вариантов.

 

Оформление работы:

сравните степень открытости устьиц у исследуемого растения на свету и в темноте подтверждая разницу фотографиями с микропрепаратов. Есть ли различия между вариантами по распределению иона К⁺ (желтых кристаллов K₂Na[Co(NO₂)₆]) в замыкающих и побочных клетках эпидермы. Объясните роль К⁺ в регуляции осмотических процессов в замыкающих клетках устьиц.

 

Занятие VIII. «ВОДНЫЙ РЕЖИМ РАСТЕНИЙ»

 

Работа 1. Определение интенсивности транспирации (ИТ) весовым методом.

 

Контрольные вопросы:

1. Дайте понятие транспирации. Каково значение этого процесса в жизни растений?

Какие виды транспирации выделяют?

2. Охарактеризуйте строение листа как органа транспирации.

3. В чем заключается эффект краевой диффузии и как он сказывается на водном

режиме листа?

4. Опишите этапы устьичной транспирации и их регуляцию.

5. Как осуществляется кутикулярная транспирация? Какую долю в общем испарении

воды растением она составляет?

6. Расшифруйте следующие понятия, характеризующие транспирационный процесс:

интенсивность транспирации (ИТ), относительная транспирация (ОТ),

транспирационный коэффициент (ТК), продуктивность транспирации (ПТ). Где

используют их на практике?

7. Какое влияние на интенсивность транспирации оказывают внешние и внутренние

условия? Объясните.

 

Водообмен растений складывается из неразрывно связанных процессов поглощения, передвижения, распределения и испарения воды.

Транспирация - это физиологический процесс испарения воды растением. Транспирация служит для транспортировки в надземные органы минеральных и органических веществ, поступающих из корней. Восходящий ток воды необходим для водоснабжения клеток и поддержания тургора, кроме того, усиленная транспирация спасает растение от перегрева. Движущей силой транспирации считается большой перепад водного потенциала между листом и окружающим его воздухом – суммарный поток воды направлен в сторону меньшего водного потенциала. Все факторы, оказывающие влияние на величину градиента водного потенциала в системе «растение – воздух», влияют на транспирацию в той же мере, что и на процесс испарения воды. Транспирация зависит от дефицита насыщения воздуха водяными парами, температуры, освещенности, движения воздуха, а также анатомо-морфологических и физиологических особенностей растений.

Различают несколько видов транспирации: устьичную, околоустьичную, кутикулярную и перидермальную. В устьичной транспирации выделяют три этапа: 1) испарение воды с поверхности клеток мезофилла в межклетники; 2) диффузия водяного пара через устьичные отверстия; 3) диффузия водяного пара от поверхности листа. При кутикулярной транспирации вода испаряется с поверхности листа. У молодых листьев кутикулярная транспирация составляет 30-50% от общего испарения воды, у зрелых листьев с развитой кутикулой она сокращается до 10%, у старых листьев при повреждении кутикулярного слоя ее доля вновь увеличивается. Интенсивность транспирации (ИТ) колеблется от 15-250 г/м²∙час в дневные часы и сокращается ночью до 7-20 г/м²∙час. Растения способны регулировать водоотдачу (существует устьичная и внеустьичная регулировка транспирации).

Интенсивность транспирации - количество воды, испаряемой растением с единицы листовой поверхности за единицу времени. ИТ имеет размерность г/м²·час или мг/г сырой массы·час. Определение интенсивности транспирации растений основано на измерении массы исследуемого объекта (интактного растения, срезанного побега или листа) через заданные промежутки времени или непрерывно.

Цель работы: сравнить интенсивность транспирации растений при различных внешних воздействиях.

Объекты: комнатные растения, растения в почвенной или песчаной культуре, растения в природной обстановке.

Реактивы и оборудование: вазелиновое масло; технические и торзионные весы, кристаллизатор с водой, ножницы, скальпель, калька, колба на 50 или 100 мл, психрометр, лампа 250 вт, вентилятор, термостат.

Ход работы

1. Срезать побег исследуемого растения, обновить срез под водой.

2. Поместить побег в колбу с отстоявшейся водой. Поверхность воды в колбе залить тонким слоем вазелинового масла во избежание испарения со свободной водной поверхности. Листья и колба должны быть сухими. Взвесить приготовленный прибор с точностью до 0,01 г и поместить в соответствующие условия освещенности, температуры, движения воздуха (работать с вариантом опыта, указанным преподавателем).

3. После 40 - 60–минутной экспозиции взвешивание прибора повторить. Разница между первым и вторым взвешиванием показывает количество воды, испаренное побегом за время опыта.

4. Для пересчета количества испарившейся воды на единицу поверхности (1 м²), необходимо определить площадь листьев на побеге:

а) из кальки вырезать квадрат со стороной 10 см, т.е. площадью 100см² и взвесить (масса квадрата из кальки – А мг);

б) обвести на кальке простым карандашом контуры всех листьев, вырезать и взвесить (масса контуров листьев - В мг);

в) рассчитать площадь контуров S (равно площадь листьев) по формуле: S(см²) =

 

5. Рассчитать интенсивность транспирации по формуле:

 

ИТ = , где

 

ИТ – интенсивность транспирации, г/м²∙час; С – убыль в массе прибора за время опыта, г; S – площадь листьев, см²; t′ – время опыта, мин; 60 – коэффициент перевода минут в часы; 10 000 - коэффициент перевода см² в м².

 

6. Параллельно с интенсивностью транспирации определить скорость испарения воды с открытой водной поверхности:

а) в половинку чашки Петри налить воду и взвесить, через 40-60 минут провести второе взвешивание;

б) измерить внутренний диаметр чашки и рассчитать площадь испаряющей поверхности (S = πr²);

в) рассчитать скорость испарения воды (V), выразив показатель в тех же единицах, что и интенсивность транспирации (ИТ) - г/м²∙час.

 

7. Рассчитать относительную транспирацию (ОТ) – отношение интенсивности физиологического процесса транспирации к интенсивности физического процесса испарения воды с открытой водной поверхности: ОТ = ИТ/V.

 

Оформление работы:

приведите схему опыта. Исходные и расчетные данные по индивидуальному варианту запишите в таблицы 1. и 2. Результаты различных вариантов опыта занесите в сводную таблицу 3. Сравните транспирацию растений в различных условиях, дайте объяснение. О чем свидетельствует показатель относительной транспирации, зависит ли его величина от напряженности внешних факторов?

Результаты и обсуждение

Расчет площади листьев:

 

Расчет интенсивности транспирации (ИТ):

Таблица 1

Определение интенсивности транспирации_________________

(указать объект)

Вариант	Пов-торность	Продол-житель-ность опыта (t′), мин	Масса прибора в начале опыта, г	Масса прибора в конце опыта, г	Потеря воды за время опыта, г	Интенсивность транспирации, г/м^2·час
пов-ть

 

Расчет площади чашки Петри (свободной испаряющей поверхности) (S):

 

Расчет скорости испарения воды со свободной водной поверхности (V):

 

Расчет относительной транспирации (ОТ):

Таблица 2

Определение скорости испарения со свободной водной поверхности

Вариант	Повтор-ность	Площадь испаряю-щей поверх-ности	Продол-житель-ность опыта (t′), мин	Масса чашки в начале опыта, г	Масса чашки в конце опыта, г	Потеря воды за время опыта, г	Скорость испарения, г/м^2·час
пов-ть

 

Таблица 3

Интенсивность транспирации растений в различных вариантах опыта

 

Объект	Условия опыта (вариант)	Интенсивность транспирации, г/м^2·час ( ±m)	Относительная транспирация (ОТ)

 

 

Работа 2. Определение интенсивности транспирации у срезанных листьев при помощи торзионных весов

Метод определения интенсивности транспирации основан на учете изменения массы срезанного листа за короткий промежуток времени.

Первое взвешивание проводят сразу после срезания листа, а второе – через 3 – 10 минут, что дает возможность учесть транспирацию при уровне водообмена листа на растении. Для быстрого взвешивания удобно пользоваться торзионными весами. Метод имеет большую точность и применим в полевых условиях.

 

Цель работы:

1) сравнить интенсивность транспирации у разных растений;

2) выявить влияние внешних условий на интенсивность транспирации;

3) сравнить интенсивность транспирации листьев разных ярусов.

(Конкретную задачу определит на занятии преподаватель).

 

Объекты исследования: комнатные растения, растения в почвенной и песчаной культуре, растения в полевом опыте и др.

 

Оборудование: торзионные весы, ножницы, крючки, панель для размещения крючков с листьями, секундомер.

Ход работы

1. Ознакомиться по инструкции с устройством торзионных весов и правилами работы с ними.

2. Взвесить на торзионных весах нужное для работы количество крючков для листьев.

3. Срезать лист без черешка, надеть его на крючок и немедленно взвесить, подвешивая на коромысло весов. Перенести крючок с листом на панель. Поочередно взвесить все листья варианта.

4. Через 5 – 10 минут повторно взвесить поочередно все листья, соблюдая интервал времени между взвешиваниями отдельных листьев.

5. Рассчитать убыль массы листьев за принятую в опыте экспозицию.

6. Рассчитать интенсивность транспирации по формуле:

, где

ИТ – интенсивность транспирации, мг/г сыр. массы∙час; С – убыль массы листьев за экспозицию опыта, мг; М – первоначальная масса листьев, г; t′ – продолжительность опыта, мин; 60 – коэффициент перевода единиц.

Расчеты по формуле для каждого варианта провести по суммарной массе всех листьев.

Оформление работы:

исходные и расчетные данные по варианту занесите в таблицу 1 Результаты, полученные в разных вариантах опыта, запишите в табл. 2, проведите статистическую обработку данных (используя приложение к занятию II) и проанализируйте их.

Результаты и обсуждение

Таблица 2

Интенсивность транспирации растений различных вариантов опыта

Вариант	Интенсивность транспирации, мг/г ·час
1 пов-ть	2 пов-ть	3 пов-ть
1.
2.
3.
4.
5.
6.

Таблица 1

Определение интенсивности транспирации ____________________________

(указать объект, вариант опыта,повторность)

Пов-тор-ность	№ листа	Масса крюч-ка, мг	Масса листа с крючком, мг (1-ое взвеш-е)	Началь- ная масса листа, мг	Мас-са 5 лис-тьев, мг	Масса листа с крючком, мг (2-ое взвеш-е)	Изме- нение массы листа, мг	Убыль массы 5 листьев, мг (С)	ИТ, мг/г∙час

Расчет интенсивности транспирации (ИТ):

Приложение к занятию VIII

Понятия, характеризующие транспирацию

 

Интенсивность транспирации – это количество воды, испаряемой растением (в г) за единицу времени (ч) единицей поверхности листа (в дм², или м²).

 

Транспирационный коэффициент – количество воды (в г), испаряемой растением при накоплении им 1 г сухого вещества.

 

Продуктивность транспирации – величина, обратная транспирационному коэффициенту, – это количество сухого вещества (в г), накопленного растением за период, когда оно испаряет 1 кг воды.

 

Отномительная транспирация – отношение воды, испаряемой листом, к воле, испаряемой со свободной поверхности той же площади за один и тот же промежуток времени.

 

Экономность транспирации – количество испаряемой воды (в мг) на единицу (1 кг) воды, содержащейся в растении.

 

Задачи:

№ 1. Дерево с площадью листовой поверхности 12 м² испарило за 2 часа 3 кг воды. Чему равна интенсивность транспирации.

№ 2. Сколько воды испарит растение за 5 минут, если интенсивность транспирации его 120 г/м² час, а площадь листьев 240 см²?

№ 3. Побег с площадью листьев 1,2 дм² за 4 минуты испарил 60 мг воды. При тех же условиях со свободной водной поверхности площадью 20 см² за 2 часа испарилось 0,6 г. Определить относительную транспирацию.

№ 4. Определить экономность транспирации по следующим данным: интенсивность транспирации 25 г/м² час, площадь листьев 550 см², сырая масса растения 20 г, абсолютно сухая масса 9 г.

№ 5. За вегетационный период растение накопило 2,1 кг органического вещества и испарило 525 кг воды. Определить продуктивность транспирации.

№ 6. Чему равен транспрационный коэффициент дерева, испарившего за вегетационный период 2 т воды и накопившего за это время 10 кг сухого вещества.