Тема 2. Водный обмен растений

Все физиологические процессы в растении протекают сбалансировано лишь при оптимальном его обеспечении водой. Вода является не только растворителем, но и активным структурным компонентом клетки. Она участвует практически во всех физиолого-биохимических процессах в клетке: облегчает взаимодействие между молекулами, служит субстратом для фотосинтеза, участвует в многочисленных синтетических и гидролитических процессах.

Вода, обладая высокой теплоемкостью, способствует стабилизации температуры растения. Находясь во всех органах, она создает в растении непрерывную фазу, обеспечивая связь органов друг с другом, а также возможность передвижения по растению питательных веществ.

Водный баланс растения определяется соотношением между поглощением и выделением воды. Для бездефицитного водного баланса необходимо, чтобы расходование влаги листьями компенсировалось ее поглощением через корни. Подвядание растений приводит к серьезным нарушениям в ультраструктуре клеток и в целом в обмене веществ. Даже кратковременный недостаток воды не проходит для растения бесследно. После установления оптимальных условий водоснабжения фотосинтез восстанавливается лишь через 5-7 дней, рост – через 2-3 недели, что приводит к значительной потере урожая.

Вода поступает в растение в результате сил корневого давления и присасывающего действия транспирации.

Деятельность нижнего двигателя водного тока, состоящая главным образом в активном поглощении воды корневой системой, проявляется в плаче и гуттации растений. Силу, поднимающую воду вверх по сосудам, называют корневым давлением. Величина его обычно составляет 50-150 кПа. Корневое давление имеет большое значение в поглощении воды растением при подземном прорастании и в весеннее время до распускания листьев. Существенная роль корневого давления в поддержании непрерывности водных нитей в сосудах ксилемы. Корневое давление ликвидирует в ночные часы возникающий за день водный дефицит.

Работа верхнего двигателя водного тока обусловлена испарением воды с поверхности листьев – транспирацией. Присасывающее действие транспирации передается корням в форме гидродинамического натяжения, связывающего работу обоих двигателей. Работа верхнего двигателя водного тока, основанная на использовании в качестве источника энергии солнечной радиации, регулируется автоматически (усиление потери влаги снижает водный потенциал испаряющих клеток, что ведет к активизации поступления в них воды). У хорошо облиственных растений присасывающая сила транспирации во много раз превосходит силу корневого давления. Основную роль в регуляции испарения воды играют устьица. Поэтому интенсивность транспирации в значительной степени зависит от степени их открытости. Кроме того, растение может уменьшить транспирацию, снижая испарение воды с поверхности клеток, за счет возрастания водоудерживающей способности цитоплазмы и клеточных стенок.

Работа 1. Определение поглощения воды растением потометрическим методом

Цель: определить влияние различных условий на общее и активное поглощение воды растениями

Объекты, реактивы, оборудование: проростки фасоли, бобов, тыквы или др. растений; кипяченая вода; прибор ПВВК (прибор всасывания воды корнем — прибор Веска), пластилин, лампа на 200 Вт, вентилятор, миллиметровая бумага, чугунный штатив с муфтами и лапкам, кристаллизатор или поддон, лезвия.

 

Краткие сведения

Поступление воды в растение осуществляется благодаря действию двух двигателей водного тока ^__ верхнего и нижнего. Первый представляет собой присасывающую силу транспирации надземных органов, второй ^__ поглощение воды с участием корневой системы. Если работа верхнего двигателя пассивно зависит от внешних условий ^__ температуры, освещения, насыщенности воздуха водяным паром, то поглощение воды корнями обусловлено в значительной степени их активной метаболической деятельностью, в результате которой создается градиент сосущей силы между клетками корневых волосков и окружающим почвенным раствором. В то же время корням свойственен и пассивный механизм поглощения воды путем диффузии ее по свободному пространству. Тем не менее, для лаконичности поглощение воды с помощью корней будем называть активным, а с участием нижнего и верхнего концевых двигателей ^__ общим.

Поглощение воды за короткие промежутки времени можно определить с помощью прибора потометра.

Ход работы

Выкапывают растение, стараясь не повредить корни, отмывают их от почвы, вставляют в предварительно подготовленный прибор ПВВК (рис. 1а).

Прибор представляет У-образную изогнутую стеклянную трубку, состоящую из широкого и узкого колена. На узком колене закреплена полоска миллиметровой бумаги. Держат потометр над кристаллизатором или поддоном и наливают кипяченую воду, чтобы изменения уровня воды были более заметными. В потометре не должно быть пузырьков воздуха, их удаляют через широкое колено, слегка наклоняя прибор.

Вкладывают нижнюю часть стебля в канал просверленной и разрезанной вдоль пробки (рис.1). Предварительно определяют совпадение ширины отверстия и диаметра стебля; стенки канала для плотного прилегания стебля обмазывают тонким слоем пластилина. Опускают корни в широкое колено и вращательным движением вставляют, по возможности плотнее и глубже, пробку. Вытесняемая вода выливается через узкое колено. Под пробкой не должно быть пузырьков воздуха. Для этого щели в пробке замазывают пластилином. Наклоняют прибор узким коленом вниз. Если в широкое колено не врывается пузырьки воздуха, продолжают работу. В противном случае все собирают заново.

 

Рис. 1. Прибор для демонстрации (прибор Веска) всасывания воды корнем: а ^___ смонтированный прибор, б ^___ пробка для него

 

 

Закрепляют потометр в штативе, отмечают уровень воды в узком колене и следят за его изменением через каждые 3 мин. На основании полученных данных рассчитать среднюю скорость смещения мениска (в мм/мин). Затем следует определить среднюю скорость общего поглощения воды (в мм³/мин). Для этого нужно измерить с помощью миллиметровой бумаги внутреннее сечение узкого колена потометра (D) и, зная путь L, пройденный мениском в единицу времени (мм/мин), рассчитать объем поглощенной воды по формуле для объема цилиндра:

 

 

π▪ D² ▪ L

V = ^{_______________} = 0,78▪ D² ▪ L

 

Чтобы сравнить общее поглощение воды различными объектами, необходимо учитывать площадь их листьев. При этом общее поглощение воды выражается в мм³/дм², а поглощение с площади листьев в час — мм³/дм²▪ч.

Площадь листьев можно измерить несколькими способами.

1. Лист накладывают на миллиметровую бумагу, обводят контур его и подсчитывают площадь, занимаемую им (в мм²).

2. Листья, срезанные с растения, раскладывают на бумаге, обводят по контурам и взвешивают (Р₁)

Затем взвешивают бумажный квадрат (Р₂) из этой же бумаги площадью 1см² или 1дм² (S₂). Площадь листьев S₁ находят из пропорции:

 

 

Р₁^___________ S₁ Р₁ ▪ S₂

S₁ = ^{_____________}

Р₂

Р₂ ^__________ S₂

 

После определения поглощения воды целым растением с помощью лезвия удаляют его наземную часть, место среза смазывают вазелином и следят за поглощением воды только корнями, отмечая положение мениска каждые 3 мин, как указывалось ранее. На основании полученных результатов рассчитывают среднюю скорость поглощения (мм³/мин) и долю активного поглощения (в % от общего). Полученные данные записывают по форме табл. 1

 

Таблица 1

Вариант опыта

Поглощение воды

Активное поглощение, %

целым растением

Корнями

Положение мениска через интервалы времени, мин

Средняя Скорость, мм^3/мин

Общее поглощение, мм^3/дм^2▪ч

Положение мениска через интервалы времени, мин

Средняя скорость, мм^3/мин

в сред- нем

в сред- нем

 

Сделать вывод о роли присасывающей силы транспирации и активной деятельности корней в поглощении воды растением при различных условиях.

Задача. Сравнить интенсивность общего и активного поглощения воды:

1) у фасоли и тыквы;

2) у фасоли, освещаемой лампой 200Вт;при естественном освещении;

3) у фасоли, тыквы, бобов при обычном движении воздуха и под вентилятором.

Общие результаты записать по форме табл.2.

Таблица 2

Объект	Внешние условия	Общее поглощение, мм^3/дм^2▪ч	Активное поглощение, %

 

Анализируют интенсивность общего и активного поглощения у исследованных объектов, влияние на них различных факторов среды.