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Chapter2 Plant mineral nutrition

Chapter2 Plant mineral nutrition. Section1 Essential elements for plant. 1.1 Elements in plant. 1.2 Plant essential elements and its identification. 1.2.1 Standard for plant essential elements Essential element ( 必需元素 ) 简单地说就是植物生长发育必不可少的元素。 三条标准 : (1) 全缺不能完成生活史。 (2) 有专一的缺素症状。 (3) 直接的营养功效。.

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Chapter2 Plant mineral nutrition

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Presentation Transcript

  1. Chapter2 Plant mineral nutrition

  2. Section1 Essential elements for plant • 1.1 Elements in plant

  3. 1.2 Plant essential elements and its identification • 1.2.1 Standard for plant essential elements Essential element (必需元素) • 简单地说就是植物生长发育必不可少的元素。三条标准:(1)全缺不能完成生活史。(2)有专一的缺素症状。(3)直接的营养功效。

  4. 1.2.2 Methods for identifying plant essential elements • 溶液培养法(简称水培法, Water culture, solution culture, hydroponics) • 砂基培养法(sand culture)

  5. 水培法和砂培法

  6. 注意事项： • （1）选择合适的培养液；（2）定期更换培养液,调节pH；（3）通气；(4) 根系遮光。应用：功能和吸收机制研究大棚蔬菜、花卉甚至粮食生产。

  7. 1.2.3 Kinds of plant essential elements • 17种元素: C、H、O、N、P、K、Ca、Mg、S、Fe、Mn、B、Zn、Cu、Mo、Cl、Ni。 • Macroelement (Major element大量元素) • 是指植物需要量较大,在植物体内含量较高（>0.1%）的元素,C、H、O、N、P、K、Ca、Mg、S。 • Microelement (trace element微量元素) • 是指植物需要量较少, 在植物体中含量较低(<0.01%)的元素, Fe、Mn、B、Zn、Cu、Mo、Cl、Ni。

  8. 1.3 Physiological functions and deficient symptoms of essential elements • 1.3.1 Physiological functions and deficient symptoms of macroelements • 大量元素是指植物需要量较大的元素,在植物体内含量较高,占干重的0.1%以上。它们是C、H、O、N、P、K、Ca、Mg、S。 C、H、O来自H2O和CO2。N、P、K:需要量较大, 人为地补充, 又称三要素。

  9. Section2 Absorption of mineral elements by plant cell • 2.1 Functions and structures of biomembrane • Biomembrane (生物膜)是细胞中所有膜系统的总称。

  10. 2.1.1 Physiolgical functions of biomembrane • 首先,生物膜可使细胞区室化,使各种代谢活动能在不同的细胞器区域内有条不紊地进行。 • 其次,重重叠叠的膜系统也大大地增加了膜的作用表面,加速了各种反应和物质交换进程。 • 第三,膜既是物质进出细胞器必要的屏障,也是许多内外信号的感受器。如多种载体或运转器; 光感受器光敏素,植物激素受体及以受精识别反应,抗病原生物的过敏性反应等. • 此外,生物膜还可以分泌和内吞的方式使物质大分子如病毒等出入细胞。

  11. 2.1.2 Chemical components of biomembrane • 蛋白质约占50-75%,脂类约20-30(50) %,糖类(糖蛋白,糖脂) 2-10%微量核酸。

  12. 1）Membrane proteins。 • 占细胞中蛋白总量的20-25%,膜蛋白多为功能蛋白,如载体、受体、离子通道,色素复合体及酶等,膜的功能越复杂,膜蛋白含量越高。 • Extrinsic protein(外在蛋白)或peripheral protein (外周蛋白)。 • Intrinsic protein (内在蛋白)或Integral protein (整合蛋白)。

  13. 2）Membrane lipids。 • 磷脂: PC, PE, PG, PI       (磷脂酰胆碱, phosphatidyl choline)、(磷脂酰乙醇胺, phosphatidyl ethanolamine)、(磷脂酰甘油, phosphatidyl glycerol)、(磷脂酰肌醇, phosphatidylinositol); • 糖脂: MGDG, DGDG       (单半乳糖甘油二酯,monogalactosyl diglyceride)       (双半乳糖甘油二酯, digalactosyl diglyceride) • 硫脂: • 磷脂有极性"头部"和由二条长脂肪酸链(12-18C,饱和或不饱和)组成的非极性"尾巴"。水溶液中能以磷脂双分子层排列。

  14. 3）Membrane sugars。 • 糖脂和糖蛋白的形式存在, • 蛋白与阿拉伯糖、半乳糖、N-乙酰葡萄糖胺等分别组成的短链。 • 糖链在组成、构型、分支等结构上的多样性而赋予细胞表面以"标记",这样就成为分子间或细胞间相互识别的标记。

  15. 2.1.3 Conformation of biomembrane • Flow mosaic model (流动镶嵌模型, 1972年, Singer和Nicolson)

  16. 2.2 Passive absorption of mineral elements by plant cell • Passive absorption (被动吸收)是指因扩散作用或其它物理化学过程而引起的矿质元素的吸收, 又称非代谢性吸收。 • 2.2.1 Diffusion • 浓度高→浓度低,最终达浓度一致。离子扩散方向既取决于化学势梯度,也取决于膜内外的电势梯度(电位差),即取决于这种梯度的总和--电化学势梯度。

  17. .3 Active absorption of mineral elements by plant cell • 主动吸收是指植物细胞需要能量的逆电化学势吸收的过程。

  18. 2.3.1 Carrier theory • 膜中存在载体,载体利用ATP活化后与相应离子结合,形成载体-离子复合物;复合体运转至膜内侧, 将离子释放到膜内，如下图:

  19. 载体学说与某些事实相符: • 第一,细胞吸收离子存在饱和效应; • 第二,细胞吸收离子存在竞争现象。 • 钾和铁的载离子体(ionophere) ,一种环状多肽--缬氨霉素与K+螯合运转K+透过膜。 • 麦根酸与铁离子结合 • 玉米根尖细胞质膜30-31KD的多肽能专一性诱导、并运载NO3-进入细胞内。

  20. 2.3.2 Ion channel theory • 高速跨膜运转离子的方式（106-108个·秒-1 ）， • 离子通道象一种门系统,有开放、部分开放和关闭三种状态。离子通道主要通过门的开闭来控制离子的流动。 • K+通道、Na+通道、Ca2+通道和Cl-通道: • 一类受膜电势调控;如K+通道，在膜过极化(<-100mv)时,IK+in被激活,K+内流进入细胞;在膜去极化(<-40mv)时,IK+out开放,K+外流运出细胞。 • 一类受外部因素如光照、激素等调控。

  21. 2.3.3 Ionic pump theory

  22. 质膜上的ATP酶起着离子泵的作用,这种酶能使ATP水解, 将H+从膜内侧泵到膜外侧,形成跨膜电化学势梯度，造成阳离子通过离子通道内流。 • 另一方面阴离子载体,使OH-沿pH梯度向膜外侧转移,而其它阴离子(如NO3-)则跨膜从外侧运转至内侧。 • 通过ATPase（质子泵）产生的H+梯度导致的多种离子的跨膜协同运输示意图

  23. 2.3.4 pinocytosis

  24. Section3 Absorption of mineral elements by plant • 3.1 Characters of mineral absorption of plant root • 3.1.1 Independent and dependent absorption of nutrients on water

  25. (3) No proportion absorption of nutrients to water (4) Dependant on each other

  26. 3.1.2 Toxicity of single salt and ion antagonism

  27. 平衡溶液(balanced solution)含有适当比例的各种植物必需元素和pH值,能使植物生长发育良好的溶液。完全培养液、绝大多数的土壤溶液

  28. 3.1.3 Physiologically acid salts and alkaline salts • 由于植物的选择吸收, 引起阳离子吸收量大于阴离子吸收量,使溶液变酸的这一类盐，称生理酸性盐；如NH4Cl、NH4SO4、KCl、CaCl等 • 植物对阴离子的吸收量大于阳离子的吸收量,使溶液pH上升的这一类盐,称生理碱性盐；如Ca(NO3)2、KNO3。 • 还有一类盐,植物对其阴阳离子的吸收相等,不因植物的吸收引起溶液pH改变的盐类称生理中性盐,如NH4NO3。

  29. 3.2.1物根对溶液中矿质元素的吸收 • 1、离子吸附在根细胞的表面 • 2、离子进入根内部

  30. 3.2.2根部对被土壤颗粒吸附着的矿质元素的吸收3.2.2根部对被土壤颗粒吸附着的矿质元素的吸收

  31. 3.2 Environmental conditions affecting mineral nutrition absorption by root • 1）Temperature

  32. 2） O2 • 通气良好,有利矿质营养的吸收,有效地防止无氧呼吸及强还原性造成的有害物对根系的毒害。如H2S和Fe2+ --细胞色素氧化酶的抑制剂，水稻黑根；有毒的有机酸。

  33. 3）pH • 影响到根系的带电状况和离子有效性。

  34. pH影响到矿质元素的有效性。 • 碱性土壤Fe2+、PO43-、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Zn2+等离子变为不溶状态；酸性土壤K+、PO43-、Ca2+、Mg2+等离子易溶解,植物来不及吸收就被雨水淋溶掉;酸性土壤中（我国南方地区红黄壤）导致许多植物Al、Fe2+、Mn2+中毒。

  35. 4） Interaction between ions • Synergistic action： 一种离子的存在促进另一种离子的吸收,从而提高了后者的有效性称协同作用。如在光下NO3-促进K+的吸收,NH4+促进PO43-的吸收; • Competition:一种离子的存在能抑制植物对另一种离子的吸收

  36. 5) Solute concentration

  37. 3.4 Absorption of mineral elements by leaf • 在农业生产上常采用给植物地上部喷施肥料的措施,叫根外追肥或叶面营养(foliar nutrition)。

  38. 优点: ①补充养料，见效迅速;    ②节省肥料，利用率高。 肥药混合。 注意： ①浓度不要过高,过高会引起"烧苗",一般大量元素1%左右,微量元素0.1%左右为宜。 ②营养液中加入表面活性剂或沾湿剂（吐温、洗净剂）。 ③挥发性强的元素(肥料)不能用作根外追肥。 ④追肥时间以傍晚或阴天为佳。

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