Практикум по физиологии растений учебнометодическое пособие Казань
 Скачать 1.47 Mb.
|
|
ЛИЛИЕНШТЕРН Общие сведения Водный потенциал характеризует сосущую силу растительной ткани. Его величина зависит от разности химических потенциалов воды в клетке и чистой воды. Водный потенциал всегда имеет отрицательный знак. Чем ниже водный потенциал, тем сильнее обезвожена растительная клетка, поэтому этот показатель используют для выбора правильного времени полива. Для конкретных культур различных почвенно-климатических зон установлены оптимальные значения водного потенциала. Это позволяет по справочным данным проводить поливы в оптимальные сроки. Метод полосок основан на подборе наружного раствора такой концентрации, при погружении в который длина полоски растительной ткани не меняется. Если водный потенциал наружного раствора выше водного потенциала растительной ткани, то клетки, всасывая воду из раствора, увеличиваются в объеме, и длина полосок возрастает, если же он ниже, то раствор отнимает воду от клеток, в результате чего их объем и длина полоски уменьшается. В растворе, у которого водный потенциал равен водному потенциалу растительной ткани, длина полосок не изменяется. Материалы и оборудование. Клубни картофеля, 1 М раствор сахарозы или KNO 3 . Штативы с семью пробирками, градуированные пипетки на 10 мл, пинцеты, ланцеты, ножи, часы, миллиметровые линейки. Порядок выполнения работы. При помощи разбавления 1 М раствора сахарозы (или KNO 3 ) в пробирках готовят по 10 мл растворов 0,7; 0,6; 0,5; 0,4; 0,3; 0,2 и 0,1 М концентрации. Из клубня картофеля вырезают 14 полосок длиной 4-6 см и сечением около 4 мм. Концы полосок срезают наискось. Работать следует быстро, чтобы исключить подсыхание полосок. Миллиметровой линейкой точно измеряют их длину и помещают по две в каждую пробирку с приготовленным раствором. Через 20 мин полоски вынимают, обсушивают фильтровальной бумагой и снова измеряют их длину. Для расчета величины водного потенциала берут концентрацию, при которой длина полосок не изменяется. Величину водного потенциала рассчитывают по формуле ψ w ткани = ψ w раствора = - RТсi, где R – газовая постоянная, равная 8,3 Дж/моль∙К; Т – абсолютная температура по Кельвину (о + комнатная с – изотоническая концентрация, М i – изотонический коэффициент [i=1+α(n-1)]. Значения α длярастворов KNO 3 указаны в работе 10; для сахарозы i=1 Результаты опыта записывают в таблицу 8 по приведенной форме. Определение водного потенциала методом Лилиенштерн Концентрация раствора, моль/л На 10 мл раствора Длина полоски ткани, мм Концентрация при которой длина полосок не изменялась, М Водный потенциал, кПа 1 М раствора сахарозы или KNO 3 , мл воды, мл перед погружением в раствор после пребывания в растворе 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 7 6 5 4 3 2 1 3 4 5 6 7 8 9 Работа 15. ЗАВИСИМОСТЬ СОСУЩЕЙ СИЛЫ ОТ СТЕПЕНИ НАСЫЩЕНИЯ КЛЕТОК ВОДОЙ Общие сведения. Силу, с которой клетка способна поглощать воду, называют сосущей силой (S) клетки. Сосущая сила растительной клетки равна разности между осмотическим давлением (P) клеточного сока и тургорным давлением (Т. При погружении клетки в какой-либо раствор водообмен между ними определяется соотношением их сосущих сил вода передвигается в ту сторону, где больше сосущая сила. Данная работа – продолжение предыдущей. На основе полученных данных в работе № 14 нужно начертить диаграмму, показывающую, как изменяется сосущая сила клеток, осмотическое давление клеточного сока и тургорное давление при изменении степени насыщения клеток водой. Зависимость между указанными показателями выражается следующей формулой S=P-T Если до погружения все клетки имели более или менее одинаковую степень насыщения водой, а следовательно, и одинаковые S, P и T, то после пребывания клеток в растворах все эти показатели для разных полосок стали различными. Материалы и оборудование. Миллиметровая бумага, линейки. Порядок выполнения работы. Заполнить таблицу 9, в которой записать показатели, характеризующие состояние клеток после пребывания в растворах см. таблицу в работе 14): 9. Состояние клеток после пребывания в растворах 1. Длина полоски V, мм 2. Сосущая сила S, кПа 3. Осмотическое давление P, кПа 4. Тургорное давление Т, кПа 1. Длина полосок (V). В первую строку таблицы записать длину полосок после пребывания клеток в растворах, начиная с наименьшей концентрации. При совпадении длины полосок в нескольких самых крепких растворах например, 0,6 ММ М) взять величину, относящуюся только к наиболее слабому из этих растворов (в приведенном примере – 0,6 М, поскольку уже в этом растворе клеточные оболочки достигли предела сокращения. 2. Сосущая сила (S). Исходя из того, что полоски достаточно долго пролежали в растворах и уже перестали изменяться в длине, считаем, что сосущая сила клеток сравнялась с осмотическим давлением соответствующего раствора. Осмотическое давление раствора, а, следовательно, и равная ему сосущая сила клеток вычисляется по уравнению Вант-Гоффа: Потенциальное осмотическое давление P=RТсi, где R – газовая постоянная, равная 8,3 Дж/моль∙К; Т – абсолютная температура по Кельвину (о + комнатная с – изотоническая концентрация, М i – изотонический коэффициент Вант-Гоффа. 3. Осмотическое давление клеточного сока (Р. Для самой короткой полоски (V 1 ) характерно полное отсутствие тургора Т, откуда (по формуле S=P-T) Р S 1 . Остальные полоски имеют все более разбавленный клеточный сок, причем Р уменьшается обратно пропорционально объему клеток (или длине полосок Р Р, откуда Р Р 4. Тургорное давление (Т) находим по формуле S=P-T, откуда T =P-S. Заполнив таблицу, начертить диаграмму (образец представлен. Для этого на миллиметровой бумаге начертить систему координат ось абсцисс (Х) – миллиметры, ось ординат (Y) – кПа. На оси абсцисс отложить длину полосок (V), например, 1 мм см, причем точку пересечения осей обозначить не нулем (0), а – V 1. На оси ординат отложить значения для Р и Т, соединить линиями полученные точки. Получатся графики зависимости Р и Тот степени насыщения клеток водой. Значения для S откладывать не придется, т.к. эти величины представлены отрезками P-T. Образец диаграммы показан на рис. 4. Рис. 4. Зависимость осмотических показателей от степени насыщения клеток водой По результатам опыта делают вывод о том, как изменяются P, T ив зависимости от насыщения клеток водой. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что представляет собой растительная клетка 2. Каковы структурные особенности растительной клетки Охарактеризуйте главные компоненты, входящие в состав клеточной оболочки, их химическую структуру, характер связей, возникающих между ними. 3. Охарактеризуйте ультраструктуру и функции мембранных и не мембранных органелл клетки. 4. Отметьте особенности жидкостно-мозаичной структуры мембран. Почему она имеет такое название Как особенности структуры мембраны связаны с выполняемыми функциями 5. Понятие вязкости цитоплазмы. Методы определения вязкости. 6. Существует ли связь между проницаемостью цитоплазмы и ее вязкостью 7. Плазмолиз. Формы и время плазмолиза. Деплазмолиз. Способны ли плазмолизироваться мертвые клетки 8. Что такое колпачковый и судорожный плазмолиз 9. Что лежит в основе избирательной проницаемости клетки 10. Какова физическая природа процессов диффузии и осмоса 11. Что называется осмотическим давлением и отчего зависит его величина 12. Какое практическое значение имеет определение величины осмотического давления клеток растения 13. Что такое водный потенциал клетки Каковы его составляющие 14. Что такое тургор Какое биологическое значение он имеет ВОДНЫЙ ОБМЕН Вода играет важную роль в жизни растений и является основной составной частью их органов. Она составляет от 80 до 95% массы растущих тканей. Вода обладает уникальными свойствами, благодаря которым она имеет первостепенное значение во всех процессах жизнедеятельности клетки. Именно водная фаза объединяет все клетки и ткани растительного организма в единое целое, участвует в построении и упорядочении мембранных структур, гидратирует белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Вода является основным растворителем и активным метаболитом многих биохимических процессов. При фотосинтезе вода служит донором электронов и протонов, используемых на восстановительные биосинтезы. В процессе роста растения большая часть увеличения его массы обеспечивается за счет воды. Придыхании, например в цикле Кребса, вода принимает непосредственное участие в окислительных процессах. Процессы гидролиза, а в ряде случаев и синтеза идут с участием воды. Передвижение веществ по растению в сосудах ксилемы и ситовидных трубках осуществляется вводной среде. Обладая высокой теплоемкостью и большой удельной теплотой парообразования, вода обеспечивает терморегуляцию растительного организма и защищает ткани от резких колебаний температуры. Благодаря явлениям осмоса и тургорному давлению вода обеспечивает упругое состояние клеток и тканей растительного организма, а также их защиту (как амортизатор) при механических воздействиях. В основе транспирации лежит физиологический процесс испарения воды надземными органами. Основным органом транспирации является лист. Различают устьичную и кутикулярную транспирацию. Процесс транспирации состоит из ряда этапов 1) переход воды из клеточных оболочек в межклетники; 2) выход паров воды из межклетников через устьичные щели 3) диффузия паров воды от поверхности листа в атмосферу. Основное значение в регулировании этого процесса принадлежит устьицам. Устьица представляют собой отверстия (щели) в эпидермисе, образованные двумя замыкающими клетками (рис. 5). В отличие от клеток эпидермиса замыкающие клетки устьичного аппарата имеют бобовидную форму, содержат хлоропласты. Устьица обладают способностью открываться и закрываться в зависимости от насыщенности замыкающих клеток водой. Количество устьиц варьирует в зависимости от возраста листа и условий среды и составляет от 50 дона мм. В листьях устьица могут располагаться или на обеих сторонах, или только на нижней. Рис. 5. Структура устьицу двудольных растений А – открытое устьице Б – закрытое устьице 1 – устьичная щель 2 – ядро 3 – хлоропласты 4 – толстая клеточная стенка Испарение воды в атмосферу из клеточных стенок эпидермиса листа называют кутикулярной транспирацией. Приоткрытых устьицах потери водяного пара через кутикулу листа обычно незначительны по сравнению с общей транспирацией. Однако если устьица закрыты, например вовремя засухи, кутикулярная транспирация приобретает важное значение вводном режиме растения. Интенсивность кутикулярной транспирации зависит от толщины кутикулы у молодых листьев с тонкой кутикулой она составляет 50%, ау зрелых листьев с мощной кутикулой – 10% от всей транспирации. В стареющих листьях кутикулярное испарение воды вновь возрастает из-за разрушения и растрескивания кутикулы. Транспирация предохраняет лист от перегрева способствует поступлению воды и растворимых минеральных веществ создает непрерывный ток воды из корневой системы к листьям, который связывается все органы растения в единое целое. Работа 16. СРАВНЕНИЕ ТРАНСПИРАЦИИ ВЕРХНЕЙ И НИЖНЕЙ СТОРОН ЛИСТА ХЛОРКОБАЛЬТОВЫМ МЕТОДОМ Общие сведения. Метод хлоркобальтовой пробы по Шталю основан на изменении цвета фильтровальной бумаги, пропитанной хлоридом кобальта, при поглощении ею паров воды, испаряемых поверхностью листа. Повремени, необходимому для перехода окраски хлоркобальтовой бумаги из голубой (цвет сухого CoCl 2 ) в розовую (цвет CoCl 2 ·6H 2 O), судят о транспирации растений. Рис. 6. Определение транспирации хлоркобальтовым методом 1 – хлоркобальтовая бумажка 2 – целлулоидная подложка Хлоркобальтовый метод определения транспирации листьев, не отделенных от растения, очень прости доступен. Однако его применение ограничено только сравнительными опытами, так как не позволяет определять абсолютные величины интенсивности транспирации. Существуют количественные модификации этого метода, основанные на взвешивании хлоркобальтовой бумаги дои после определенной экспозиции ее на листе, но они неточные. Материалы и оборудование. Растения. Диски из хлоркобальтовой бумаги на целлулоидной подложке, канцелярские скрепки, часы, предметные и покровные стекла, пинцеты, капельницы с водой, лезвия, препаровальные иглы, микроскоп. Порядок выполнения работы Диски из хлоркобальтовой бумаги на целлулоидной подложке прикладывают к верхней и нижней сторонам листа и укрепляют подложку канцелярской скрепкой (рис. 6). Наблюдают, через сколько минут бумажка на верхней и нижней сторонах листа порозовеет. По скорости порозовения определяют, с какой стороны листа испарение идет быстрее. По окончании опыта под микроскопом исследуют эпидермис верхней и нижней сторон листа и подсчитывают количество устьиц в поле зрения. Для этого просматривают по три-пять полей зрения на трех препаратах каждого варианта и вычисляют среднее арифметическое значение. Зарисовывают эпидермис верхней и нижней сторон листа. Делают выводы о причинах различной интенсивности испарения сторон листа данного растения и о соотношении между устьичной и кутикулярной транспирацией. Результаты опыта записывают в таблицу 10 по приведенной форме. 10. Интенсивность транспирации листьев Вариант опыта Сторона листа Период наблюдения Время, за которое порозовеет бумага, мин Число устьиц в поле зрения микроскопа начало опыта конец опыта отдельные подсчеты среднее арифметическое Работа 17. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТОЯНИЯ УСТЬИЦ МЕТОДОМ ИНФИЛЬТРАЦИИ ПО МОЛИШУ Общие сведения Причиной устьичных движений может быть действие света, изменение оводненности тканей, температуры, концентрации СО в 26 межклетниках и др. В условиях недостаточного водообеспечения происходит гидроактивное закрывание устьиц. Причем они начинают постепенно закрываться еще до проявления каких-либо внешних признаков водного дефицита. Поэтому степень открытости устьиц может служить физиологическим показателем для определения обеспеченности растений водой и установления сроков полива. Определение состояния устьиц методом инфильтрации основано на способности жидкостей, смачивающих клеточные стенки, проникать через открытые устьичные щели в межклетники, вытесняя из последних воздух. При инфильтрации межклетников соответствующие участки листа становятся прозрачными. В качестве инфильтрующих растворов берут органические жидкости, обладающие различной вязкостью и неодинаковой способностью смачивать клеточные стенки и поэтому по-разному проникающие через устьичные отверстия в межклетники. Относительно легко проникает ксилол, труднее – бензол, еще труднее – спирт. Разная способность этих жидкостей приникать в устьичные щели позволяет определить степень открытости устьиц. Материалы и оборудование. Растения. Капельницы, спирт, бензол, ксилол. Порядок выполнения работы. Исследуют состояние устьицу растений, находящихся в условиях оптимального и недостаточного водоснабжения. На соседние участки нижней стороны листа наносят последовательно спирт, бензол и ксилол. Лист выдерживают в горизонтальном положении до полного исчезновения капель, которые могут либо испариться, либо проникнуть внутрь листа, и рассматривают его в проходящем свете. Если жидкость проникла в межклетники листа, тона нем появляются прозрачные пятна. На основании полученных данных делают заключение о разной степени раскрытия устьиц, исходя из того, что при инфильтрации только ксилолом они открыты слабо, ксилолом и бензолом – средне, ксилолом, бензолом и спиртом – сильно. Результаты опыта записывают в таблицу 11 по приведенной форме. 11. Определение степени раскрытия устьиц Условия опыта Проникновение Степень раскрытия устьиц спирта бензола ксилола Работа 18. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ РАСКРЫТИЯ УСТЬИЦ НА ФИКСИРОВАННОМ ЭПИДЕРМИСЕ ПО ЛЛОЙДУ Общие сведения Метод заключается в быстром обезвоживании и фиксации в абсолютном спирте снятого эпидермиса и последующем его исследовании под микроскопом. Материалы и оборудование. Десятидневные проростки овса или пшеницы, абсолютный спирт. Предметные и покровные стекла, пинцеты, препаровальные иглы, маленькие склянки с притертыми пробками или бюксы, лезвия, окуляры-микрометры, объекты-микрометры, микроскопы. Порядок выполнения работы Наблюдают за движением устьицу десятидневных проростков злаков при переносе их из светлого помещения втемную камеру. Наблюдение выполняют сначала на свету, а затем после пребывания растений в темной камере в течение 30 мини ч. На нижней стороне листа под прямым углом к центральной жилке делают неглубокие надрезы бритвой через 2-3 мм и срезают в этом направлении полоску эпидермиса. Помещают ее в склянку с абсолютным спиртом, который быстро фиксирует снятый эпидермис и предохраняет его от дальнейшей деформации. Материал можно хранить в спирте долгое время. Фиксированный эпидермис просматривают под микроскопом, измеряют ширину устьичных щелей не менее чему устьиц и вычисляют среднюю величину степени их открытия. Измерения выполняют при помощи окуляра- микрометра, который представляет собой круглую стеклянную пластинку с нанесенной шкалой. Окуляр-микрометр вставляют в окуляр. Перемещают объект препоратоводителем и шкалу микрометра поворотом окуляра так, чтобы можно было измерить объект в делениях окуляра-микрометра. Для выражения ширины устьичных щелей в микрометрах необходимо определить цену деления окуляра-микрометра. Для этого на столик микроскопа помещают объект-микрометр со шкалой длиной 1 мм и величиной одного деления – 100 мкм. Совмещают направление и нулевые точки шкалы окуляра-микрометра и объекта-микрометра. Находят число делений объекта-микрометра (А, точно соответствующее числу делений окуляра-микрометра (В. Вычисляют цену деления окуляра-микрометра. С = 10 А/В. Для получения истинных размеров устьичных щелей умножают их ширину в делениях окуляра-микрометра на цену деления. Результаты опыта записывают в таблицу 12 по приведенной форме. 12. Определение степени раскрытия устьиц Вариант опыта Цена деления окуляра- микрометра, мкм Ширина устьичных щелей в делениях окуляра- микрометра в микрометрах Работа 19. ИЗУЧЕНИЕ СОСТОЯНИЯ УСТЬИЦ МЕТОДОМ ОТПЕЧАТКОВ ПО ПОЛАЧЧИ Общие сведения Метод основан на получении тонкой прозрачной пленки с отпечатками (репликами) устьиц. Рассматривая их под микроскопом, можно определить число устьиц на единице листовой поверхности и их размер. Для изготовления реплик применяют вещества, образующие пленку при испарении растворителя или в результате полимеризации. Действие самих органических растворителей и охлаждение листа в результате их испарения могут влиять на апертуру устьиц. Использование полимеров снижает артефакты. Материалы и оборудование Растения, раствор коллодия или кремнийорганический каучуки катализатор, бесцветный лак для ногтей для изготовления пленки. Предметные и покровные стекла, пинцеты, кисточки, окуляры-микрометры, объекты-микрометры, микроскопы. Порядок выполнения работы На нижнюю поверхность листа стеклянной палочкой тонкий слой раствора силиконового каучука, смешанного с катализатором, и оставляют на 2-3 мин для полимеризации. Негатив снимают с листа пинцетом, покрывают бесцветным лаком и дают высохнуть. Таким образом на лаковой пленке, которая легко снимается со слепка, получают позитивное изображение листа. Пленку помещают в каплю воды на предметное стекло, накрывают покровными рассматривают под микроскопом с объективом ×40. Определяют среднее число устьиц в поле зрения микроскопа, исследовав несколько полей зрения в разных участках препарата. Затем при помощи окуляра-микрометра (см. работу 9) находят среднюю площадь устьичной щели и площадь поля зрения микроскопа. Для этого измеряют ширину и длину устьичной щели не менее чему устьиц и устанавливают среднюю величину. Площадь устьичной щели вычисляют по формуле S = πab, где a и b – малая и большая полуоси эллипса, те. половина ширины и длины устьичной щели. По числу устьиц и средней площади устьичной щели рассчитывают общую площадь устьичных отверстий в поле зрения микроскопа. Измеряют диаметр поля зрения, вычисляют радиус и определяют площадь поля по формуле S=πr 2 . Рассчитывают площадь, занимаемую всеми устьичными отверстиями, в процентах общей поверхности листа. Методом отпечатков исследуют листья разных ярусов одного итого же растения, а затем делают вывод о влиянии ярусности на размеры испаряющей поверхности листа. Результаты опыта записывают в таблицу 13 по приведенной форме. |