Практикум по физиологии растений учебнометодическое пособие Казань
 Скачать 1.47 Mb.
|
|
питания В этом процессе особо важную роль играют корневые волоски в зоне всасывания. Вот почему почвенное питание еще называют корневым питанием. Корневое питание обеспечивает поступление в растениеводы и минеральных солей. Благодаря корневым волоскам растение получает из почвы соли калия, кальция, фосфора, магния, соединения азота, серы и другие химические элементы. Минеральные вещества корневая система поглощает из почвы в виде растворов вместе с водой. Корневые волоски принимают непосредственное участие в их поглощении. При этом они работают как маленькие насосы. Вещества, поступившие в корневой волосок, перемещаются в другие клетки всасывающей зоны корня и затем поступают в клетки проводящей ткани – трахеиды и сосуды древесины. По ним они транспортируются в зону проведения корня и далее через стебель ко всем частям растения. Работа 33. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМА КОРНЕВОЙ СИСТЕМЫ, ОБЩЕЙ И РАБОЧЕЙ АДСОРБИРУЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ КОРНЕЙ Общие сведения. Способ определения общей и рабочей поверхности корней был предложен ДА. Сабининым и И. И. Колосовыми основан на представлении об адсорбционном характере начального этапа поглощения веществ корнями растений. Поступление минеральных веществ в клетки корней растений осуществляется в несколько этапов. Благодаря тому, что клетки корневой системы имеют свободное пространство (апопластическое), доступное для диффузии, и клеточные стенки представляют собой ионообменник, осуществляется адсорбция поступающих веществ на их поверхности. Погружение корней в какой-либо раствор приводит к диффузии растворенных веществ по свободному пространству периферических клеток и их адсорбции на поверхности клеток. Адсорбционное насыщение длится в течение нескольких минут и поглощаемое вещество распределяется мономолекулярным слоем на поверхности клетки. Адсорбируя определенное количество тех или иных ионов и освобождая их при изменении рН и величины фиксированного заряда, пектоцеллюлозные оболочки служат ионообменным резервом клетки, особенно при низкой концентрации питательных элементов в среде. При изучении процесса адсорбции в качестве адсорбируемого вещества возможно использование легкорастворимого вводе красителя, изменение концентрации которого определяют колориметрически. Входе выполнения данной работы будет применяться метиленовый синий. Известно, что 1 мг метиленового синего при полной адсорбции покрывает 1,1 м поверхности адсорбента. При погружении корней в раствор метиленового синего он через 1,5-2 мин появляется внутри первого слоя клеток. И. И. Колосов установил, что при двукратном полутора минутном погружении корневой системы в 0,0002 н. раствор метиленовый синий происходит адсорбционное насыщение как рабочей, таки общей поверхности корневой системы. Если допустить, что при этом поверхность корней равномерно покрывается мономолекулярным слоем адсорбируемого вещества, то можно определить размеры общей адсорбирующей поверхности по изменению концентрации метиленовой синей при первых двух полутора минутных погружениях. При погружении корневой системы в раствор красителя в третий раз, последний будет поглощаться только рабочей частью корневой системы, от которой адсорбированные вещества перемещаются внутрь корня. Опыт 1. Определение объема корневой системы Определение объема корневой системы, предварительно хорошо отмытой в проточной воде, осуществляют путем погружения ее в мерный цилиндр по количеству вытесненной воды. Метод определения объема корней, разработанный ДА. Сабининым и И. И. Колосовым, позволяет определять объем с ошибкой не более 5-7%. Объем корней определяют при помощи специального объемомера (рис. 13). Объем измерительного устройства, состоящего из стеклянного цилиндра 1, нижняя часть которого вытянута в трубку 2, соединенную каучуковой трубкой 3 с градуированной пипеткой 4 вместимость пипетки 1-2 мл, цена деления 0,01-0,02 мл. Чем меньше диаметр цилиндра, тем чувствительней прибор. Стеклянный цилиндр укрепляют в штативе вертикально, а градуированную пипетку – под небольшим углом к горизонтальной поверхности. В прибор наливают воду или раствор, в котором росли растения. При погружении корней в сосуд уровень воды в нем поднимается и переходит из положения АА' положение ВВ'. Водный мениск в пипетке также поднимается, но поскольку она наклонена к горизонтали, то водный мениск (А''В'') в ней передвинется на большее расстояние, чем вода в цилиндре. Изменение уровня воды в цилиндре 1 соответствует катету В' С треугольника А''В''С,а передвижение мениска в капилляре – его гипотенузе А''В''.Обозначив стороны треугольника буквами аса угол между сторонами аи греческой буквой а, получим откуда Следовательно, сдвиг мениска в пипетке равен изменению уровня воды в цилиндре, умноженному на 1/sin α. Отсюда, меняя положение пипетки, можно изменять чувствительность прибора. Она тем больше, чем меньше угол α к горизонтали у пипетки. Рис. Прибор для определения объема корней (объемомер), по ДА. Сабинину и И. И. Колосову: 1 – цилиндрический сосуд с оттянутым концом (2); 3 – каучуковая трубка 4 – градуированная пипетка 5 – пробка АА' – исходный уровень воды в цилиндре ВВ' – уровень воды в цилиндре после погружения корней А' – исходное положение мениска в пипетке, В' – положение мениска в пипетке после погружения корней. Материалы и оборудование Проростки растений. Объемомер ДА. Сабинина и И. И. Колосова, корковая пробка, бюретки, вата, суровые нитки. Порядок выполнения работы. Прибор с предварительно промытыми внутренними поверхностями свежеприготовленной хромовой смесью с водой укрепляют в штативе и наливают раствор, в котором росли растения, таким образом, чтобы уровень жидкости в цилиндре был на 2-3 см ниже верхнего края. Измерения объема корней проростков растений необходимо производить в питательном растворе, в котором они росли для устранения ошибки из-за разности в осмотическом давлении. Уровень жидкости в пипетке должен совпадать с началом градуированной части. Из прибора вытесняют пузырьки воздуха. Для определения объема корней растения связывают в пучки суровыми нитками так, чтобы корневые шейки былина одном уровне, и закрепляют в отверстии разрезанной пополам пробки. Работу необходимо выполнять быстро, чтобы корни не подсыхали. Перед погружением корней в цилиндр необходимо дать стечь раствору с корней. Отмечают положение мениска А' в пипетке объемомера и погружают корни в цилиндр. В результате погружения корней в объемомер уровень жидкости в цилиндре повысится, и мениск в пипетке сдвинется до положения В. В последующем удаляют корни из цилиндра и дают воде с них стечь в цилиндр. Если после стекания всей воды уровень ее в пипетке не достигнет вновь положения А, тоне меняя наклона пипетки, воду доливают в цилиндр, пока мениск в пипетке не займет положения А. Приливают в цилиндр воду из бюретки до тех пор, пока мениск в пипетке не займет вновь положения В. Прилитый объем воды равен объему измеряемых корней. Определение повторяют два-три раза и рассчитывают среднюю величину. Результаты опыта записывают в таблицу 20 по приведенной форме. 20. Определение объема корней и концентрации метиленовой синей Объем корней Повторности Среднее значение 1 2 3 4 Опыт 2. Определение общей и рабочей адсорбирующей поверхности корневой системы Материалы и оборудование. Проростки растений, 0,0002 н. раствор метиленовой сини, дистиллированная вода. Салфетка и фильтровальная бумага, бюретки с воронками, стаканы стеклянные, чистые сухие колбочки на 100 мл, пипетки градуированные на 2-5 мл, кристаллизаторы, карандаши по стеклу, ФЭК. Порядок выполнения работы. Корни проростков осторожно просушивают фильтровальной бумагой и последовательно погружают на 1,5 мин в три стакана с метиленовым синим, превышающим объем корней враз (стаканы пронумеровать. Переносить корни из стакана в стакан следует не протирая их и не ожидая полного стекания раствора краски. Осторожным поворачиванием корней в стаканах перемешивают раствор. Измеряют оптическую плотность растворов относительно контроля, предварительно разбавленных враз мл раствора мл воды, с помощью ФЭК при длине волны 630 нм. Проводят три-четыре повторности каждого измерения и вычисляют среднее арифметическое. Далее полученную оптическую плотность умножают на коэффициент 0,287. Зная объем и концентрацию красителя, вычисляют его содержание в стаканах – исходное и после пребывания в них корней. Общую адсорбирующую поверхность находят, умножив 1,1 м на количество мг красителя, поглощенного корнями из первых двух стаканов. Для того, чтобы определить рабочую поверхность корня, нужном умножить на количество мг красителя, поглощенного из третьего стакана. Результаты опыта записывают в таблицу 21 по приведенной форме. 21. Определение адсорбирующей поверхности корней № стакана Объем краски, мл Оптическая плотность растворов Концентрация растворов, мг мл Количество краски, в стаканах, мг Поглощено краски, мг исходная после погружения исходная после погружения исходная после погружения Сделать вывод о соотношении общей и рабочей поверхности. Работа 34. АНТАГОНИЗМ ИОНОВ Общие сведения. Важную роль в поступлении ионов в клетку играет факт взаимодействия их между собой. При несбалансированном соотношении элементов в питательном растворе некоторые ионы могут влиять на транспорт других ионов. Кроме антагонистического взаимодействия ионов на этапе поступления, данный тип взаимоотношений может проявляться и на различных стадиях метаболизма. Например, повышение концентрации Rb + во внешнем растворе снижает поступление K + и наоборот Cl - и В- также действуют как взаимные антагонисты. Наличие Na + , напротив, оказывает незначительное влияние на поглощение Rb + , но снижает поглощение По характеру взаимодействия ионов различают следующие эффекты 66 1. Явление, когда один ион уменьшает или устраняет действие другого, называют антагонизмом ионов. Например, отдельные соли могут оказывать пагубное действие на клетки растений, тогда каких смесь оказывается безвредной. Явление антагонизма открыто вначале ХХ в. на животных организмах (Си Zn 2+ ). Противодействие ионов можно объяснить влиянием их на проницаемость плазмалеммы, гидратацию белков цитоплазмы, а также конкуренцией за места связывания на поверхности плазматических мембран и клеточных стенок переносчиками и активными центрами ферментов. Например, увеличение концентрации одновалентных катионов в цитоплазме вызывает увеличение гидратации ее компонентов, в частности, полипептидных комплексов, в то время, как повышение концентрации двухвалентных катионов индуцирует обратный эффекта именно уменьшение оводненности составляющих ее структурных элементов. Иногда поглощение того или иного иона может предотвратить вредные влияния, обусловленные избыточным поглощением другого иона. Например, токсичное действие можно снять Mg 2+. , K + и другие одновалентные катионы имеют тенденцию уменьшать вязкость цитоплазмы и увеличивать текучесть и проницаемость мембран, тогда как двухвалентные катионы, например Са 2+ , оказывают противоположное влияние. Из-за таких антагонистических взаимодействий для корректировки дефицита отдельных минеральных веществ под растения обычно вносят смеси солевых растворов, а не отдельные соли. 2. Синергизм действия компонентов смеси состоит в том, что одна из солей усиливает действие другой, поэтому физиологический эффект солевой смеси превышает сумму эффектов компонентов смеси. Такие явления могут носить характер как отрицательного, таки положительного действия. Некоторые токсически действующие соли усиливают этот эффект в смеси с одной или несколькими солями. При положительных эффектах действие смеси солей оказывает благоприятное усиленное влияние нате, или иные физиологические процессы. 3. Аддитивностьдействия компонентов смеси наблюдается, если эффект равен сумме действия отдельных компонентов. Это имеет место в явлениях осмоса. Осмотическое давление солевой смеси равно сумме парциальных осмотических давлений солей, входящих в смесь. Опыт 1. Антагонизм ионов водорода и кальция Материалы и оборудование Веточка элодеи канадской (Elodea canadensis Michx.), НС 0,002 ММ М раствор сахарозы. Кристаллизаторы, микроскоп. Порядок выполнения работы. В три кристаллизатора наливают по 10 мл следующих растворов 1) НС 0,002 ММ) смесь, содержащую CaCl 2 0,001 Ми НС 0,002 Ми погружают в каждый из них по 67 8-10 листочков элодеи нач. По истечении указанного времени из каждого раствора вынимают листья и плазмолизируют их 1 М раствором сахарозы. Отсутствие плазмолиза является доказательством повреждаемости клеток. Степень повреждения определяют подсчетом количества интактных и поврежденных клеток в поле зрения микроскопа при большом увеличении (×40). Число поврежденных клеток выражают вот их общего числа. Результаты опыта записывают в таблицу 22 по приведенной форме. 22. Влияние ионов водорода и кальция на повреждаемость клеток Вариант опыта Общее число клеток, шт Число поврежденных клеток, шт HCl Сделать вывод о действии ионов водорода и кальция на клетки элодеи канадской. Опыт 2. Антагонизм ионов калия и кальция Материалы и оборудование Наклюнувшиеся зерна пшеницы, бидистиллированная вода, растворы КС1 0,1 ММ (оба раствора должны быть приготовлены из химически чистых солей на бидистиллированной воде. Фарфоровые чашки, чашки Петри, пипетки градуированные на 10 мл, ножницы, пинцеты, фильтровальная бумага, карандаши по стеклу, миллиметровая бумага. Порядок выполнения работы. В фарфоровую чашку поместить 30 одинаковых наклюнувшихся семян пшеницы, предварительно 3-4 раза промытых в бидистиллированной воде. В три чашки Петри вложить на дно вырезанную по размеру фильтровальную бумагу и разложить на ней пинцетом брать руками зерна нельзя) по 10 отобранных ранее семян. Пронумеровать чашки карандашом по стеклу. Налить в ю чашку 15 мл раствора КСl, вою мл раствора CaCl 2 , в ю – 3 мл раствора КС1 и 2 мл раствора Закрыть чашки крышками и оставить при комнатной температуре на 7-8 дней. Через каждые два дня проветривать чашки, открывая крышки на несколько секунд. Через неделю измерить длину надземной части и корешков (у каждого экземпляра определить размер самого длинного корня, вычислить средние величины. Результаты опыта записывают в таблицу 23 по приведенной форме. 68 23. Влияние ионов калия и кальция на длину корней Вариант опыта Длина, см надземной части Длина, см корней KCl CaCl 2 Сделать вывод о влиянии ионов калия и кальция на морфофизиологические показатели проростков. Работа 35. ОБНАРУЖЕНИЕ МАКРОЭЛЕМЕНТОВ В ЗОЛЕ РАСТЕНИЙ Общие сведения. Зола, получаемая при сжигании растений, содержит большое количество элементов, среди которых различают макроэлементы фосфор, сера, калий, кальций, магний) и микроэлементы (железо, медь, цинк, марганец, молибден, бор и ряд других. Для изучения химического состава золы можно использовать микрохимический метод, для которого требуется небольшое количество золы. Материалы и оборудование Зола, полученная при сжигании листьев, или табачный пепел, 10%-ный растворный растворный растворный растворный раствор молибдата аммония в ной HNO 3 , 1%-ный раствор желтой кровяной соли в капельнице, дистиллированная вода в стакане. Пробирки, воронки, бумажный фильтр, стеклянные палочки с заостренным концом, предметные и покровные стекла, фильтровальная бумага, микроскоп. Опыт 1. Микрохимический анализ золы Порядок выполнения работы. Насыпать в пробирку небольшое количество золы и залить ее примерно четырехкратным объемом ной НС. Отфильтровать полученный раствор вчистую пробирку через маленький фильтр. Провести на предметных стеклах реакции на Са, Mg и Р. Для этого тупым концом стеклянной палочки нанести на предметное стекло маленькую каплю вытяжки и на расстоянии 4-5 мм от нее – каплю соответствующего реактива. Затем заостренным концом стеклянной палочки соединить капли дугообразным каналом. Вместе соединения произойдет реакция, причем по краям канала будет наблюдаться быстрая кристаллизация продуктов реакции. Рассмотреть образующиеся кристаллы в микроскоп. Стеклянные палочки после нанесения каждого реактива необходимо вымыть и вытереть фильтровальной бумагой. Реактивом на ион кальция служит 1%-ная H 2 SO 4 . При этом хлорид кальция, содержащийся в вытяжке, реагирует с кислотой по уравнению СаС1 2 + H 2 SO 4 → CaSO 4 + 2HC1 Образующийся гипс осаждается в виде игольчатых кристаллов (рис. 14). Рис. 14. Кристаллы сульфата кальция Для обнаружения магния к капле испытуемого раствора следует сначала добавить каплю раствора аммиака, а затем соединить канальцем с реактивом, которым служит 1%-ный раствор фосфорнокислого натрия. Образуется фосфорноаммиачномагнезиальная соль (рис. 15), кристаллизующаяся в виде прямоугольников, крышечек, звезд или крыльев, в результате следующей реакции MgCl 2 + Na 2 HPO 4 + NH 3 → NH 4 MgPO 4 + 2NaCl Рис. 15. Кристаллы фосфорноаммиачномагнезиальной соли Для обнаружения фосфора соединить каплю вытяжки с 1%-ным раствором молибдата аммония в азотной кислоте. Получается зеленовато- желтый осадок фосфорномолибденовокислого аммония (рис. 16): H 3 PO 4 +12(NH 4 )2MoO 4 +21HNO 3 →(NH 4 )3PO 4 ∙12MoO 3 + 21NH 4 NO 3 +12H 2 O Рис. 16. Кристаллы фосфорномолибденовокислого аммония Железо можно обнаружить с помощью раствора желтой кровяной соли. В результате реакции образуется берлинская лазурь 70 4FeCl 3 + 3K 4 [Fe(CN) 6 ] → Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 +12KCl Реакцию на железо рекомендуется проводить в пробирке к остатку зольной вытяжки добавлять по каплям раствор желтой кровяной соли до появления синей окраски. Результаты работы оформить в виде рисунков кристаллов гипса, фосфорноаммиачномагнезиальной соли и фосфорномолибденовокислого аммония. Записать уравнения реакций. Опыт 2. Обнаружение нитратов в растениях Общие сведения. Соли азотной кислоты (нитраты, поглощаемые корнями из почвы, восстанавливаются в растении до аммиака через ряд этапов, каждый из которых катализирует особый фермент (нитратредуктаза, нитритредуктаза, гипонитритредуктаза и гидроксиламинредуктаза). Аммиак связывается кетокислотами (α-кетоглутаровой, щавелевоуксусной и пировиноградной, образуя в процессе восстановительного аминирования первичные аминокислоты – глутаминовую, аспарагиновую и аланин. Другие аминокислоты образуются путем трансаминирования или ферментативного превращения одних аминокислот в другие. Сказанное можно представить в виде схемы NO –3 → NO –2 → NO – → NH 2 OH → аминокислоты нитрат нитрит гипонит гидроксиламин При достаточном содержании растворимых углеводов и высокой активности соответствующих ферментов перечисленные биохимические процессы происходят в корнях. Однако часть нитратов (нередко весьма значительная) может пройти через паренхиму корня в неизменном виде. В этом случае нитраты попадают в сосуды ксилемы и поднимаются с восходящим током к листьям, где и происходит их восстановление. Для восстановления нитратов требуется АТФ, образующаяся в процессе окислительного или фотофосфорилирования. Определение содержания нитратов в соке, отжатом из стеблей или черешков, позволяет судить о восстановлении нитратов в корнях чем меньше обнаруживается ионов NO –3 в соке, тем полнее проходит этот процесс в клетках корня. Сопоставление содержания нитратов в черешках и листовых пластинках дает представление о нитратредуктазной активности клеток мезофилла. Для обнаружения нитратов можно использовать реакцию с дифениламином, который в присутствии иона NO –3 образует синюю анилиновую краску. По интенсивности посинения можно приблизительно судить о количестве нитратов в исследуемом объекте. Материалы и оборудование. Растения, выращенные на питательном растворе или в почве, 1%-ный раствор дифениламина в концентрированной серной кислоте в капельнице (хранить в темноте капельницу поставить на крышку чашки Петри, чтобы предотвратить попадание на стол капель этой едкой жидкости, вода. Ножницы, белая фарфоровая тарелка, стеклянные палочки, фильтровальная бумага. Порядок выполнения работы. Поместить на белую тарелку кусочки черешка и листовой пластинки какого-либо растения. Размять эти кусочки стеклянной палочкой (палочку каждый раз споласкивать чистой водой и вытирать) и облить раствором дифениламина в крепкой серной кислоте. Исследовать 2-3 растения разных видов. Желательно также проанализировать растения одного вида, произраставшие в разных условиях (на солнце ив тени, дои после подкормки минеральными удобрениями и т. п. Результаты наблюдений записывают в таблицу 24 по приведенной форме, оценивая интенсивность окраски по пятибалльной шкале. |