30.14: Транспортування води та розчинених речовин у рослині - тиск, гравітація та матричний потенціал

Last updated
Save as PDF

Page ID: 5147

Boundless
Boundless

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Диференціювати тиск, гравітаційний та матричний потенціали в установках

Потенціал тиску

Потенціал тиску також називається тургорним потенціалом або тургорним тиском і представлений ψ _p. Потенціал тиску може бути позитивним або негативним; чим вище тиск, тим більша потенційна енергія в системі, і навпаки. Отже, позитивний ψ _p (стиснення) збільшує ψ _{сумарно}, тоді як негативний ψ _p (напруга) зменшується ψ _{сумарно}. Позитивний тиск всередині клітин міститься клітинною стінкою, виробляючи тургорний тиск у рослини. Тургор тиск гарантує, що рослина може підтримувати свою форму. Листя рослини в'януть, коли тиск тургору знижується, і відроджуються, коли рослину поливають. Потенціали тиску зазвичай становлять близько 0,6-0,8 МПа, але в добре политій рослині можуть досягати 1,5 МПа. Для порівняння, більшість автомобільних шин витримуються при тиску 30-34 фунтів на квадратний дюйм або близько 0,207-0,234 МПа. Вода втрачається з листя через транспірацію (наближається до ψ _p = 0 МПа в точці в'янення) і відновлюється шляхом поглинання через коріння.

зображення — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Тиск тургору: Коли (а) загальний потенціал води (Total) нижчий за межами клітин, ніж всередині, вода рухається з клітин, і рослина в'яне. Коли (b) загальний потенціал води вище поза рослинними клітинами, ніж всередині, вода рухається в клітини, що призводить до тургору тиску (P), зберігаючи рослину прямостоячою.

Установка може маніпулювати ψ _p через свою здатність маніпулювати ψ _s (потенціал розчиненої речовини) і шляхом процесу осмосу. Рослини повинні подолати негативні сили гравітаційного потенціалу (G) та матричного потенціалу (M) для підтримки потенціалу позитивного тиску. Якщо в рослинній клітині підвищується концентрація цитоплазматичної розчиненої речовини:

ψ _s буде знижуватися
_{загальна сума} зменшиться
Δ між клітиною і навколишньою тканиною зменшиться
вода буде рухатися в клітку за допомогою осмосу
ψ _р збільшиться.

Рослини також можуть регулювати ψ _р, відкриваючи і закриваючи продихи. Устьові отвори дозволяють воді випаровуватися з стулки, зменшуючи ψ _p і ψ _{сумарно}. Це збільшує потенціал води між водою в черешку (основа листа) і в листі, тим самим заохочуючи воду стікати з черешка в лист.

Потенціал тяжіння

Потенціал сили тяжіння (ψ _g) завжди негативний або нульовий у рослин без висоти. Без висоти в системі відсутня потенційна енергія. Сила тяжіння тягне воду вниз до грунту, що зменшує загальну кількість потенційної енергії у воді в рослині (ψ _{загальна}). Чим вище рослина, тим вище товща води, і тим впливовішим стає ψ _g. У клітинному масштабі і у коротких рослин цей ефект незначний і легко ігнорується. Однак на висоті високого дерева, як гігантський прибережний червоний ліс, рослина повинна подолати зайву 1 МПа опору через гравітаційну тягу —0,1 МПа м ^-1.

Матричний потенціал

Матричний потенціал (ψ _m) - це кількість води, пов'язаної з матрицею рослини водневими зв'язками і завжди негативна до нуля. У сухій системі він може становити від —2 МПа в сухому насінні або до нуля в насиченій водою системі. Кожна рослинна клітина має целюлозну клітинну стінку, яка є гідрофільною і забезпечує матрицю для адгезії води, звідси і назва матричного потенціалу. Прив'язка води до матриці завжди видаляє або споживає потенційну енергію з системи. _m схожий на потенціал розчинених речовин, оскільки водневі зв'язки видаляють енергію із загальної системи. Однак у потенціалі розчинених речовин інші компоненти є розчинними, гідрофільними молекулами розчинних речовин, тоді як у ψ _m інші компоненти є нерозчинними, гідрофільними молекулами клітинної стінки рослини. _m не може маніпулювати рослиною і зазвичай ігнорується в добре политих коренях, стеблах та листі.

Ключові моменти

Чим вище потенціал тиску (ψ _p), тим більше потенційної енергії в системі: позитивний ψ _p збільшує _{загальну}, тоді як негативний ψ _p зменшує _{загальну}.
Позитивний тиск всередині клітин міститься клітинною стінкою, виробляючи тургор тиск, який відповідає за підтримку структури листя; відсутність тургорного тиску викликає в'янення.
Рослини втрачають воду (і тиск тургору) через транспірацію через продихи в листі і поповнюють її за допомогою позитивного тиску в коренях.
Потенціал тиску контролюється потенціалом розчиненої речовини (коли потенціал розчиненої речовини зменшується, потенціал тиску збільшується) та відкриттям та закриттям продихів.
Потенціал сили тяжіння (ψ _g) видаляє потенційну енергію з системи, оскільки гравітація тягне воду вниз до ґрунту, зменшуючи _{загальну суму} ψ.
Матричний потенціал (ψ _m) видаляє енергію з системи, оскільки молекули води зв'язуються з целюлозною матрицею клітинних стінок рослини.

Ключові умови

тургор тиск: штовхає плазматичну мембрану до клітинної стінки рослини; викликаний осмотичним потоком води ззовні клітини у вакуоль клітини