Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

30.15: Транспорт води та розчинених речовин у рослині - рух води та мінералів у ксилемі

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    5190

    • 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
    • Окреслення руху води та мінералів у ксилемі

    Рух води та мінералів у ксилемі

    Більшість рослин отримують необхідну їм воду та мінерали через коріння. Шляхом є: грунт -> коріння -> стебла -> листя. Мінерали (наприклад, K +, Ca2+) подорожують розчиненими у воді (часто супроводжуються різними органічними молекулами, що постачаються кореневими клітинами). Вода і мінерали потрапляють в корінь окремими шляхами, які з часом сходяться в стелі, або центральному судинному пучку в коренях.

    Транспірація - це втрата води з рослини через випаровування на поверхні листя. Він є основним драйвером руху води в ксилемі. Транспірація викликана випаровуванням води на межі листа або атмосфери; це створює негативний тиск (натяг), еквівалентний —2 МПа на поверхні листа. Однак це значення сильно варіюється в залежності від дефіциту тиску пари, який може бути незначним при високій відносній вологості (RH) і значним при низькій відносній вологості. Вода з коренів підтягується цим натягом. Вночі, коли продихи закриваються і транспірація припиняється, вода утримується в стеблі і листі за рахунок зчеплення молекул води один з одним, а також адгезії води до клітинних стінок судин ксилеми і трахеїд. Це називається теорією зчеплення—напруженості сходження соку.

    Теорія зчеплення-натягу пояснює, як вода рухається вгору через ксилему. Усередині листа на клітинному рівні вода на поверхні клітин мезофілів насичує целюлозними мікрофібрилами первинної клітинної стінки. Лист містить багато великих міжклітинних повітряних просторів для обміну кисню на вуглекислий газ, який необхідний для фотосинтезу. Волога клітинна стінка піддається впливу внутрішнього повітряного простору і вода на поверхні клітин випаровується в повітряні простори. При цьому зменшується тонка плівка на поверхні клітин мезофілу. Зниження створює більшу напругу води в клітині мезофілів, тим самим збільшуючи тягу на воду в судинами ксилеми. Судини ксилеми і трахеїди структурно пристосовані для того, щоб справлятися з великими перепадами тиску. Невеликі перфорації між елементами посудини зменшують кількість та розмір бульбашок газу, які утворюються за допомогою процесу, званого кавітацією. Освіта бульбашок газу в ксилемі згубно, оскільки вона перериває безперервний потік води від основи до верхівки рослини, викликаючи розрив (емболію) в потоці соку ксилеми. Чим вище дерево, тим більші сили натягу, необхідні для витягування води в безперервному стовпі, збільшуючи кількість кавітаційних подій. У великих дерев отримані емболії можуть закупорити судини ксилеми, роблячи їх нефункціональними.

    зображення
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Теорія згуртованості - напруженості підйому сока: Показана теорія зчеплення—натягу сходження соку. Випаровування з клітин мезофілу виробляє негативний градієнт водного потенціалу, який змушує воду рухатися вгору від коренів через ксилему.

    Контроль транспірації

    Транспірація - це пасивний процес: метаболічна енергія у вигляді АТФ не потрібна для руху води. Транспірація, що рухає енергією, - це різниця в енергії між водою в грунті та водою в атмосфері. Однак транспірація жорстко контролюється. Атмосфера, якій піддається лист, призводить до транспірації, але це також спричиняє масові втрати води з рослини. До 90 відсотків води, яку споживають коріння, можуть втрачатися через транспірацію.

    Листя покриті воскової кутикулою на зовнішній поверхні, що запобігає втраті води. Регуляція транспірації, таким чином, досягається в першу чергу за рахунок відкриття і закриття продихів на поверхні листа. Продихи оточені двома спеціалізованими клітинами, які називаються захисними клітинами, які відкриваються та закриваються у відповідь на екологічні сигнали, такі як інтенсивність та якість світла, стан листової води та концентрації вуглекислого газу. Продихи повинні відкриватися, щоб повітря, що містить вуглекислий газ і кисень, дифундувало в лист для фотосинтезу та дихання. Однак, коли продихи відкриті, водяна пара втрачається у зовнішнє середовище, збільшуючи швидкість транспірації. Тому рослини повинні підтримувати баланс між ефективним фотосинтезом і втратою води.

    Рослини еволюціонували з часом, щоб адаптуватися до місцевого середовища та зменшити транспірацію. Пустельні рослини (ксерофіти) і рослини, що ростуть на інших рослинях (епіфітах), мають обмежений доступ до води. Такі рослини зазвичай мають набагато більш густу воскову кутикулу, ніж ті, що ростуть в більш помірних, добре политих середовищах (мезофіти). Водні рослини (гідрофіти) також мають свій набір анатомічних і морфологічних адаптацій листя.

    зображення
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Зниження транспірації: Рослини підходять до місцевого середовища. (а) Ксерофіти, як цей кактус колючої груші (Opuntia sp.) та (b) епіфіти, такі як цей тропічний Aeschynanthus perrottetii, пристосувалися до дуже обмежених водних ресурсів. Листя опунції модифіковані в колючки, що знижує співвідношення поверхні до обсягу і зменшує втрати води. Фотосинтез відбувається в стеблі, який також зберігає воду. (б) Листя A. perrottetii мають воскову кутикулу, яка запобігає втраті води. (в) Золотарник (Solidago sp.) - мезофіт, добре підходить для помірних середовищ. (d) Гідрофіти, як ця ароматна латаття (Nymphaea odorata), пристосовані для процвітання у водному середовищі.

    Ксерофіти і епіфіти часто мають товстий покрив трихоми або продихів, які затонули під поверхнею листа. Трихоми - це спеціалізовані волосоподібні клітини епідермісу, які виділяють масла та інші речовини. Ці пристосування перешкоджають потоку повітря через устьову пору та зменшують транспірацію. Кілька епідермальних шарів також часто зустрічаються у цих типів рослин.

    Ключові моменти

    • Теорія сходження соку пояснює, як вода підтягується від коренів до верхівки рослини.
    • Випаровування з клітин мезофілу в листі виробляє негативний градієнт водного потенціалу, який змушує воду та мінерали рухатися вгору від коренів через ксилему.
    • Бульбашки газу в ксилемі можуть переривати потік води в рослині, тому їх необхідно зменшувати через невеликі перфорації між елементами посудини.
    • Транспірація контролюється відкриттям і закриттям продихів у відповідь на екологічні сигнали.
    • Продихи повинні відкриватися для фотосинтезу і дихання, але коли продихи відкриті, водяна пара втрачається в зовнішнє середовище, збільшуючи швидкість транспірації.
    • Пустельні рослини та рослини з обмеженим доступом до води запобігають транспірації та надлишковій втраті води, використовуючи більш товсту кутикулу, трихоми або кілька епідермальних шарів.

    Ключові умови

    • Теорія когезії-натягу сходження соку: пояснює процес потоку води вгору (проти сили тяжіння) через ксилему рослин
    • кавітація: утворення в рідині бульбашок пари, які можуть перервати потік води через рослину
    • трихома: волосяне або лусоподібне розширення епідермісу рослини