Принципы регулирования физиологических процессов

ФГБОУ ВПО    ОМСКИЙ   ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  АГРАРНЫЙ    УНИВЕРСИТЕТ им. П.А. Столыпина

 

КАФЕДРА БОТАНИКИ И ФИЗИОЛОГИИ РАСТЕНИЙ

 

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ  РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ “ФИЗИОЛОГИЯ И БИОХИМИЯ РАСТЕНИЙ”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Выполнила: Шмидт Е. Ю., шифр:1321240

студентка 32  группы агрономического

факультета заочной  формы  обучения

                                   Проверила: Кротова Л. А.

 

 

 

ОМСК-2014

21. Принципы регулирования  физиологических процессов.

 

На протяжении всей жизни, т.е. онтогенеза, растение растет и развивается. Развитие - ход качественных последовательных изменений структуры, который проходит организм от возникновения из оплодотворенной яйцеклетки до естественной смерти. Общая схема развития каждого организма запрограммирована в его наследственной основе.

Растения резко различаются по продолжительности жизни. Известны растения, которые заканчивают свой онтогенез на протяжении 10-14 суток (эфемеры). Вместе с тем существуют растения, продолжительность жизни которых исчисляется тысячелетиями (секвойи). Независимо от продолжительности жизни все растения можно разделить на две группы: монокарпические, или плодоносящие один раз, и поликарпические, или плодоносящие многократно. К монокарпическим относят все однолетние растения, большинство двулетних, а также некоторые многолетние. Многолетние монокарпические растения (например, бамбук, агава) приступают к плодоношению после нескольких лет жизни и после однократного плодоношения отмирают. Большинство многолетних растений относят к поликарпическим.

Развитие каждого растительного организма проходит ряд этапов, которые характеризуются морфологическими и физиологическими признаками. Физиологические критерии этапов развития изучены слабо. При выделении этапов используют, главным образом, морфологические признаки. Для семенных растений можно выделить следующие этапы развития:

1) эмбриональный - от оплодотворения яйцеклетки до прорастания зародыша. Этот этап можно разделить на два периода: эмбриогенез - период, в котором эмбрионы находятся на материнском растении; покой - период от конца формирования семени и до его прорастания;

2) молодости (ювенильный) - от прорастания зародыша до закладки цветочных зачатков, характеризующийся усиленным ростом;

3) зрелости - от момента  закладки цветочных зачатков  до оплодотворения (появления новых  зародышей);

4) размножения - от оплодотворения  до полного созревания семян;

5) старости - от периода  созревания семян до отмирания.

Поликарпические растения этапы эмбриональный и молодости проходят один раз, однако часто эти этапы характеризуются большой продолжительностью (несколько лет). Этапы зрелости и размножения наступают один раз, но осуществляются многократно. Этап старости у поликарпических растений также может продолжаться несколько лет. На протяжении каждого из перечисленных этапов развития в растении возникают новые органы. Процесс формирования этих органов называют органогенезом. Этот процесс можно изучить путем микроскопических наблюдений за дифференциацией верхушечных меристем и изменениями в формирующихся органах. Для одно- и двулетних растений выделено 12 последовательных этапов органогенеза. При этом на I и II этапах происходит дифференциация вегетативных органов, на III и IV-дифференциация зачаточного соцветия, на V-VIII - формирование цветков, на IХ - оплодотворение и образование зиготы, на X- XII - рост и формирование семян.

Основой морфологических, структурных изменений является изменение физиолого-биохимических процессов. Именно поэтому, как правило, внутренние физиолого-биохимические изменения предшествуют морфологическим. Однако проявляется и обратная зависимость. Вновь появившиеся структуры, органы оказывают влияние на уровень и направленность процессов метаболизма. Таким образом, можно считать, что есть единый процесс физиолого-биохимических и морфологических изменений. При этом физиолого-биохимические изменения, определяющие наступление последующего этапа, происходят в структурах, образовавшихся на предыдущем этапе развития организма. Старение и смерть как этапы программы онтогенеза.

Старение - активный процесс развития, который зашифрован в генетической программе и регулируется специфическими сигналами или импульсами, возникающими под влиянием условий среды. Во время процессов старения экспрессия большинства генов затухает. Однако экспрессия некоторых генов наоборот возрастает. Активируются гены, которые кодируют белки-ферменты, вызывающие процессы распада (протеазы, нуклеазы, липазы, ферменты, разрушающие хлорофилл и др.). Развитие организма обусловлено его генетической программой и может изменяться под влиянием различных внешних условий. В онтогенезе клеткой, тканью, органом или организмом приобретается способность к реализации определенных наследственных свойств, т.е. процессы развития детерминированы. Выбор той или иной стратегии развития организма происходит с помощью фитогормонов. Они репрессируют одни гены и дерепрессируют другие. При этом вначале возникают различные наборы ферментов в разных клетках, т.е. происходит их биохимическая дифференцировка. Последняя является причиной образования физиологической и структурной дифференцировки клеток.

Реакция растений на соотношение длины дня и ночи называется фотопериодизмом. Рецептором в фотопериодической реакции является листовая пластинка, которая воспринимает длину дня и ночи с помощью пигмента фитохрома. Это вещество поглощает красный свет, переходит в активное состояние и вызывает образование гормонов в листе. В меристеме под действием притекающих в нее фитогормонов идут изменения, в результате которых начинается процесс закладки цветков.

Кроме заложения цветков, фотопериод оказывает влияние на процесс листопада. Растения, которые способны зацветать при продолжительности дня не менее 16-18 часов в сутки, относятся к длиннодневным. Из культурных видов длинно дневными растениями являются: пшеница, ячмень, овес, лен, горчица, свекла, шпинат, редис. Растения, которые способны зацветать при длине дня 8-12 часов в сутки, относят к короткодневным. К ним принадлежит ряд южных сельскохозяйственных культур: кукуруза, рис, просо, соя, хлопчатник, сорго, сахарный тростник. Если эти виды все время находятся в условиях более длинного дня, то способны только интенсивно расти, формируя вегетативные органы и накапливая биомассу. Таким растениям необходим не просто короткий день, а темный период суток определенной продолжительности

Процесс развития - переход от одного этапа в другой - обусловливается внутренними причинами, заложенными в генетической основе организма. В геноме каждого организма зашифрована общая программа развития, которая делится на ряд подпрограмм. Однако должны существовать особые переключатели, которые переводят развитие организма с одной подпрограммы на другую.

Иначе говоря, должны быть какие-то индукторы, регулирующие процесс экспрессии генов, т. е. вызывающие репрессию одних генов, вырабатывающих белки-ферменты для осуществления предыдущего этапа, и одновременно - дерепрессию других генов, ответственных за развертывание процессов метаболизма, необходимых для прохождения последующего этапа. Такими индукторами, по-видимому, являются гормоны. Таким образом, последовательность развертывания программы и сами подпрограммы строго детерминированы в наследственной основе. Однако продолжительность отдельных этапов, время наступления следующего этапа могут заметно варьироваться в зависимости от условий среды. Именно под влиянием определенного комплекса внешних условий возникает такое соотношение гормонов, которое вызывает дерепрессию определенных участков генома. Как следствие, образуются белки-ферменты, изменяется течение обмена веществ, происходят морфогенетические изменения, характерные для следующего этапа. Для развертывания программы и перехода к следующему этапу развития недостаточно наличия гормонов. Клетка должна быть восприимчива (компетентна) к гормональному воздействию.

Центральным моментом развития растительного организма является переход от вегетативного роста к репродуктивному развитию (у цветковых растений - к цветению). Условия среды могут влиять на реализацию генетической информации и тем самым ускорять или замедлять наступление определенных этапов развития, в первую очередь переход растения от этапа молодости к этапу зрелости. Согласно современным представлениям, в растительном организме существуют два типа регуляторных механизмов, которые влияют на переход растения от этапа молодости к зрелости, - автономный и индуцированный. Автономная регуляция - это возрастной контроль, не зависящий от условий внешней среды. Автономность надо понимать как возможность осуществления процессов цветения в любых внешних условиях. Индуцированная регуляция вызывается определенными внешними факторами. Автономная регуляция проявляется в том, что растение лишь в определенном возрасте переходит в цветочно-спелое состояние. Период, который требуется для того, чтобы достигнуть цветочно-спелого состояния, различается в зависимости от вида растений. Есть растения, у которых он почти отсутствует. Так, некоторые растения готовы при определенных условиях перейти к цветению уже на фазе семядольных листьев. Однако у большинства растений цветочно-спелое состояние наступает при наличии нескольких листьев. У многолетних растений оно обычно наступает через пять или более лет. Некоторые виды бамбука вступают в цветочно-спелое состояние лишь по прошествии 50 лет.

Однако для многих видов растений достижение цветочно-спелого состояния зависит не только от возраста, но и от внешних условий. Для индуцированной, зависящей от внешних воздействий регуляции особенное значение имеет воздействие двух факторов -- температуры и фотопериода. Зависимость перехода растений к цветению от температуры называют яровизацией; зависимость перехода растений к цветению от соотношения длины дня и ночи в течение суток - фотопериодизмом. Оба эти явления выработались в процессе эволюции как приспособления, обеспечивающие переход к цветению в наиболее благоприятное время. С помощью этих приспособлений растительный организм определяет время цветения.

Следовательно, развитие растений осуществляется по определенной генетической программе. Развертывание этой программы, в том числе старение и смерть организма, может в определенной мере контролироваться внешними условиями, через внутреннюю гормональную систему регуляции. Таким образом, развитие растений совершается при взаимодействии генетических потенций и факторов внешней среды.

 

 

37. Элементы минерального питания растений, их происхождение 
и классификация.

Минеральное питание имеет огромное значение для физиологии растения, поскольку для его нормального роста и развития просто необходимо достаточное снабжение минеральными элементами.

Растения способны поглощать из окружающей среды в больших или меньших количествах практически все элементы периодической системы. Для нормальной жизнедеятельности растительного организма необходима лишь определенная группа основных питательных элементов, функции которых в растении не могут быть заменены другими химическими элементами. В эту группу входят следующие 19 элементов: C, H, O, N, P, S, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn, Mo, B, Cl, (Na), (Si), (Co). Среди этих основных питательных элементов лишь 16 являются собственно минеральными, так как С, Н и О поступают в растения преимущественно в виде СО2, О2 и Н2О. Натрий поглощается в относительно высоких количествах некоторыми видами сем. маревых, в частности свеклой, а также видами, адаптированными к условиям засоления, и в этом случае является необходимым. Кремний, который в особенно больших количествах встречается в соломине злаковых, для риса является необходимым элементом. С, Н, О, N  называют органогенами. О минеральном составе растений обычно судят по анализу золы, остающейся после сжигания органического вещества растений. Содержание минеральных элементов (или их окислов) в растении выражают, как правило, в процентах по отношению к массе сухого вещества или в процентах к массе золы. Исходя из количественного содержания минеральных элементов в тканях растений их принято делить на макро- и микроэлементы. Макроэлементы — объединяет элементы, содержание которых выражается величинами от десятков процентов до сотых долей процента (101 — 10-2). Помимо органогенов (С, О, Н, N), в группу макроэлементов входят Si, К, Са, Mg, Na, Fe, P, S, Al. В группу микроэлементов — объединяет элементы, содержание которых колеблется составляет ниже тысячных долей процента 10-3. К этой группе относятся Мn, В, Сu, Zn, Ba, Ti, Li, I, Br, Ni, Mo, Co и др. Иногда элементы, содержание которых составляет миллионные доли (10-6) процента и меньше, выделят в группу ультрамикроэлементов. Например, Cs, Se, Cd, Hg, Ag, Au, Ra. 

Макроэлементы:

Фосфор интенсивно поглощается растениями в первые годы жизни. Если наступает фосфорное голодание, листья растений становятся зелено-желтыми или красно-фиолетовыми, задерживается процесс закладки цветочных почек и начало цветения растений, ухудшается и качество цветов. 
Азот необходим для нормального развития растений. При недостатке этого элемента листья становятся более тонкими, приобретают бледно-зеленые оттенки, возможно появление красноватых пятнышек. Обычно азот в плодородном слое почвы содержится в форме, которая растениям недоступна. Однако в результате микробиологических процессов азот из недоступных форм преобразуется в усвояемую растениями форму. В почве присутствуют некоторые микроорганизмы, которые усваивают азот из воздуха и делают его доступным для растений. Тем не менее, подкормка растений азотистыми удобрениями в большинстве случаев необходима, так как почвы этим элементом бедны. 
Магний — элемент, включающийся в состав хлорофилла растений. При недостатке этого элемента листья приобретают хрупкость, становятся «мраморными». Магний создает нейтральную реакцию почв, а также помогает устранить вредное действие избыточного количества извести.  
Калий требуется растениям для разнообразных физиологических процессов, протекающих в них. Этот элемент отвечает за развитие корневой системы. При калийном голодании больше всего страдают верхние листья растений. Они осветляются, по краям желтеют, а зелеными остаются только участки листа, окружающие сосуды. 
Кальций присутствует в почве в виде фосфатов, карбонатов и других солей. Наличие кальция в почве улучшает ее свойства. Однако для питания растений этот элемент идет в небольшом количестве. Кальций вносят в почву с целью нормализации ее кислотности.  
Сера — является одним из источников построения протеинов клеток. Она необходима для нормального роста и развития растения. При недостатке серы листья становятся светлыми, приостанавливается рост и развитие растения. В общем, картина очень похожа на признаки недостатка азота, с той лишь разницей, что пожелтение, происходящее постепенно, начинается с более молодых листьев. При этом пожелтевшие листья почти не опадают. При избытке серы листья постепенно желтеют с краев и скукоживаются, подворачиваясь внутрь. Затем буреют и отмирают. Иногда листья принимают не желтый, а сиреневато-бурый оттенок. Специальных серных удобрений в почву не вносят, так как сера содержится как в навозе, так и в суперфосфате, которые вносят в почву (в покупных почвенных смесях). 
 
микроэлементы: 
Железо поддерживает нормальное развитие хлорофилла и хлоропластов в растениях. Если в почве недостаточно железа, то листья приобретают мраморность, цвет их становится неровным, наступает хлороз и старение листьев, так как разрушается хлорофилл, содержащийся в них.  
Кобальт также увеличивает устойчивость хлорофилла в растениях.  
Цинк нормализует дыхание растений.  
Бор необходим для хлоропластов. Недостаточное количество этого элемента в почвах приводит к дегенерации хлоропластов растений.  
Молибден, присутствующий в почвах в микроскопических количествах отвечает за нормализацию функций пластид. 
Медь отвечает за окислительно-восстановительные реакции, протекающие в клетках растений.  
Марганец повышает у растений ассимиляцию углекислоты, т.е. играет большую роль в фотосинтезе и дыхании растений. В результате избытка марганца в клетках растений уменьшается содержание хлорофилла, поэтому при этом симптомы будут такие же, как и при недостатке магния, т.е. начинается мезжилковый хлороз, в первую очередь со старых листьев, появляются бурые некротичные пятна. Листья сморщиваются и облетают. 
Знаменитым ученым Ю. Либихом было установлено, что все перечисленные элементы равнозначны и полное исключение любого из них приводит растение к глубокому страданию и гибели, ни один из перечисленных элементов не может быть заменен другим, даже близким по химическим свойствам. Макроэлементы при концентрации 200-300 мг/л в питательном растворе еще не оказывают вредного действия на растение. Большинство микроэлементов при концентрации 0,1-0,5 мг/л (что является просто гигантской дозой для растения) угнетают рост растений.  
Растение для своего нормального развития должно получать все необходимые ему минеральные вещества в нужных концентрациях в растворенном виде. Если растение не получает нужного количества какого-то элемента, то проявляются признаки голодания. При добавлении этого элемента эти признаки устраняются. Если же растение получает какой-либо микроэлемент в избытке, то происходит отравление растения.