Лабораторные работы по физиологии растений

Работа 2. Определение дыхательного коэффициента.

Задание. На примере масличных семян познакомиться с методом определения дыхательного коэффициента.

Материалы и методы. Прибор для определения ДК, состоящий из пробирки (18-20см), закрытой резиновой пробкой со вставленной микропипеткой, или стеклянной трубочкой 35-40 см, наклюнувшихся семян подсолнечника, полоски фильтровальной, бумаги (1x5см), смоченной 20 %

раствором NаОН, пинцет, линейка. Принцип метода. Дыхательным коэффициентом называется отношение объемов выделенной, при дыхании углекислоты к поглощенному кислороду:

ДК=

Величина дыхательного коэффициента зависит от окисляемого материала и типа дыхания (аэробное или анаэробное). Если материал беден кислородом

(жиры, белки), то дыхательный коэффициент меньше единицы. При дыхании за счет, окисленных соединений (органических кислот) ДК больше единицы, при дыхании за cчет углеводов ДК будет равен 1. Например,

C6H1206 +6O2=6СО2+6H2О

Для определения величины ДК исследуемый материал помещают пробирку, соединенную с градуированной трубкой, в которую введена капля воды или масла. Если объемы обмениваемых при дыхании газов равны, то капля в трубке передвигаться не будет. Если же величина ДК меньше или больше единицы, то будет наблюдаться перемещение жидкости в трубке,

соответствующее разности между объемами поглощенного О2 и выделенного СО2.

Затем с тем же материалом проводят второй опыт, введя в пробирку крепкий раствор щелочи для поглощения, выделяемого при дыхании СО2.

Наблюдающееся при этом передвижение капли в трубке соответствует объему поглощенного материалом кислорода.

Ход работы. Поместить пробирку (примерно до половины) проросшие семена подсолнечника или другой масличной культуры, закрыть ее пробкой, в

51

которую вставлена градуированная трубка. Ввести в трубку каплю воды или любого жидкого масла (для этого погрузить наружный конец трубки на несколько секунд в воду или масло и подвигать пробкой). Когда капля оторвется от края трубки, отметить положение внутреннего мениска капли, засечь время по часам и после пятиминутной экспозиции сделать второй отсчет, а еще через 5

минут - третий. Вычислить среднее расстояние, пройденное, каплей за 5 минут

(А), которое соответствует разности между объемами поглощенного кислорода и выделенной углекислоты.

Вынуть пробку из пробирки с семенами, проветрить пробирку и вложить пинцетом в верхнюю часть пробирки кусочек фильтровальной бумаги смоченной крепким раствором щелочи. Закрыть пробирку и вновь ввести в

трубку каплю. Отметить положение мениска капли, определить передвижение

капли за два пятиминутных интервала и вычислить среднюю величину (B).

Обозначить объем выделенной углекислоты СО2, а объем поглощенного кислорода через О2. Зная величину А и В, находим, дыхательный коэффициент:

По полученной величине ДК сделайте вывод о типе окисляемого, в

процессе дыхания материала.

52

Лабораторное занятие 9.

Физиологическая роль корня в поглощении веществ

Одной из важнейших характеристик состояния корневой системы является ее масса и поглощающая поверхность. Поэтому бывает необходимым определить, как общую, так и рабочую поверхность корня.

Изменения в корневой архитектуре, индукция транспортных систем на основе корней и ассоциации с полезными почвенными микроорганизмами позволяют растениям поддерживать оптимальное содержание питательных веществ в условиях меняющейся почвенной среды.

На этой планете около 118 различных элементов (80 элементов имеют по крайней мере один стабильный изотоп и 38 из них радиоактивны). Среди указанных элементов Fe+(2+) встречается как наиболее распространенный элемент на этой планете. Водород и N2 являются наиболее распространенными элементами в атмосфере. Такие элементы, которые абсолютно необходимы для нормального роста и развития растительного организма, называются эссенциальными питательными веществами, из которых четырнадцать или пятнадцать абсолютно необходимы для жизненных процессов, без которых растения проявляют симптомы болезни и в конечном итоге погибают. Среди них восемь элементов требуются в достаточном количестве, остальные – в малых количествах; первые называются макроэлементами, а вторые - микроэлементами или истинными элементами. Макроэлементами являются углерод, водород,

азот, фосфор, калий, кальций, сера, магний и железо. Микроэлементами являются марганец, цинк, бор, медь, молибден и кобальт. Заменимыми элементами являются натрий, алюминий, кремний, хлор, галлий и другие.

Исследователи, изучавшие проростки кукурузы , обнаружили, что кальций лучше всего усваивается в верхушечной части корня, а калий – в основании корня. Вдоль других сегментов корня поглощение было сходным. Поглощенный калий транспортируется к кончику корня и в меньшей степени к другим частям корня, затем также к побегу и зерну. Транспорт кальция из верхушечного

53

сегмента медленнее, в основном транспортируется вверх и накапливается в стебле и побеге.

Исследователи обнаружили, что частичный дефицит K или P не изменил

состав жирных кислот фосфатидилхолина в растениях Brassica napus L

. Дефицит кальция, с другой стороны, привел к заметному снижению содержания полиненасыщенных соединений, которые оказывают негативное влияние на целостность растительной мембраны , что может повлиять на некоторые свойства, такие как ее проницаемость, и необходимо для активности поглощения ионов растениями. корневые оболочки.

В основе метода Н.Н. Колосова и Д.А. Сабинина лежат современные представления о механизме поглощения веществ корнем. Первым этапом поглощения элементов минерального питания по Д.А. Сабинину является полярная адсорбция ионов на поверхности корневой системы. Она сопровождается эквивалентным обменом их на другие ионы, главным образом

H+ и HCO3-

При допущении того, что адсорбированные ионы располагаются на поверхности корня в один слой, можно определить величину площади, которой они связаны. Для этого нужно знать количество адсорбированного вещества и площадь, которую занимает 1 мг данного вещества при распределении его мономолекулярным слоем.

В качестве легко адсорбируемого вещества берется краситель метиленовая синяя.

Количество поглощенной корнем метиленовой синей можно определить по изменению ее концентрации в опытном растворе: 1 мг метиленовой синей,

располагаясь мономолекулярным слоем, занимает площадь 1,1 м2. По количеству метиленовой синей, поглощенной в строго определенное время (3

мин) определяется общая адсорбирующая поверхность корня. Количество ионов красителя, адсорбируемых корнем после десорбционного насыщения клеток,

характеризует рабочую деятельность или активную адсорбирующую поверхность корня. Разность между общей и рабочей адсорбирующей

54

поверхностями определяет недеятельную поверхность. Отношение рабочей адсорбирующей поверхности к кубическому сантиметру объема живого корня называется удельной адсорбирующей поверхность.

Работа 1. Определение общей рабочей и удельной поверхности корней растений по Н.Н. Колосову и Д.А. Сабинину.

Задание. Опытным путем у разновозрастных растений определить общую рабочую поверхность и установить удельный коэффициент их активности.

Материалы и оборудование. Растения с неповрежденной корневой системой, раствор 0,0002 метиленовой синей, градуированная пипетка на 10 мл,

четыре мерные колбы на 50 мл, фотоэлектроколориметр, ножницы, шпагат,

фильтровальная бумага.

Ход работы. а) В три стакана объемом по 100 мл налить по 50 мл исходного раствора метиленовой синей (в10 раз больше объема корней). Взять

10 проростков растений, тщательно промыть корни водой, осторожно обсушить фильтровальной бумагой и погрузить последовательно в каждый стакан с метиленовой синей на 90с.

Растворы необходимо перемешивать, осторожно поворачивая корни.

После этого определить концентрацию метиленовой синей во всех трех стаканах, предварительно разбавив ее в 5 раз.

б) Построение калибровочной кривой. Приготовить из исходного раствора метиленовой синей (64 мг\л) серию растворов с убывающей концентрацией в мерных колбочках на 50 мл по расчетным данным табл.8.

Таблица 8

Приготовление шкалы различны концентраций метиленовой синей для калибровочной кривой

55

Полученные результаты оптической плотности (при красном сфетофильтре) для каждой концентрации переносят на ось ординат графика. По оси абсцисс откладываются показатели концентраций шкалы метиленовой синей.

В местах пересечения прямых взаимно перпендикулярных линий от ординаты (показателя ФЭКа) и от абсциссы (соответствующих концентраций МС) ставят точки. Для получения калибровочной кривой точки на графике соединяются отрезками прямых линий.

Определение процентного содержания красителя на ФЭК.

Для каждого из трех стаканчиков раствора после погружения растений найти величину оптической плотности на ФЭКе. Компенсирующей жидкостью

(контролем) в этих определениях служит растворитель (вода). Измерения оптической плотности проводят при красном светофильтре в кюветах толщиной

5 мм.

Измерения следует повторить несколько раз, подводя стрелку гальванометра к нулю то слева, то справа. Из полученных отсчетов вычисляют среднеарифметическое значение оптической плотности.

Определив на приборе оптическую плотность исследуемого раствора,

находят по калибровочной кривой соответствующую концентрацию. Для этого из отмеченной на оси ординат экспериментально полученной точки проводят прямую линию, параллельную оси абсцисс, до ее пересечения с калибровочной кривой. Из точки пересечения опускают перпендикуляр на абсциссу. Точка пересечения перпендикуляра с абсциссой характеризует концентрацию исследуемого раствора.

в) Расчеты различных поверхностей корневой системы Д.А. Сабининым и И.И. Колосовым эмпирически было установлено, что при поглощении корнями метиленовой синей из первого и второго стаканов суммарно за три минуты

56

происходит адсорбционное насыщение их общей поглощающей поверхности. За последующие 1,5 минут из третьего стакана метиленовая синяя поглощается только рабочей адсорбирующей поверхностью корней.

Зная исходную и конечную концентрации метиленовой синей,

поглощенное корневой системой растения из каждого стакана, по

Х = = ( − ) 1000 n

где

Х – количество метиленовой синей, поглощенное корневой системой одного растения, мг;

а – концентрация исходного раствора метиловой синей, разбавленного в 5

раз – 12,8мг/л.

в – концентрация метиленовой синей в стакане после погружения растений, найденная с помощью калибровочной кривой, мгл;

V – разбавление в 5 раз;

W – количество раствора метиленовой синей, взятое для опыта, в мл;

1000 – для перевода концентрации метиленовой синей, мг/мл.

Общую и рабочую адсорбирующую поверхность корней рассчитывают по формулам:

Sобщ.м2 = (х1+х2)*1,1 м2 (1)

S раб.м2= х3 *1,1 м2 (2)

где

х1, х2, х3 – количество метиленовой синей, поглощенной из первого второго, и третьего стаканов.

Разница между величиной общей и рабочей поверхности корней производится по отношению адсорбирующей рабочей поверхности корней одного растения к их объему по формуле:

57

где

Q – удельная адсорбирующая поверхность,

S – адсорбирующая поверхность,

V – объем корней, см3.

Таблица 9

Данные характеристики физиологической активности поверхности корней

58

Лабораторное занятие 10.

Физиологическое взаимодействие растений с удобрениями

Любое вещество, которое способствует росту растений и плодородию посадочной грядки, называется удобрением. Удобрения делятся на несколько общих категорий, включая биологические, органические и химические удобрения. Биологические удобрения (биоудобрения) упоминаются как удобряющие агенты, которые содержат множество одного или нескольких

наиболее полезных почвенных организмов, находящихся в среде

хранения. Кроме того, биологические удобрения относятся к живым микроорганизмам, которые можно использовать в различных формах, таких как прививка семян, внекорневая подкормка и обработка почвы, которые в конечном итоге стимулируют рост растений за счет увеличения доступности питательных

веществ. Органические удобрения – это еще один тип отходов

жизнедеятельности растений и животных, и их внесение в почву способствует сохранению почвы и усвоению питательных веществ. Химические удобрения определяются как неорганический материал синтетического происхождения,

содержащий большое количество питательных веществ, необходимых для роста и развития растений. Существуют также многочисленные растительные биостимуляторы, такие как продукты, содержащие гидролизованные белки и аминокислоты, гуминовые вещества, микроорганизмы (бактерии,

микроводоросли, дрожжи, нитчатые грибы) и экстракты морских водорослей,

которые повышают эффективность использования питательных веществ, а также устойчивость растений к биотическому и абиотическому стрессу.

Биотические и абиотические стрессы обычно вызывают изменения в производительности растений. В краткосрочной перспективе основные реакции происходят на физиологическом уровне (например, газообмен, поглощение воды, движение устьиц, гормональный гомеостаз и т. д.), в то время как в долгосрочной перспективе стрессы могут вызывать изменения в развитии растений (время цветения, старение и т. д.). Биотический стресс вызывается

59

живыми организмами, такими как бактерии, грибы, паразиты, вирусы,

насекомые и сорняки. Основные абиотические стрессы включают неблагоприятные условия окружающей среды, такие как высокая соленость,

засуха, экстремальные температуры, заболачивание, ветер, высокая интенсивность света, ультрафиолетовое излучение, тяжелые металлы, дефицит или токсичность минералов. В последние годы количество сообщений о том, что удобрения смягчают влияние стрессов на рост и развитие растений, постоянно растет.

В состав растения водят почти все известные элементы, однако многие из ни не относятся к необходимым и незаменимым. К необходимым для высших зеленых растений элементам (кроме углерода, водорода и азота) относятся макроэлементы – азот, фосфор, сера, калий, магний; микроэлементы – железо,

марганец, медь, цинк, бор, молибден, кобальт.

Макро и микроэлементы растения поглощают с помощью корней из почвенного раствора в виде соответствующих ионов, а другие в виде анионов.

Удобрения добавляются в почву, чтобы обеспечить правильное питание растения и полностью использовать его генетический потенциал. Использование удобрений повышает эффективность сельскохозяйственной и садоводческой продукции. Операции по удобрению включают поставку питательных веществ растению для удовлетворения его потребностей в питании.

Таким образом, развиваются желаемые морфологические и физиологические особенности для получения высоких урожаев. Внесение удобрений регулирует надежность и количество урожая. Если не вносить удобрения, почва обедняется минералами. У карликовой пшеницы высокая продуктивность зависит от удобрения. С применением удобрений освоено и обработано несколько гектаров залежных земель.

Регулируя поступление минералов за счет удобрений, можно изменить качество продукции. Таким образом, содержание масла в арахисе, белка в пшенице, содержание сахара в сахарной свекле и белка и минеральных веществ в кормах регулируются путем внесения удобрений.

60