Лабораторные работы по физиологии растений

Высокая урожайность с единицы площади также приводит к снижению себестоимости продукции. Этот аспект также заботится о поддержании окружающей среды, позволяя поддерживать защитный и регулирующий растительный покров. Фактически, без использования надлежащих и адекватных удобрений невозможно гарантировать достаточное производство продуктов питания.

Внесение удобрений, либо непосредственно на растение, либо в почву,

является наиболее прямым агротехническим вмешательством, когда дефицит питательных веществ угрожает снизить урожайность или качество урожая. Климатические воздействия, взаимодействие питательных веществ и физические и химические процессы в почве усложняют проблему наличия и усвоения питательных веществ, превращая внесение удобрений в непрямую стратегию увеличения потоков питательных веществ внутри растения.

Работа 1. Определение физиологической кислотности и щелочности солей.

Задание. Система «растение – соль – среда» определяет потребность и поглощение растительным организмом элементов питания на каждом этапе его развития. Характеризуя ту или иную соль в выводах необходимо обосновать поглощение элементов питания соответствующим растением на конкретной фазе роста.

Материалы и оборудование: Проростки растений с хорошо развитой корневой системой (кукуруза, пшеница, горох и другие), выбор солей неорганических веществ, входящих в питательную смесь, стаканы химические,

прибор рН-метр, весы, фильтровальная бумага.

Принцип метода. Метод основан на учете изменения рН водного или почвенного раствора за счет непоглощенных растением ионов солей.

Ход работы. Приготавливаются по 100 мл растворов каждой соли 0,5 %

концентрации. Растворы переносятся в химические стаканы.

В отдельный стакан наливается 100 мл дистиллированной воды (контроль).

61

Перед посадкой растений определяется величина рН каждого раствора, в

том числе и воды.

В каждый стакан высаживается по 20-25 растений в фазе 2-3 настоящих листьев.

Корни растений перед посадкой тщательно отмывают и просушивают фильтровальной бумагой.

Через 1-2 часа экспозиции производится повторное определение рН растворов и воды.

Обработка результатов опыта.

Установленные значения рН солевых растворов и воды до и после опыта заносятся в таб. 10, по которой определяется физиологическая характеристика каждой соли.

Таблица 10

Физиологическая характеристика солей по смещению рН питательного раствора

1.После заполнения 2 и 3 колонок таблицы определяется поправка по смещению рН в стакане с водой. Полученная прямым расчетом разность характеризует изменение рН за счет корневых выделений растением. Это должно учитываться при определении истинной величины сдвига рН в каждом растворе соответствующей соли.

2.Истинная величина рН солового раствора (х) рассчитывается по формуле:

Х= (Н2 – Н1)- (±P),

62

где

Н1 – исходная величина рН раствора соли Н2 – величина рН раствора соли после опыта

±P – величина поправки, определенная по смещению рН в стакане с водой

ссоответствующим знаком.

3.Смещение рН позволяет определить качественное изменение ионного состава в солевом растворе и заполнить 5 и 6 колонки таблицы.

4.Физиологическая характеристика соли определяется по остаточному ионному составу в солевом растворе.

Так, если соли NaNO3 и NH4Cl химически нейтральные, то с физиологической стороны первая щелочная, а вторая – физически кислая.

Дело в том, что в процессе питания растения в большем количестве поглощают из раствора NаNO3 анион NO3-, а катион Nа+, накапливаясь в растворе, подщелачивают его. Из раствора

NH4Cl растения выбирают катион NH4+, а анион Cl-, оставаясь в растворе,

подкисляя его.

Работа 2. Составление физиологически нейтральной питательной смеси.

Задание. Характеристика физиологического отношения растений к минеральным питательным веществам имеют большое практическое значение при составлении схемы удобрения сельскохозяйственных культур.

Применение отдельных солей с учетом их характеристик и кислотности почвы обеспечивает высокий коэффициент использования удобрений и повышение продуктивности растений.

На основе контрольного индивидуального задания (культура, фаза роста,

рН и обеспеченность почвы элементами питания) составить необходимые элементы по Кноппу.

Домашнее задание. Получив индивидуальное задание на предыдущем занятии, студент должен подобрать необходимые данные по литературным

63

источникам, характеризующие потребность растений в элементах питания на определенной фазе развития.

Зная условия произрастания и физиологическую характеристику солей,

составить питательную смесь, отвечающую нормальному произрастанию конкретной культуры.

64

Лабораторное занятие 11.

Устойчивость растений к неблагоприятным условиям внешней среды

Устойчивость растений к неблагоприятным условиям внешней среды в агрономическом аспекте характеризуется тем, насколько изменяется продуктивность растений под влиянием этих условий по сравнению с продуктивностью их на оптимальном фоне. Оценка устойчивости растений к экстремальным факторам (холоду, морозу, засухе, жаре, засоленности) важна для селекционной и агрономической практики.

Резистентность определяется как способность организмов противостоять изменению обмена веществ под действием неблагоприятных факторов внешней среды, выживать и обеспечивать нормальное течение физиологических процессов. Чаще всего это полигенный признак. Растения могут выживать в неблагоприятных условиях внешней среды: используя специальные адаптивные структуры; за счет физиологических свойств, определяющих устойчивость к неблагоприятным условиям; благодаря различным физиологическим механизмам, участвующим в предотвращении неблагоприятного эффекта. Губительное и даже летальное воздействие на растения в природных условиях могут оказывать многочисленные негативные явления, например удушение под снегом или водой, выкорчевывание, весенние заморозки, низкие температуры, засуха и др. По холодоустойчивости различают холодостойкие растения (выдерживают низкие положительные температуры) и

морозоустойчивые растения (выдерживают температуру ниже 0 °С). Основное воздействие низких температур на растения заключается в нарушении водного баланса за счет изменения жидкостного состояния биологических мембран,

образования межклеточных и внутриклеточных кристаллов льда, которые могут вызывать обезвоживание и механические повреждения. Приспосабливаясь к ним, растения часто увеличивают клеточную концентрацию растворенных веществ, что приводит к большему количеству воды, хранящейся в слоях гидратации молекул, и к более низкой температуре замерзания. Устойчивость

65

культур к холоду можно повысить закалкой семян низкими

температурами. Периоды длительной засухи приводят к увяданию растений,

влияя на водный режим. Потеря воды приводит к изменению метаболических процессов на различных уровнях: усиливается гидролиз белков,

дестабилизируются процессы биосинтеза и фосфорилирования

углеводов; останавливается фотосинтез, блокируются ферменты, что приводит к нарушению протекающих морфогенетических процессов. Для противодействия засухе растения увеличивают интенсивность дыхания, что приводит к синтезу большего количества эндогенной воды и обеспечивает запас энергии в условиях затрудненного фотосинтеза. Засоление может определяться наличием: сульфата

(Na2SO4), хлорида (NaCl), карбоната (Na2CO3) или их сочетания. В зависимости от устойчивости к засолению растения могут быть как гликофитами, так и галофитами. Последнюю группу можно дополнительно разделить в зависимости от того, поглощают ли они соли через свои корни и накапливают они их или нет в клеточном соке. Кроме факторов стресса, естественно встречающихся в окружающей среде, ряд загрязнителей, таких как токсичные газы, радиация,

тяжелые металлы, пыль и т. д., также могут оказывать разрушительное воздействие на растительный организм. Растения стараются предотвратить попадание ядовитых газов в листья или интегрировать их в обмен веществ,

иммобилизовать ионы тяжелых металлов в клеточной стенке, снижая их токсическое действие.

Засуха – одна из главных проблем современного сельского хозяйства. Это важнейший фактор, определяющий как потенциальную максимальную продуктивность сельскохозяйственных культур, так и эффективность средств защиты растений. Прошедшие 1998, 2000, 2001, 2002, 2003, 2007, 2010 и 2020

годы были засушливыми для всех сельскохозяйственных регионов России или для их части. Общие убытки от засухи и других стихийных бедствий только в

2000 году в России составили 20 миллиардов рублей. 2020 год принес еще большие потери урожая, связанные с засухой. По прогнозам ученых, глобальное потепление приведет не только к росту температуры, но и к увеличению

66

температурных колебаний и увеличению количества экстремально холодных и жарких (засушливых) лет.

Одним из наиболее эффективных направлений защиты посевов от засухи является повышение естественной засухоустойчивости растений. Наряду с выведением новых засухоустойчивых сортов растений важна роль биостимуляторов. Ассортимент этих биостимуляторов только начинает появляться на рынке. Ведущие химические компании разрабатывают эти биостимуляторы.

Работа 1. Определение жаростойкости растений по Ф.Ф. Мацкову

Задание. Определить жаростойкость различных растений.

Материалы и оборудование:

0,2 HCl, водяная баня, пробирки, чашки Петри, штатив, клей, держатель для пробирок.

На ход отдельных физиологических процессов, совершающихся в растениях, наряду с другими высшими условиями влияет температура.

Наиболее энергично идут процессы при оптимальной для данного растения температуре. При повышении температуры до максимальной наблюдается сначала резкое снижение интенсивности процессов, а затем и их прекращение.

Таким образом, при повышении температуры выше оптимальной в растениях происходят патологические изменения, нарушающие согласованность биохимических процессов клетки и приводящие к возникновению ядовитых веществ типа токсинов, отравляющих протоплазму.

При дальнейшем повышении температуры к этому отравляющему фактору присоединяется и свертывание протоплазмы, в результате чего наступает отмирание клеток.

Различные растения отличаются разной степенью выносливости к высоким температурам. Из высших растений наиболее устойчивыми являются суккуленты, имеющие высокую вязкость протоплазмы и большой процент

67

связанной воды. Установлено, что растения ксерофитного типа оказываются более жароустойчивыми, чем мезофиты.

Данный метод определения жаростойкости растений основан на способности протоплазмы клеток до некоторой степени противостоять действию повышенной температуры.

При некотором уровне белки протоплазмы коагулируют, в силу чего нарушается полупроницаемость плазменных слоев и клетки отмирают. При действии кислоты на листья, протоплазма которых лишена полупроницаемости,

происходит феофитинизация, так как кислота легко проникает в клетки и вытесняет магний из молекул хлорофилла.

Ход работы. Для определения жароустойчивости растений отбирают листья с черешками различных культур и погружают их в водяную баню на 30

мин. при температуре 400С.

После этого вынимают из водяной бани по 1 листу каждого растения и погружают их в кристаллизатор с водой комнатной температуры.

Водяную баню с оставшимися листьями продолжают нагревать сначала до

450, затем до 500.

Так постепенно температуру воды доводят до 800, беря пробы через интервалы в 50. При указанной температуре листья выдерживают в течение 10

мин с последующим отбором по 1 листу от каждого вида растений.

Затем воду в кристаллизаторе заменяют раствором HCl 0,2N и

выдерживают в нем листья в течение 20 мин. После этого производят учет опыта.

Живые листья остаются зелеными, мертвые листья становятся бурыми. Это побурение у мертвых листьев происходит вследствие проникновения в мертвую протоплазму соляной кислоты, которая разрушает хлорофилл, вытесняя из его ядра Mg с образованием феофетина.

У растений с кислым клеточным соком побурение листьев после нагревания их в бане может происходить и без обработки соляной кислотой.

Клетки, лишенные полупроницаемости протоплазмы, легко пропускают кислый

68

клеточный сок, который производит разрушение хлорофилла. У листьев,

поврежденных частично, наблюдается появление бурых пятен на зеленом фоне.

Результаты опыта записывают в таблицу 11.

69

Контрольные вопросы и ответы по физиологии растений

Вопрос 1. Как вы определяете диффузию?

Ответ: Естественное перемещение молекул растворенного вещества из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией называется диффузией.

Вопрос 2. Объясните явление осмоса.

Ответ: Процесс перемещения воды через полупроницаемую мембрану из гипотонического раствора в гипертонический раствор

называется осмосом.

Вопрос 3. Различайте термины гипотонический и

гипертонический.

Ответ. Гипотонический означает менее концентрированный, тогда

как гипертонический означает более концентрированный.

Вопрос 4. Что вы понимаете под полупроницаемой мембраной?

Ответ. Мембрана, которая пропускает некоторые вещества, но не

пропускает другие, называется полупроницаемой мембраной.

Вопрос 5. Объясните термин осмотическое давление.

Ответ: Это давление, необходимое для предотвращения осмотического перемещения чистой воды в раствор через

полупроницаемую мембрану.

Вопрос 6. Объясните значение плазмолиза.

Ответ: Это сокращение протоплазмы клетки от ее целлюлозной стенки при помещении в гипертонические растворы, главным образом из-

за осмотического удаления воды из ее большой центральной вакуоли.

Вопрос 7. Что вы подразумеваете под тургором?

Ответ: Тургор – это напряжение клеточной стенки из-за давления воды внутри клетки.

70