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Transport in plants · ⁨植物における物質輸送⁩

A-Level Biology · ⁨A-Level 生物⁩ · Topic 7 · ⁨トピック 7⁩

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8:36

Transport in Plants · ⁨植物の輸送⁩

A giant redwood lifts water more than a hundred metres into the air, every single day — and it has no heart, no muscle, no pump of any kind. So what does the…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

7.1

The two transport tissues · ⁨2種類の輸送組織⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
  1. draw plan diagrams of transverse sections of stems, roots and leaves of herbaceous dicotyledonous plants from microscope slides and photomicrographs
  2. describe the distribution of xylem and phloem in transverse sections of stems, roots and leaves of herbaceous dicotyledonous plants
  3. draw and label xylem vessel elements, phloem sieve tube elements and companion cells from microscope slides, photomicrographs and electron micrographs
  4. relate the structure of xylem vessel elements, phloem sieve tube elements and companion cells to their functions
日本語
  1. 顕微鏡スライドおよび顕微写真から、双子葉草本植物の茎、根および葉の横断面の平面図を描く
  2. 草本双子葉植物の茎、根および葉の横断面における**木部(xylem)と篩部(phloem)**の分布を説明する
  3. 顕微鏡スライド、写真顕微鏡画像および電子顕微鏡画像から、木部導管要素(xylem vessel elements)、**篩部管要素(phloem sieve tube elements)および伴生細胞(companion cells)**を描き、名称を付記する
  4. 木部導管要素、篩部管要素および伴生細胞の構造がそれぞれの機能とどのように関連しているかを説明する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Plants move substances through two transport tissues 组织:

  • xylem 木质部 carries water and dissolved mineral ions 矿物离子 up from the roots.
  • phloem 韧皮部 carries dissolved foods (called assimilates 同化物, mainly sugars) to wherever they are needed.

In a transverse section 横切面 (a cut straight across) of a dicotyledonous plant 双子叶植物:

  • in the stem, xylem and phloem sit together in bundles near the outside, with xylem on the inside of each bundle.
  • in the root, the xylem is in the centre, often in a star shape, with phloem between the arms.
  • in the leaf, both are found in the veins.

When you draw a plan diagram, you draw only the outlines of the tissues, not the single cells.

Xylem vessels

Xylem water-carrying tubes are called vessels 导管. They are made of dead, empty cells joined end to end, with the end walls gone, so they form one long open pipe. Their walls are thickened and waterproofed with lignin 木质素. So the structure suits the job: the hollow, open tube with no contents lets water flow fast, and the lignin gives strength and support.

Phloem sieve tubes and companion cells

Phloem food-carrying tubes are called sieve tubes 筛管. They are living cells joined end to end, but their end walls are not gone — they become sieve plates 筛板 with many holes that sap flows through. To leave room for flow, a sieve tube cell loses most of its contents and has no nucleus.

Beside each sieve tube is a companion cell 伴胞. It keeps its nucleus 细胞核 and has many mitochondria 线粒体. It does the living work for the sieve tube and loads sugars into it.

This is what a real vascular bundle 维管束 looks like under the microscope, in a stained section of a young sunflower stem:

日本語

植物は2種類の輸送組織を通じて物質を移動させます:

  • 木部は、根から上部へ水と溶解した鉱物イオンを運ぶ。
  • 篩部は、必要とする場所に溶解した食物(同化物、主に糖)を運ぶ。

双子葉植物の横断面(直交する切断面)において:

  • 茎では、木部と篩部が束になって外側近くにあり、各束の内側に木部がある。
  • 根では、木部が中央にあり、しばしば星型をしており、篩部はその腕の間に位置する。
  • 葉では、両方とも維管束(脈)に見られる。

平面図を描く際は、単一細胞ではなく組織の輪郭のみを描く。

2つの断面:外側近くに維管束が輪状に並び、各維管束の内部に木部がある茎と、中央に星形をなす木部と腕の間に篩部がある根
組織の位置:茎の維管束は外側近くに輪状に並び(内部に木部)、根では木部が中央に星形となる
樹木の幹を横切り、同心円状の成長年輪が見える
樹木の幹の木材は木部であり、各年輪は1年の成長を表す

木部の導管

水を送る木部の管は導管と呼ばれる。死細胞で中空のものが頭と尾をつないだ構造をしており、端壁が消失して一本の長い開口したパイプとなっている。壁は太く、防水性のあるリグニンで強化されている。この構造は機能に適しており、中身のない開口した管は水を速く流し、リグニンは強度と支持力を提供する。

篩部筛管と伴胞

養分を送る篩部の管は篩管と呼ばれる。生細胞が頭と尾をつないだが、端壁は消失せず、多くの孔を持つ篩板となり、液が通る。流れのスペースを確保するため、篩管細胞は内容物のほとんどを失い、核を持たない。

各篩管の隣には伴胞がある。伴胞は核を保ち、多くのミトコンドリアを持つ。篩管の生命活動の仕事を担い、糖を篩管内に積み込む。

太いリグニン化された壁を持つ中空の導管として描かれた木部と、篩板を持つ篩部および接続された伴胞
木部は死細胞の開口したパイプ、篩部は篩板と伴胞を持つ生細胞の篩管

若いひまわりの茎の染色切片における、顕微鏡下での実際の維管束の外観:

高倍率で観察した双子葉植物の茎の維管束の1つを含む染色横断面:下部に赤く染色された大きな丸型で厚い壁の木部導管の集団、その上に小さな薄壁の篩部細胞の塊、周囲に充填細胞
切断面での実際の維管束:大きな赤い細胞は木部導管(厚いリグニン化された壁)、上の小さい細胞は篩部
Explore · ⁨探索⁩

Xylem and phloem side by side · ⁨木質部と篩部が隣接する⁩

Tap each part. Xylem is a dead, hollow pipe for water; phloem is a living tube for sugars, helped by its companion cell. · ⁨各部分をクリックしてください。木質部は水を運ぶ死んだ空洞の管であり、篩部は糖を運ぶ生きた管で、その補完細胞の助けを得ています。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
tissue/ˈtɪʃuː/ 組織
xylem/ˈzaɪləm/ 木質部
mineral ion/ˈmɪnərəl ˈaɪɒn/ 無機イオン
phloem/ˈfləʊɪm/ 篩管
assimilate/əˈsɪmɪleɪt/ 同化・取り込む
transverse section/trænsˈvɜːs ˈsekʃn/ 横断面
dicotyledonous plant/ˌdɪkətɪˈliːdənəs plænt/ 双子葉植物
vessel/ˈvesl/ 管胞
lignin/ˈlɪɡnɪn/ リグニン
sieve tube/sɪv tjuːb/ 篩管
sieve plate/sɪv pleɪt/ 篩板
companion cell/kəmˈpænɪən sel/ 伴細胞
nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 核
mitochondria/ˌmaɪtəˈkɒndrɪə/ ミトコンドリア
vascular bundle/ˈvæskjʊlə ˈbʌndl/ 維管束
root hair cell/ruːt heə sel/ 根毛細胞
osmosis/ɒzˈməʊsɪs/ 浸透圧
apoplast pathway/ˈæpəplæst ˈpæθweɪ/ アポプラスト経路
cell wall/sel wɔːl/ 細胞壁
cellulose/ˈseljuːləʊs/ セルロース
symplast pathway/ˈsɪmplæst ˈpæθweɪ/ シンプラスト経路
plasmodesmata/ˌplæzməʊdˈsmɑːtə/ 道管
endodermis/ˈendəʊdəmɪs/ 内皮層
Casparian strip/kæˈspeərɪən strɪp/ カスパリー帯
suberin/ˈsʌbərɪn/ スベリン
7.2

Water from the soil to the xylem · ⁨土壌から木部への水⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
  1. state that some mineral ions and organic compounds can be transported within plants dissolved in water
  2. describe the transport of water from the soil to the xylem through the: • apoplast pathway, including reference to lignin and cellulose • symplast pathway, including reference to the endodermis, Casparian strip and suberin
  3. explain that transpiration involves the evaporation of water from the internal surfaces of leaves followed by diffusion of water vapour to the atmosphere
  4. explain how hydrogen bonding of water molecules is involved with movement of water in the xylem by cohesion-tension in transpiration pull and by adhesion to cellulose in cell walls
  5. make annotated drawings of transverse sections of leaves from xerophytic plants to explain how they are adapted to reduce water loss by transpiration
  6. state that assimilates dissolved in water, such as sucrose and amino acids, move from sources to sinks in phloem sieve tubes
  7. explain how companion cells transfer assimilates to phloem sieve tubes, with reference to proton pumps and cotransporter proteins
  8. explain mass flow in phloem sieve tubes down a hydrostatic pressure gradient from source to sink
日本語
  1. 一部の無機イオンおよび有機化合物が水中に溶解して植物内で輸送されることを述べる
  2. 土壌から木部への水の輸送について説明する: • アポプラスト経路、リグニンおよびセルロースへの言及を含む • シンプラスト経路、内皮層、カスパリー帯およびスベリンへの言及を含む
  3. 蒸散作用とは、葉の内部表面からの水の蒸発に続き、水蒸気が大気へ拡散することを指すことを説明する
  4. 水分子間の水素結合が、**蒸散引張力(transpiration pull)による木部内の水の移動における凝集-張力理論(cohesion-tension)によって、および細胞壁のセルロースへの吸着(adhesion)**によって関与することを説明する
  5. **乾燥環境植物(xerophytic plants)**の葉の横断面の注釈付き図を描き、蒸散作用による水分損失を減少させるための適応を説明する
  6. 同化産物であるスクロースやアミノ酸などが水中に溶解し、篩部管内で**源(sources)から収庫(sinks)**へ移動することを述べる
  7. プロトンポンプおよび**共有輸送タンパク質(cotransporter proteins)**への言及を含め、伴生細胞が篩部管へ同化産物を移動させる仕組みを説明する
  8. 質量流(mass flow)が、源から収庫へ向かう静水圧勾配に沿って篩部管内で起こることを説明する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Water enters a root hair cell 根毛细胞 by osmosis 渗透, because the root hair has a lower water potential than the soil water. Water then crosses the root to the xylem by two pathways:

  • the apoplast pathway 质外体途径 — water moves through the cell walls 细胞壁 (made of cellulose 纤维素) and the spaces between cells, without entering the cytoplasm. This is fast.
  • the symplast pathway 共质体途径 — water moves through the cytoplasm of cells, passing from cell to cell through the plasmodesmata 胞间连丝.

At a ring of cells called the endodermis 内皮层, the apoplast pathway is blocked by the Casparian strip 凯氏带, a waterproof band of suberin 木栓质. This forces all the water through the cell membranes, which lets the plant control what enters the xylem.

日本語

水は根毛細胞へ浸透によって入り込み、根毛の水分ポテンシャルが土壌水より低いからである。その後、水は根を越えて木部へ2つの経路で移動する:

  • アポプラスト経路 — 水は細胞壁(セルロースで作られる)と細胞間の隙間を通り、原形質に入らない。これは速い。
  • シンプラスト経路 — 水は細胞の原形質を通り、胞間連絡を介して細胞から細胞へ移動する。

内皮層と呼ばれる細胞の輪において、カスパーリー帯(スベリンの防水帯)によりアポプラスト経路は遮断される。これにより水はすべて細胞膜を通らされ、植物が木部に入るものを制御できる。

アポプラスト経路による細胞壁を通る水と、シンプラスト経路による原形質を通る水;内皮層ではカスパーリー帯がアポプラストを遮断している
アポプラストは壁を通り、シンプラストは原形質を通ります;カスパーリー帯は内皮層でアポプラストを遮断します
Explore · ⁨探索⁩

Water from soil to xylem · ⁨土壌から木質部への水⁩

Follow water in from the soil. It crosses the root two ways, is forced through a membrane at the endodermis, then enters the xylem. · ⁨土壌からの水を追跡する。根を2通りで横切り、内皮層の膜要通过され、その後木質部に入る。⁩

7.2

Transpiration and the movement of water up the xylem · ⁨蒸散と木部を登る水の移動⁩

English

Transpiration 蒸腾作用 is the loss of water vapour from a plant. Water evaporates (turns to vapour) from the wet cell surfaces inside the leaf — this is evaporation 蒸发. The water vapour 水蒸气 then diffuses 扩散 out through the stomata 气孔 into the atmosphere 大气.

This loss at the top pulls water up the xylem in a continuous column. It works because of hydrogen bonding between water molecules:

  • water molecules attract each other through hydrogen bonds 氢键, so they stick together. This sticking is cohesion 内聚力, and it lets the whole column be pulled up under tension 张力 (the cohesion–tension idea).
  • water molecules also stick to the cellulose of the cell walls. This is adhesion 附着力, which helps hold the column in place.

Worked example. A plant cell with a water potential of $-800\ \text{kPa}$ is placed in a solution of water potential $-400\ \text{kPa}$. Which way does water move, and what happens to the cell? Water always moves down a water potential gradient - from the less negative (higher) value to the more negative (lower) one. The solution at $-400$ is higher than the cell at $-800$, so water moves into the cell. The cell swells, the protoplast presses on the cell wall, the pressure potential rises, and the cell becomes turgid. Two traps: $-400$ is greater than $-800$, which is the sign error that reverses half of all answers; and pure water is the maximum at 0, so every solution is negative and a water potential can never rise above zero.

日本語

蒸散とは植物からの水蒸気の放出である。水は葉の内部の湿った細胞表面から蒸発(気体になる)する — これは蒸発である。水蒸気は次に気孔を通じて大気へ拡散する。

上部でのこの損失が、連続した水柱として木部を水を引き上げる。これは水分子間の水素結合によるものである:

  • 水分子は水素結合によって互いに引き合い、结合在一起する。この引き合いは凝集力と呼ばれ、張力下で水柱全体を引き上げさせる(凝集力-張力説)。
  • 水分子はまた細胞壁のセルロースにも付着する。これは付着力と呼ばれ、水柱を固定するのに役立つ。
浸透によって根に入り、上昇矢印の水柱として木部を登り、上部で葉から水蒸気が離れる植物
葉での蒸散が水柱全体を木部で引き上げます;凝集力(水素結合)が水柱を維持しています

** worked example.** 水ポテンシャルが $-800\ \text{kPa}$ の植物細胞を、水ポテンシャルが $-400\ \text{kPa}$ の溶液に置いた。水はどの方向に移動するか、また細胞には何が起こるか。水は常に下流の水ポテンシャル勾配に従って移動する:負でない(高い)値からより負の(低い)値へ。$-400$ の溶液は $-800$ の細胞よりも高い水ポテンシャルを持っているため、水は細胞の中へ移動する。細胞は膨潤し、原生質が細胞壁を押すことで圧力ポテンシャルが上昇し、細胞は膨張状態(タージッド)となる。2つの注意点:$-400$ は $-800$ より大きいことが正解だが、これが反転させる全解答の半分に関わる符号誤りの原因となる;純水は最大値が 0 であるため、すべての溶液は負の値となり、水ポテンシャルがゼロを超えることは決してない。

Explore · ⁨探索⁩

The transpiration stream · ⁨蒸散流⁩

Step through how water is pulled up a tree — evaporation at the top creates a tension that drags the whole cohesive column upward. · ⁨水が木に引き上げられる仕組みを段階的に説明してください — 上部での蒸発が張力を生み、全体 cohesion した水柱を上へ引っ張ります。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
transpiration/trænspəˈreɪʃn/ 蒸散作用
evaporation/ɪˌvæpəˈreɪʃn/ 蒸発
water vapour/ˈwɔːtə ˈveɪpə/ 水蒸気
diffuse/dɪˈfjuːz/ 拡散する
stomata/ˈstəʊmətə/ 気孔
atmosphere/ˈætməsfɪə/ 大気中
hydrogen bond/ˈhaɪdrədʒn bɒnd/ 水素結合
cohesion/kəʊˈhiːʒn/ 凝集
tension/ˈtenʃn/ 張力
adhesion/ədˈhiːʒn/ 吸着
7.2

Xerophytes · ⁨乾燥地植物⁩

English

A xerophyte 旱生植物 is a plant adapted 适应 to live where water is scarce. Its leaves reduce water loss by transpiration in several ways: a thick waxy cuticle 角质层, stomata sunk in pits, hairs that trap moist air, and leaves that can roll up. You should be able to draw a labelled leaf section showing these features.

日本語

乾燥地植物とは、水が少ない場所での生活に適応した植物である。その葉は蒸散による水分損失を減少させるためにいくつかの方法をとる:厚い蝋質の角質層、窪みに沈んだ気孔、湿った空気を捕らえる毛、および巻き上がる葉。これらの特徴を示すラベル付きの葉の断面を描けるようにすべきである。

上面に厚い蝋質の角質層、窪みに沈んだ気孔、湿った空気を捕らえる毛、および葉が巻き上がることが示された乾燥地植物の葉の横断面
乾燥地植物の葉は水分損失を減らす:厚い角質層、沈んだ気孔、捕らえられた湿った空気、および巻き上がり
Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
xerophyte/ˈzɪərəfaɪt/ 乾燥耐性植物(ケロファイト)
adapted/əˈdæptɪd/ 適応
cuticle/ˈkjuːtɪkl/ 角質層
sucrose/ˈsuːkrəʊs/ スクロース
amino acid/əˈmiːnəʊ ˈæsɪd/ アミノ酸
source/sɔːs/ 源
sink/sɪŋk/ シンク
proton pump/ˈprəʊtɒn pʌmp/ プロトンポンプ
cotransporter protein/ˈkɒtrənspɔːtə ˈprəʊtiːn/ 共輸送タンパク質
active transport/ˈæktɪv ˈtrænspɔːt/ 能動輸送
water potential/ˈwɔːtə pəˈtenʃl/ 水ポテンシャル
hydrostatic pressure/ˌhaɪdrəˈstætɪk ˈpreʃə/ 静水圧
7.2

Translocation: moving assimilates in the phloem · ⁨輸送:篩部内の同化物の移動⁩

English

Assimilates such as sucrose 蔗糖 and amino acids 氨基酸 are carried in the phloem from a source 源 to a sink 库.

  • a source is where the assimilate is made or released (for example a photosynthesising leaf).
  • a sink is where it is used or stored (for example a growing root).

Loading at the source

Companion cells load sucrose into the sieve tubes against its concentration gradient. They use proton pumps 质子泵 to pump hydrogen ions out, then cotransporter proteins 协同运输蛋白 bring sucrose back in together with those ions. This is a form of active transport 主动运输.

Loading sucrose lowers the water potential 水势 inside the sieve tube, so water follows by osmosis. This raises the hydrostatic pressure 静水压 there.

Mass flow

At the sink, sucrose is removed, so the water potential rises, water leaves, and the pressure falls. The result is a pressure difference between source (high) and sink (low). Sap flows from high to low pressure down this gradient. This pressure-driven flow is called mass flow 集流.

日本語

蔗糖などの同化物は、源から庫へ向かって篩管に輸送される。

  • 源とは、同化物が生成または放出される場所(例:光合成を行う葉)である。
  • 庫とは、同化物が消費または貯蔵される場所(例:成長中の根)である。

源における Loading

補助細胞は、濃度勾配に逆らって篩管へ蔗糖を Loading する。まずプロトンポンプを用いて水素イオンを外へ排出し、その後共輸送タンパク質によってそれらのイオンと一緒に蔗糖を取り込む。これは能動輸送の一種である。

蔗糖の Loading により篩管内のポテンシャルが低下し、浸透圧によって水が入ってくる。これにより那里的な静水圧が上昇する。

量流

庫では蔗糖が除去されるためポテンシャルが上昇し、水が出て圧力が低下する。その結果、源(高圧)と庫(低圧)の間に圧力差が生じる。この勾配に沿って高圧から低圧へ sap が流れる。この圧力による流れを量流という。

源で篩管へ蔗糖が Loading され水が引き込まれて圧力が上昇するため、sap は庫へと流れ、そこで蔗糖が除去されて水が出る
源での蔗糖 Loading により圧力が上昇し、随后 sap は量流によって庫へ流れる
Explore · ⁨探索⁩

Translocation by mass flow · ⁨質量流による移動⁩

Step through how sugar moves. Loading at the source pulls water in and raises the pressure, pushing sap to the sink. · ⁨糖が動く仕組みを段階的に説明してください。源でのロードが水を引き込み圧力を高め、 sap をシンクへ押します。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
mass flow/mæs fləʊ/ 質量流
7.2

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • State the tissue for each direction: xylem carries water up (dead, lignified), phloem carries assimilates both ways (living sieve tubes + companion cells).
  • Explain water movement by cohesion-tension: transpiration pulls a continuous water column held by cohesion (H-bonds) and adhesion.
  • List the factors affecting transpiration rate (light, temperature, humidity, air movement) and how a potometer measures uptake.
  • For xerophytes, link each adaptation (thick cuticle, sunken stomata, rolled leaves, hairs) to reduced water loss.
日本語
  • 各方向の組織を記述する:木部は水を上へ運ぶ(死細胞・ lignified)、篩部は同化物を両方向に運ぶ(生細胞の篩管+補助細胞)。
  • 付着張力説を用いて水の移動を説明する:蒸散作用が付着結合(水素結合)および吸着によって保持される連続した水柱を引き上げる。
  • 蒸散速度に影響を与える要因(光、温度、湿度、空気の流れ)をリストアップし、ポトメーターによる吸水量の測定方法を説明する。
  • 乾燥植物について、各適応(厚い角質層、沈下気孔、巻いた葉、毛)が水分損失の減少にどのように寄与するかを結びつける。

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