- draw plan diagrams of transverse sections of stems, roots and leaves of herbaceous dicotyledonous plants from microscope slides and photomicrographs
- describe the distribution of xylem and phloem in transverse sections of stems, roots and leaves of herbaceous dicotyledonous plants
- draw and label xylem vessel elements, phloem sieve tube elements and companion cells from microscope slides, photomicrographs and electron micrographs
- relate the structure of xylem vessel elements, phloem sieve tube elements and companion cells to their functions
植物体内的运输
A-Level 生物 · 第 7 主题
7.1
运输组织的结构
大纲
来源:剑桥国际大纲
植物通过两种运输组织(tissues)移动物质:
- 木质部(xylem)把水和溶解的矿物离子(mineral ions)从根部往上运。
- 韧皮部(phloem)把溶解的食物(叫同化物(assimilates),主要是糖)运到任何需要它们的地方。
在一个双子叶植物(dicotyledonous plant)的横切面(transverse section,直接横切)中:
- 在茎中,木质部和韧皮部在靠近外侧的束中坐在一起,木质部在每个束的内侧。
- 在根中,木质部在中央,常呈星形,韧皮部在星臂之间。
- 在叶中,两者都在叶脉里找到。
当你画一个平面图时,你只画组织的轮廓,而不是单个细胞。
Xylem vessels
木质部的运水管叫导管(vessels)。它们由端端相连的死的、空的细胞构成,端壁消失,所以它们构成一根长的开放管道。它们的壁用木质素(lignin)加厚并防水。所以结构适合工作:空心、开放、没有内容物的管让水快速流动,而木质素给予强度和支持。
Phloem sieve tubes and companion cells
韧皮部的运食物管叫筛管(sieve tubes)。它们是端端相连的活细胞,但它们的端壁没有消失——它们变成带许多汁液流过的孔的筛板(sieve plates)。为了给流动腾出空间,一个筛管细胞失去它大部分的内容物并没有细胞核。
每个筛管旁边是一个伴胞(companion cell)。它保留它的细胞核(nucleus)并有许多线粒体(mitochondria)。它为筛管做活的工作并把糖装入它。
这是一个真实的维管束(vascular bundle)在显微镜下的样子,在一个幼向日葵茎的染色切面中:
探索
Xylem and phloem side by side
Tap each part. Xylem is a dead, hollow pipe for water; phloem is a living tube for sugars, helped by its companion cell.
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| tissue | 组织 | zǔ zhī |
| xylem | 木质部 | mù zhì bù |
| mineral ion | 矿物离子 | kuàng wù lí zi |
| phloem | 韧皮部 | rèn pí bù |
| assimilate | 同化物 | tóng huà wù |
| transverse section | 横切面 | héng qiē miàn |
| dicotyledonous plant | 双子叶植物 | shuāng zǐ yè zhí wù |
| vessel | 导管 | dǎo guǎn |
| lignin | 木质素 | mù zhì sù |
| sieve tube | 筛管 | shāi guǎn |
| sieve plate | 筛板 | shāi bǎn |
| companion cell | 伴胞 | bàn bāo |
| nucleus | 细胞核 | xì bāo hé |
| mitochondria | 线粒体 | xiàn lì tǐ |
| vascular bundle | 维管束 | wéi guǎn shù |
7.2
运输机制
大纲
- state that some mineral ions and organic compounds can be transported within plants dissolved in water
- 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
- explain that transpiration involves the evaporation of water from the internal surfaces of leaves followed by diffusion of water vapour to the atmosphere
- 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
- make annotated drawings of transverse sections of leaves from xerophytic plants to explain how they are adapted to reduce water loss by transpiration
- state that assimilates dissolved in water, such as sucrose and amino acids, move from sources to sinks in phloem sieve tubes
- explain how companion cells transfer assimilates to phloem sieve tubes, with reference to proton pumps and cotransporter proteins
- explain mass flow in phloem sieve tubes down a hydrostatic pressure gradient from source to sink
来源:剑桥国际大纲
水通过渗透(osmosis)进入一个根毛细胞(root hair cell),因为根毛的水势比土壤水低。然后水通过两条途径穿过根到木质部:
- 质外体途径(apoplast pathway)——水穿过细胞壁(cell walls,由纤维素(cellulose)构成)和细胞之间的空隙移动,不进入细胞质。这很快。
- 共质体途径(symplast pathway)——水穿过细胞的细胞质移动,通过胞间连丝(plasmodesmata)从一个细胞传到另一个细胞。
在一圈叫内皮层(endodermis)的细胞处,质外体途径被凯氏带(Casparian strip)——一条木栓质(suberin)的防水带——阻挡。这迫使所有的水穿过细胞膜,这让植物控制什么进入木质部。
探索
Water from soil to xylem
Follow water in from the soil. It crosses the root two ways, is forced through a membrane at the endodermis, then enters the xylem.
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| root hair cell | 根毛细胞 | gēn máo xì bāo |
| osmosis | 渗透 | shèn tòu |
| apoplast pathway | 质外体途径 | zhì wài tǐ tú jìng |
| cell wall | 细胞壁 | xì bāo bì |
| cellulose | 纤维素 | xiān wéi sù |
| symplast pathway | 共质体途径 | gòng zhì tǐ tú jìng |
| plasmodesmata | 胞间连丝 | bāo jiān lián sī |
| endodermis | 内皮层 | nèi pí céng |
| Casparian strip | 凯氏带 | kǎi shì dài |
| suberin | 木栓质 | mù shuān zhì |
7.2
蒸腾作用与水在木质部中的上升
蒸腾作用(transpiration)是水蒸气从一株植物的流失。水从叶内部湿的细胞表面蒸发(变成蒸气)——这是蒸发(evaporation)。然后水蒸气(water vapour)通过气孔(stomata)扩散(diffuses)出去到大气(atmosphere)中。
顶部的这种流失把水沿木质部以一个连续的柱往上拉。它有效是因为水分子之间的氢键:
- 水分子通过氢键(hydrogen bonds)相互吸引,所以它们粘在一起。这种粘连是内聚力(cohesion),它让整个柱在张力(tension)下被往上拉(内聚–张力思想)。
- 水分子也粘到细胞壁的纤维素上。这是附着力(adhesion),它帮助把柱保持在原位。
例题。 把一个水势为 $-800\ \text{kPa}$ 的植物细胞放入水势为 $-400\ \text{kPa}$ 的溶液中。水向哪个方向移动?细胞会怎样?水总是顺着水势梯度移动 - 从负得较少(较高)的一方流向负得较多(较低)的一方。$-400$ 的溶液比 $-800$ 的细胞更高,所以水进入细胞。细胞膨大,原生质体压向细胞壁,压力势升高,细胞变得膨胀(紧张)。有两个陷阱:$-400$ 大于 $-800$,这个符号错误会让一半的答案方向反过来;以及纯水的最大值是 0,所以任何溶液都是负的,水势永远不可能高于零。
探索
The transpiration stream
Step through how water is pulled up a tree — evaporation at the top creates a tension that drags the whole cohesive column upward.
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| transpiration | 蒸腾作用 | zhēng téng zuò yòng |
| evaporation | 蒸发 | zhēng fā |
| water vapour | 水蒸气 | shuǐ zhēng qì |
| diffuse | 扩散 | kuò sàn |
| stomata | 气孔 | qì kǒng |
| atmosphere | 大气 | dà qì |
| hydrogen bond | 氢键 | qīng jiàn |
| cohesion | 内聚力 | nèi jù lì |
| tension | 张力 | zhāng lì |
| adhesion | 附着力 | fù zhuó lì |
7.2
旱生植物
一株旱生植物(xerophyte)是一株适应(adapted)于生活在水稀缺处的植物。它的叶以几种方式减少蒸腾作用的水分流失:一层厚的蜡质角质层(cuticle)、沉在坑里的气孔(stomata)、困住湿润空气的毛,以及能卷起的叶。你应当能够画一个显示这些特征的标注叶切面。
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| xerophyte | 旱生植物 | hàn shēng zhí wù |
| adapted | 适应 | shì yìng |
| cuticle | 角质层 | jiǎo zhì céng |
7.2
转运:同化产物在韧皮部中的运输
蔗糖(sucrose)和氨基酸(amino acids)等同化物在韧皮部中从一个源(source)被运到一个库(sink)。
- 一个源是同化物被制造或释放的地方(例如一片进行光合作用的叶)。
- 一个库是它被使用或储存的地方(例如一个生长的根)。
Loading at the source
伴胞把蔗糖逆它的浓度梯度装入筛管。它们用质子泵(proton pumps)把氢离子泵出去,然后协同运输蛋白(cotransporter proteins)把蔗糖连同那些离子一起带回来。这是一种形式的主动运输(active transport)。
装入蔗糖降低筛管内部的水势(water potential),所以水通过渗透跟随。这提高那里的静水压(hydrostatic pressure)。
Mass flow
在库处,蔗糖被移除,所以水势上升、水离开,而压力下降。结果是源(高)和库(低)之间的一个压力差。汁液沿这个梯度从高压流向低压。这种压力驱动的流动叫集流(mass flow)。
探索
Translocation by mass flow
Step through how sugar moves. Loading at the source pulls water in and raises the pressure, pushing sap to the sink.
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| sucrose | 蔗糖 | zhè táng |
| amino acid | 氨基酸 | ān jī suān |
| source | 源 | yuán |
| sink | 库 | kù |
| proton pump | 质子泵 | zhì zi bèng |
| cotransporter protein | 协同运输蛋白 | xié tóng yùn shū dàn bái |
| active transport | 主动运输 | zhǔ dòng yùn shū |
| water potential | 水势 | shuǐ shì |
| hydrostatic pressure | 静水压 | jìng shuǐ yā |
| mass flow | 集流 | jí liú |
7.2
考试技巧
- 陈述每个方向的组织:木质部把水往上运(死的、木质化的),韧皮部双向运同化物(活的筛管 + 伴胞)。
- 用内聚–张力解释水的移动:蒸腾作用拉动一个由内聚力(氢键)和附着力保持的连续水柱。
- 列出影响蒸腾速率的因素(光、温度、湿度、空气流动)以及一个蒸腾计如何测量吸收。
- 对于旱生植物,把每个适应(厚角质层、下陷气孔、卷起的叶、毛)与减少的水分流失联系起来。
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