植物生理学教案15

基本内容

第十章植物的生长生理（growth physiology of plant）。

第一节种子的萌发(Seed germination)

种子萌发必须有适当的外界条件，即足够的水分、充足的氧和适宜的温度。三者同等重要，缺一不可。此外，有些种子的萌发还受到光的影响。

（一）水分(Water)

吸水是种子萌发的第一步。种子吸收足够的水分以后，其他生理作用才能逐渐开始，这是因为水可使种皮膨胀软化，氧容易透过种皮，增加胚的呼吸，也使胚易于突破种皮；水分可使凝胶状态的细胞质转变为溶胶状态，使代谢加强，并在一系列酶的作用下，使胚乳的贮藏物质逐渐转化为可溶性物质，供幼小器官生长之用；水分可促进可溶性物质运输到正在生长的幼芽、幼根，供呼吸需要或形成新细胞结构的有机物。

（二）氧(oxygen)

种子萌发是一个非常活跃的生长过程。旺盛的物质代谢和活跃的物质运输等需要有氧呼吸作用来保证。因此，氧对种子萌发是极为重要的。

（三）温度(Temperature)

种子萌发也是一个生理生化变化的过程，是在一系列的酶参与下进行的，而酶的催化与温度有密切关系，所以，种子要在一定的温度条件下才能发芽。

（四）光(Light)

光对一般植物种子的萌发没有什么影响，但有些植物的种子萌发是需要光的，这些种子称为需光种子（light seed），如莴苣、烟草和拟南芥等植物的种子。还有一些种子萌发是不需要光的，称为需暗种子（dark seed），如西瓜属和黑种草属（Nigella）植物的种子。

二、种子萌发的生理生化变化(Change of physiology and biochemistry of seed germination)

种子萌发过程基本上包括种子吸水，贮存组织内物质水解和运输到生长部位合成细胞组分，细胞分裂，胚根、胚芽出现等过程。

（一）种子的吸水

种子的吸水可分为3个阶段，即急剧的吸水、吸水的停止和胚根长出后的重新迅速吸水。据测定，种子吸水第一阶段是吸胀作用（物理过程）。在第二阶段中，细胞利用已吸收的水分进行代谢作用。至到第三阶段，由于胚的迅速长大和细胞体积的加大，重新大量吸水，这时的吸水是与代谢作用相连的渗透性吸水。

（二）呼吸作用的变化和酶的形成

在种子吸水的第二阶段，种子呼吸产生的CO2大大超过O2的消耗；当胚根长出，鲜重又增高时，O2的消耗速率就高于CO2的释放速率。这说明初期的呼吸主要是无氧呼吸，而随后是有氧呼吸。在吸水的第二阶段，种子中各种酶亦在

形成着。萌发种子酶的形成有两种来源：（1）从已存在的束缚态酶释放或活化而来；（2）通过核酸诱导下合成的蛋白质，形成新的酶。

（三）有机物的转变

种子中贮藏着大量淀粉、脂肪和蛋白质，而且，不同植物种子中，这三种有机物的含量有很大差异。我们常以含量最多的有机物为根据，将种子区分为淀粉种子（淀粉较多）、油料种子（脂肪较多）和豆类种子（蛋白质较多）。这些有机物在种子萌发时，在酶的作用下被水解为简单的有机物，并运送到正在生长的幼胚中去，作为幼胚生长的营养物质。

三、种子的寿命

种子寿命（seed longevity）是指种子从成熟到失去生命力所经历的时间。在自然条件下，种子的寿命可以由几个星期到很多年。寿命极短的种子如柳树种子，成熟后只在12h内有发芽能力。大多数农作物种子的寿命，也是比较短的，约1～3年。少数有较长的，如蚕豆、绿豆能达6～11年。种子寿命长的可达百年以上。我国辽宁省普兰店的泥炭土层中，多次发现莲的瘦果（莲子），根据土层分析，这些种子埋藏至少120年，也可能达200～400年之久，但仍能发芽和正常开花结果。

第二节细胞的生长

一、细胞分裂的生理

（一）细胞周期

具有分裂能力细胞的细胞质浓厚，合成代谢旺盛，把无机盐和有机物同化成细胞质。当细胞质增加到一定量时，细胞就分裂成为两个新细胞。新生的细胞长大后，再分裂成为两个子细胞。细胞分裂成两个新细胞所需的时间，称为细胞周期（cell cycle）或细胞分裂周期（cell division cycle）。细胞周期包括分裂间期（interphase）和分裂期（mitotic stage，简称M期）。分裂期是指细胞的有丝分裂过程，根据形态指标分裂期可分为前期、中期、后期和末期等时期。分裂间期是分裂期后的静止时期，DNA是在这个时期中一定时间内合成的。于是又可把分裂间期分为三个时期：DNA合成期（简称S期）（synthesis简称），在S期之前有DNA合成前期（简称G1期），在S期之后是DNA合成后期（简称G2期）（G是取自英文gap）。

（二）细胞周期控制

（三）细胞分裂的生化变化

细胞分裂过程最显著的生化变化是核酸含量、尤其是DNA含量变化，因为DNA是染色体的主要成分。呼吸速率在细胞周期中，亦会发生变化。分裂期对氧的需求很低，而G1期和G2期后期氧吸收量都很高。G2期后期吸氧多是相当重要的，它贮存相当多能量供给有丝分裂期用。

（三）细胞分裂与植物激素

植物激素在细胞分裂过程中起着重要的作用。在烟草细胞培养中，生长素和细胞分裂素刺激G1 cyclin(CYCD)的积累，因此支持进入新的细胞周期。干旱时，根部的脱落酸浓度增加，CDK-cyclin复合物抑制剂（ICK）表达，于是抑制CDK/CYCA，阻止进入S期。细胞分裂素通过活化磷酸酶,削弱CDK酪氨酸磷酸化的抑制作用（CDK/CYCB），促进进入M期。赤霉素刺激深水稻节间cyclin的表达，细胞迅速分裂和伸长（图10-4）。

二、细胞伸长的生理

（一）细胞伸长的生理变化

当细胞伸长时，细胞的呼吸速率增快2～6倍，细胞生长需要的能量便得到保证；与此同时，细胞里的蛋白质量也随着增加，这说明呼吸作用的加强和蛋白质的积累是细胞伸长的基础。

（二）细胞壁

细胞伸长不只增加细胞质，也增加细胞壁，这样才保持细胞壁的厚度。细胞壁的松散和伸展在细胞伸长中具有极其重要的作用。植物细胞壁的基本结构物质是纤维素，许多纤维素分子构成微纤丝，细胞壁就是以微纤丝为基本框架构成的。每个纤维素分子是1 400-10 000个D-葡萄糖残基通过β-1，4键连结成的长链。植物细胞壁中的纤维素分子是平行整齐排列的，约2000个纤维素分子聚合成束状，称之为微团（micell）。微团和微团之间有间隙，彼此相互交织。每20个微团的长轴平行排列，聚合成束又构成微纤丝（microfibrill）。有时许多微纤丝又聚合成大纤丝，微纤丝借助大量链间和链内氢键而结合成聚合物（图10-5）。

在细胞伸长过程中，首先需要松散细胞壁，并不断将合成的细胞壁成分如纤维素、半纤维素、果胶等填充和沉淀到正在扩展的细胞壁中，保持细胞壁的厚度。