Hệ thống hấp thụ nước trong thực vật: Con đường; Cơ chế và các chi tiết khác

Hệ thống hấp thụ nước trong thực vật: Con đường; Cơ chế và các chi tiết khác!

Thực vật có khả năng hấp thụ nước qua toàn bộ bề mặt của chúng ngay từ gốc, thân, lá, hoa, v.v. Tuy nhiên, vì nước có sẵn chủ yếu trong đất, chỉ có hệ thống rễ ngầm là chuyên để hấp thụ nước. Rễ thường rộng và mọc nhanh trong đất.

Trong rễ, vùng hấp thụ nước hiệu quả nhất là vùng chân tóc. Mỗi vùng chân tóc có hàng ngàn sợi tóc. Lông rễ là chuyên để hấp thụ nước. Chúng là các đầu ra hình ống có chiều dài 50-1500 μm (0, 05-1, 5 mm) và 10nm theo chiều rộng.

Mỗi sợi tóc có một không bào trung tâm chứa đầy nhựa tế bào hoạt động thẩm thấu và tế bào chất ngoại vi. Thành mỏng và thấm với các chất pectic ở lớp ngoài và cellulose ở lớp bên trong. Lông rễ truyền vào các vi hạt mao quản, được gắn vào các hạt đất bằng các hợp chất pectic và hấp thụ nước mao quản.

Con đường di chuyển của nước trong rễ:

Có hai con đường dẫn nước từ lông gốc đến xylem bên trong gốc, apoplast và symplast.

(i) Con đường Apoplast:

Ở đây nước truyền từ tóc gốc đến xylem qua các bức tường của các tế bào can thiệp mà không vượt qua bất kỳ màng hoặc tế bào chất. Con đường cung cấp khả năng chống chuyển động của nước ít nhất. Tuy nhiên, nó bị gián đoạn bởi sự hiện diện của các dải casparian lignosuberin không thấm nước trong các bức tường của các tế bào nội tiết.

(ii) Con đường Symplast:

Nước đi từ tế bào này sang tế bào khác thông qua nguyên sinh chất của chúng. Nó không đi vào không bào tế bào. Tế bào chất của các tế bào lân cận được kết nối thông qua các cầu gọi là plasmodesmata. Để đi vào symplast, nước phải đi qua plasmalemma (màng tế bào) ít nhất tại một nơi. Nó cũng được gọi là con đường xuyên màng. Chuyển động Symplastic được hỗ trợ bởi dòng tế bào chất của các tế bào riêng lẻ. Đó là, tuy nhiên, chậm hơn so với các phong trào apoplastic.

Cả hai con đường đều tham gia vào phong trào xuyên qua gốc. Nước chảy qua apoplast ở vỏ não. Nó đi vào con đường symplast trong lớp nội mạc nơi các bức tường không thấm nước chảy do sự hiện diện của các dải casparian.

Ở đây, chỉ có plasmodesmata là hữu ích để cho phép nước đi vào ba bánh từ nơi nó đi vào xylem. Các chất dinh dưỡng khoáng cũng có con đường tương tự như nước. Tuy nhiên, sự hấp thụ và truyền vào symplast của chúng chủ yếu xảy ra thông qua sự hấp thụ tích cực. Khi đã ở trong xylem, chuyển động hoàn toàn dọc theo gradient áp suất.

Hấp thụ nước mycorrhizal:

Ở mycorrhiza, một số lượng lớn sợi nấm có liên quan đến rễ non. Các sợi nấm kéo dài đến khoảng cách đủ vào đất. Họ có diện tích bề mặt lớn. Sợi nấm chuyên dùng để hấp thụ cả nước và khoáng chất.

Cả hai được bàn giao cho rễ cung cấp cho nấm cả hai loại đường và hợp chất chứa N. Liên kết mycorrhizal giữa nấm và rễ thường là bắt buộc. Pinus và hạt phong lan không nảy mầm và tự thành cây mà không có hiệp hội mycorrhizal.

Cơ chế hấp thụ nước:

Hấp thụ nước có hai loại, thụ động và chủ động (Renner, 1912, 1915).

1. Hấp thụ nước thụ động:

Lực cho loại hấp thụ nước này bắt nguồn từ các bộ phận trên không của cây do mất nước trong quá trình thoát hơi nước. Điều này tạo ra một sức căng hoặc tiềm năng nước thấp của một số khí quyển trong các kênh xylem. Tạo ra sức căng trong các kênh xylem của nhà máy là rõ ràng từ:

(i) Một áp suất âm thường được tìm thấy trong nhựa xylem. Đó là vì nó mà nước không tràn ra nếu vết cắt được đưa ra để bắn.

(ii) Nước có thể được hấp thụ bằng cách bắn ngay cả khi không có hệ thống rễ.

(iii) Tốc độ hấp thụ nước xấp xỉ bằng tốc độ thoát hơi nước.

Lông rễ có chức năng như hệ thống thẩm thấu nhỏ. Mỗi sợi tóc có một thành tế bào mỏng thấm, một tế bào chất có thể bán được và một tế bào nhựa hoạt động thẩm thấu có trong không bào trung tâm. Bởi vì sau này, một tế bào lông gốc có tiềm năng nước từ -3 đến -8 bar.

Tiềm năng nước của nước trong đất là -.1 đến - .3 bar. Kết quả là nước của đất đi vào tế bào chân tóc. Tuy nhiên, nước không đi vào không bào của nó. Thay vào đó, nó đi vào apoplast và symplast của các tế bào vỏ não, nội tiết và ba bánh và xâm nhập vào các kênh xylem một cách thụ động vì tiềm năng nước rất thấp do căng thẳng trong đó có nước, do sự thoát hơi nước ở các bộ phận trên không. Một dải tiềm năng nước tồn tại giữa các tế bào chân tóc, tế bào vỏ não, các kênh nội tiết, ba bánh và xylem để dòng nước không bị gián đoạn.

2. Hấp thụ nước chủ động:

Đó là sự hấp thụ nước do các lực có trong rễ. Các tế bào sống trong điều kiện trao đổi chất hoạt động là rất cần thiết cho việc này. Bổ sung được biết đến để tăng cường sự hấp thụ nước (thậm chí từ dung dịch ưu trương) trong khi các chất ức chế hô hấp giảm như nhau.

Do đó, năng lượng (từ hô hấp) có liên quan đến sự hấp thụ nước tích cực. Sự hấp thụ nước từ đất và chuyển động bên trong của nó có thể xảy ra do thẩm thấu. Dòng nước từ tế bào sống đến các kênh xylem có thể xảy ra bởi:

(i) Tích lũy đường hoặc muối trong các yếu tố khí quản của xylem do sự bài tiết của các tế bào sống gần đó hoặc để lại ở đó trong quá trình phân hủy của nguyên mẫu.

(ii) Phát triển tiềm năng điện sinh học thuận lợi cho việc di chuyển nước vào các kênh xylary.

(iii) Hoạt động bơm nước của các tế bào sống xung quanh thành các yếu tố khí quản.

Tăng của Sap:

Sap là nước với các thành phần hòa tan (khoáng chất). Sự di chuyển lên của nước từ rễ về phía ngọn của thân và lá của chúng được gọi là nhựa cây. Nó xảy ra thông qua các yếu tố tracheary của xylem. Việc nhựa cây xuất hiện thông qua xylem có thể được chứng minh bằng thử nghiệm vết bẩn và thí nghiệm đổ chuông.

Các lý thuyết về sự đi lên của Sap:

Nước hoặc nhựa cây được nâng từ gần đầu rễ đến đỉnh chồi chống lại lực hấp dẫn, đôi khi đến độ cao 100 mét. Tốc độ dịch chuyển là 25-75 cm / phút (15- 45 m / giờ). Một số lý thuyết đã được đưa ra để giải thích cơ chế đi lên của nhựa cây. Ba lý thuyết chính là lực lượng quan trọng, áp lực gốc và sức căng liên kết.

1. Lý thuyết lực lượng quan trọng:

Một lý thuyết lực lượng quan trọng phổ biến về sự đi lên của nhựa cây đã được đưa ra bởi JC Bose (1923). Nó được gọi là lý thuyết xung. Lý thuyết tin rằng các tế bào vỏ trong cùng của rễ hấp thụ nước từ phía bên ngoài và bơm cùng vào các kênh xylem.

Tuy nhiên, các tế bào sống dường như không liên quan đến sự phát triển của nhựa cây khi nước tiếp tục dâng lên trong cây bị cắt rễ hoặc các tế bào sống của thân cây bị giết bởi chất độc và nhiệt (Boucherie, 1840; Giorgburger, 1891).

2. Lý thuyết áp suất rễ:

Lý thuyết được đưa ra bởi Priestley (1916). Áp lực rễ là một áp lực dương phát triển trong nhựa xylem của rễ của một số cây. Đó là một biểu hiện của sự hấp thụ nước tích cực. Áp lực rễ được quan sát thấy trong các mùa nhất định có lợi cho hoạt động trao đổi chất tối ưu và giảm thoát hơi nước.

Đó là tối đa trong mùa mưa ở các nước nhiệt đới và trong mùa xuân ở môi trường ôn đới. Lượng áp suất rễ thường gặp ở thực vật là 1-2 bar hoặc khí quyển. Các giá trị cao hơn (ví dụ, 5-10 atm) đôi khi cũng được quan sát. Áp lực rễ bị chậm lại hoặc trở nên vắng mặt trong điều kiện đói, nhiệt độ thấp, hạn hán và giảm lượng oxy có sẵn. Có ba quan điểm về cơ chế phát triển áp lực gốc:

(i) Thẩm thấu:

Các yếu tố đau đớn của xylem tích lũy muối và đường. Nồng độ chất tan cao gây ra sự rút nước từ các tế bào xung quanh cũng như từ quá trình hấp thụ nước thông thường. Kết quả là một áp lực dương phát triển trong nhựa của xylem.

(ii) Thẩm thấu điện:

Một tiềm năng điện sinh học tồn tại giữa các kênh xylem và các tế bào xung quanh có lợi cho việc truyền nước vào chúng.

(Iii) Nonosmotic:

Phân biệt các yếu tố xylem tạo ra các hoóc môn có chức năng như các chất trao đổi chất chìm và gây ra sự di chuyển của nước đối với chúng. Các tế bào sống xung quanh xylem có thể chủ động bơm nước vào chúng.

Phản đối lý thuyết áp lực rễ:

(i) Áp lực rễ không được tìm thấy trong tất cả các nhà máy. Không có hoặc ít áp lực rễ đã được nhìn thấy trong thực vật hạt trần có một số cây cao nhất thế giới.

(ii) Áp lực rễ chỉ được nhìn thấy trong những giai đoạn tăng trưởng thuận lợi nhất như mùa xuân hoặc mùa mưa. Tại thời điểm này, nhựa xylem rất mạnh đối với dung dịch đất và tốc độ thoát hơi nước thấp. Vào mùa hè khi nhu cầu nước cao, áp lực rễ thường không có.

(iii) Áp suất rễ quan sát bình thường nhìn chung là thấp, không thể nâng nhựa cây lên ngọn cây.

(iv) Nước tiếp tục tăng lên ngay cả khi không có rễ.

(v) Các cây trồng nhanh chóng không cho thấy bất kỳ áp lực gốc. Thay vào đó, một áp lực tiêu cực được quan sát thấy ở hầu hết các nhà máy.

(vi) Áp suất rễ biến mất trong điều kiện môi trường không thuận lợi trong khi nhựa cây tiếp tục không bị gián đoạn.

(vii) Áp lực rễ thường được quan sát vào ban đêm khi sự thoát hơi nước thấp. Nó có thể hữu ích trong việc thiết lập lại chuỗi nước liên tục trong xylem, thường bị phá vỡ dưới sức căng khổng lồ được tạo ra bởi sự thoát hơi nước.

3. Lý thuyết lực vật lý:

Những lý thuyết này coi các tế bào chết của xylem chịu trách nhiệm cho sự phát triển của nhựa cây. Lý thuyết mao dẫn của Boehm 1863, Lý thuyết thấm nhuần của Unger 1868 và Lý thuyết Căng thẳng-Căng thẳng của Dixon và Joly 1894 là vài lý thuyết vật lý. Nhưng lý thuyết căng thẳng kết dính (còn gọi là lý thuyết kéo căng hơi cố kết) của Dixon và Joly được chấp nhận rộng rãi nhất.

Lý thuyết sức căng liên kết (Lý thuyết sức căng liên kết và thoát hơi):

Lý thuyết được đưa ra bởi Dixon và Joly vào năm 1894. Nó đã được Dixon cải tiến hơn nữa vào năm 1914. Do đó, lý thuyết này cũng được đặt theo tên ông là lý thuyết về sự thăng hoa của Dixon. Ngày nay hầu hết các công nhân đều tin vào lý thuyết này. Các tính năng chính của lý thuyết là:

(a) Cột nước liên tục:

Có một cột nước liên tục từ gốc qua thân và vào lá. Cột nước có mặt trong các yếu tố tracheary. Cái sau hoạt động riêng rẽ nhưng tạo thành một hệ thống liên tục thông qua các khu vực không được đánh dấu của chúng.

Vì có một số lượng lớn các yếu tố tracheary chạy cùng nhau, sự tắc nghẽn của một hoặc một vài trong số chúng không gây ra bất kỳ sự phá vỡ nào trong tính liên tục của cột nước (Scholander, 1957). Cột nước không rơi xuống dưới tác động của trọng lực vì lực thoát hơi cung cấp cả năng lượng và lực kéo cần thiết. Độ bám dính, độ bám dính và sức căng bề mặt giữ cho nước ở đúng vị trí.

(b) Độ bám dính hoặc độ bền kéo:

Các phân tử nước vẫn gắn liền với nhau bởi một lực hấp dẫn lẫn nhau mạnh mẽ gọi là lực kết dính. Sự hấp dẫn lẫn nhau là do các liên kết hydro được hình thành giữa các phân tử nước liền kề. Do lực kết dính, cột nước có thể chịu lực căng hoặc lực kéo lên tới 100 atm (Mac Dougal, 1936). Do đó, lực kết dính còn được gọi là cường độ kéo.

Giá trị lý thuyết của nó là khoảng 15000 atm nhưng giá trị đo được bên trong các phần tử tracheary nằm trong khoảng từ 45 atm đến 207 atm (Dixon và Joly, 1894). Cột nước không tiếp tục phá vỡ kết nối của nó từ các yếu tố khí quản (tàu và khí quản) vì một lực khác gọi là lực bám dính giữa các bức tường và các phân tử nước. Các phân tử nước bị thu hút lẫn nhau hơn các phân tử nước ở trạng thái khí. Nó tạo ra sức căng bề mặt chiếm tỷ lệ mao dẫn cao thông qua tracheids và tàu.

(c) Phát triển sức căng hoặc thoát hơi:

Không gian giữa các tế bào hiện diện giữa các tế bào trung mô của lá luôn được bão hòa với hơi nước. Thứ hai đến từ các bức tường ẩm ướt của các tế bào trung mô. Các không gian nội bào của mesophyll được kết nối với không khí bên ngoài thông qua khí khổng. Không khí bên ngoài hiếm khi bão hòa với hơi nước.

Nó có tiềm năng nước thấp hơn không khí ẩm bên trong lá. Do đó, hơi nước khuếch tán ra khỏi lá. Các tế bào trung mô tiếp tục mất nước vào các khoảng gian bào. Kết quả là độ cong của việc giữ nước tăng lên dẫn đến tăng sức căng bề mặt và giảm tiềm năng nước, đôi khi đến -30 bar.

Các tế bào trung mô rút nước từ các tế bào sâu hơn vì các phân tử của nó được giữ với nhau bằng liên kết hydro. Các tế bào sâu hơn lần lượt lấy nước từ các yếu tố tracheary. Do đó, nước trong các yếu tố khí quản sẽ bị căng thẳng. Một sự căng thẳng tương tự được cảm nhận trong hàng triệu yếu tố tracheary nằm liền kề với các tế bào đang diễn ra. Nó làm cho toàn bộ cột nước của nhà máy bị căng thẳng. Khi sự căng thẳng phát triển do sự thoát hơi nước, nó còn được gọi là sự thoát hơi nước. Do sức căng được tạo ra bởi sự thoát hơi nước, cột nước của nhà máy được kéo lên một cách thụ động từ bên dưới lên đỉnh của cây như một sợi dây.

Bằng chứng:

(i) Tốc độ hấp thụ nước và do đó tăng lên của nhựa theo sát tốc độ thoát hơi nước. Bắn vào ống có nước và nhúng vào cốc có thủy ngân có thể gây ra sự di chuyển của thủy ngân vào ống cho thấy sự thoát hơi nước.

(ii) Trong một nhánh được cắt từ một nhà máy đang hoạt động nhanh, nước chảy ra khỏi đầu bị cắt cho thấy cột nước đang bị căng thẳng.

(iii) Lực căng tối đa quan sát được trong cột nước là 10-20 atm. Nó là đủ để kéo nước lên đỉnh của những cây cao nhất thậm chí cao hơn 130 mét. Lực căng không thể phá vỡ tính liên tục của cột nước vì lực kết dính của xykm sap là 45 đến 207 atm.

(iv) Thực vật hạt trần đang ở thế bất lợi trong sự trỗi dậy của nhựa cây vì sự hiện diện của tracheids thay vì các mạch trong thực vật hạt kín. Tuy nhiên, xylem tracheidal ít bị hấp dẫn dưới sức căng. Do đó, hầu hết các cây cao trên thế giới đều là cây gỗ đỏ và cây lá kim.

Phản đối:

(i) Các khí hòa tan trong nhựa sẽ tạo thành bọt khí dưới sức căng và nhiệt độ cao. Bong bóng khí sẽ phá vỡ tính liên tục của cột nước và ngăn chặn sự phát triển của nhựa do sự thoát hơi nước.

(ii) Độ căng lên tới 100 atm đã được báo cáo trong nhựa xylem bởi Mac Dougal (1936) trong khi lực dính của nhựa có thể thấp tới 45 atm.

(iii) Các vết cắt chồng chéo không dừng lại của nhựa cây mặc dù chúng phá vỡ tính liên tục của cột nước.

Khoáng sản hấp thụ bởi Rễ:

Thực vật có được nguồn cung cấp carbon và phần lớn oxy từ CO ₂ của khí quyển, hydro từ nước trong khi phần còn lại là các khoáng chất được lấy từ đất. Khoáng chất tồn tại trong đất dưới dạng các ion không thể trực tiếp xuyên qua màng tế bào.

Nồng độ của các ion nhiều hơn gấp 100 lần trong rễ so với trong đất. Do đó, tất cả các khoáng chất không thể được hấp thụ thụ động. Sự di chuyển của các ion từ đất đến bên trong gốc là chống lại nồng độ gradient và đòi hỏi một sự vận chuyển tích cực. Bơm ion cụ thể xảy ra trong màng của lông gốc.

Họ bơm các ion khoáng từ đất đến tế bào chất của tế bào biểu bì của lông rễ. Năng lượng được cung cấp bởi ATP. Các chất ức chế hô hấp như cyanide ức chế tổng hợp ATP, thường làm giảm sự hấp thu ion. Số lượng nhỏ đi vào gốc ngay cả khi không có ATP, phải thông qua một kỹ thuật thụ động.

Để vận chuyển tích cực, ATPase có mặt trên màng plasma của tế bào biểu bì gốc. Họ thiết lập một gradient proton điện hóa để cung cấp năng lượng cho sự di chuyển của các ion. Các ion một lần nữa được kiểm tra và vận chuyển vào bên trong bằng các protein vận chuyển có mặt trên các tế bào nội tiết.

Endodermis cho phép các ion đi vào bên trong nhưng không hướng ra ngoài. Nó cũng kiểm soát số lượng và loại ion được truyền vào xylem. Dòng ion đi vào từ epiblema đến xylem nằm dọc theo nồng độ gradient. Bộ sưu tập các ion trong xylem chịu trách nhiệm cho độ dốc tiềm năng nước trong rễ giúp xâm nhập vào nước thẩm thấu cũng như sự di chuyển của nó đến xylem. Trong xylem, các khoáng chất được đưa lên cùng với dòng chảy của dung dịch xylem. Trong lá, các tế bào hấp thụ các khoáng chất chọn lọc thông qua bơm màng.

Sự chuyển vị của các ion khoáng trong nhà máy:

Mặc dù người ta thường coi xylem vận chuyển các chất dinh dưỡng vô cơ trong khi phloem vận chuyển các chất dinh dưỡng hữu cơ, điều tương tự không hoàn toàn chính xác. Trong nhựa xylem, nitơ di chuyển dưới dạng các ion vô cơ, cũng như dạng hữu cơ của axit amin và các hợp chất liên quan.

Một lượng nhỏ P và S được truyền trong xylem dưới dạng hợp chất hữu cơ. Ngoài ra còn có sự trao đổi vật liệu giữa xylem và phloem. Do đó, các nguyên tố khoáng vượt qua xylem ở cả dạng vô cơ và hữu cơ.

Họ đến khu vực bồn rửa của mình, cụ thể là lá non, phát triển hoa, quả và hạt, mô phân sinh đỉnh và bên và các tế bào riêng lẻ để lưu trữ. Khoáng chất được dỡ tại các đầu tĩnh mạch tốt thông qua khuếch tán. Chúng được chọn bởi các tế bào thông qua sự hấp thu tích cực.

Có sự tái tổ hợp các khoáng chất từ ​​các bộ phận senescing cũ. Niken có vai trò nổi bật trong hoạt động này. Lá senescing gửi ra nhiều khoáng chất như nitơ, lưu huỳnh, phốt pho và kali. Các yếu tố kết hợp trong các thành phần cấu trúc, tuy nhiên, không bị tách rời, ví dụ, canxi. Các khoáng chất gợi nhớ trở nên có sẵn cho lá non đang phát triển và các bồn khác.