Водные отношения и транспорт у растений

Растения перемещают огромные объемы воды из почвы в атмосферу, а сахара — из листьев в растущие ткани, используя градиенты водного потенциала и давления, а не насосный механизм.

Definition

Водные отношения растений описывают, как вода движется в растения, через них и из них вдоль градиентов водного потенциала, а транспорт охватывает дальнее перемещение воды в ксилеме и сахаров во флоэме.

Scope

Эта тема охватывает водный потенциал и его компоненты, осмос и тургор, поглощение воды корнями, когезионно-тензионный механизм транспорта в ксилеме, устьичную регуляцию транспирации и флоэмный транспорт сахаров по механизму массового тока под давлением.

Core questions

• Как водный потенциал регулирует движение воды между почвой, растением и воздухом?
• Какой механизм позволяет воде подниматься на вершину высокого дерева?
• Как устьица балансируют между поглощением углерода и потерей воды, и как происходит транслокация сахара во флоэме?

Key theories

Когезионно-тензионная теория

Транспирация в листьях создает натяжение в ксилемном соке; сильная когезия молекул воды и их адгезия к стенкам сосудов передают это натяжение вниз к корням, вытягивая воду вверх.

Модель массового тока флоэмного транспорта

Загрузка сахаров во флоэму в донорных зонах снижает водный потенциал и вызывает приток воды, повышая давление, которое движет массовый ток к акцепторным зонам, где сахара выгружаются, и давление падает.

Mechanisms

Вода пассивно движется в сторону более низкого водного потенциала, который является суммой осмотического (солевого) и тургорного (давления) потенциалов. В корнях вода поступает в ксилему по апопластическому и симпластическому путям, регулируемым пояском Каспари. Транспирация из клеток мезофилла создает отрицательное давление, которое когезионный столб воды передает через ксилему в почву. Устьица, открывающиеся за счет тургора замыкающих клеток, регулируют компромисс между поглощением CO2 и потерей воды. Во флоэме активная загрузка сахаров в донорных зонах повышает тургор и вызывает массовый ток под давлением к акцепторным зонам.

Clinical relevance

Водные отношения определяют засухоустойчивость сельскохозяйственных культур и потребность в орошении: управление транспирацией, поведением устьиц и эффективностью использования воды является центральным для производства продуктов питания в условиях ограниченного водоснабжения и для прогнозирования реакции растений на засушливый климат.

History

Диксон и Джоли предложили когезионно-тензионную теорию подъема сока около 1894 года, а гипотеза массового тока Мюнха в 1920-х годах объяснила флоэмный транспорт; обе теории остаются принятыми концепциями.

Key figures

• Stephen Hales
• Henry Dixon
• Ernst Münch

Seminal works

• taiz2015
• raven2013

Frequently asked questions

Что такое водный потенциал?

Водный потенциал — это мера свободной энергии воды на единицу объема; вода спонтанно движется из областей с более высоким водным потенциалом в области с более низким, а у растений он объединяет концентрацию растворенных веществ и физическое давление.

Почему устьица закрываются во время засухи?

В условиях водного стресса гормон абсцизовая кислота вызывает потерю тургора замыкающих клеток, что приводит к закрытию устьиц для сохранения воды ценой снижения поглощения углекислого газа и фотосинтеза.