ความสัมพันธ์และการลำเลียงน้ำในพืช

พืชเคลื่อนย้ายน้ำปริมาณมหาศาลจากดินสู่บรรยากาศ และน้ำตาลจากใบสู่เนื้อเยื่อที่กำลังเจริญเติบโต โดยอาศัยความแตกต่างของศักย์น้ำและความดัน แทนที่จะใช้ปั๊มที่เต้นเป็นจังหวะ

Definition

ความสัมพันธ์ของน้ำในพืชอธิบายถึงการเคลื่อนที่ของน้ำเข้าสู่ ผ่าน และออกจากพืชตามความแตกต่างของศักย์น้ำ และการลำเลียงครอบคลุมถึงการเคลื่อนที่ระยะไกลของน้ำในไซเล็มและน้ำตาลในโฟลเอ็ม

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงศักย์น้ำและองค์ประกอบของศักย์น้ำ ออสโมซิสและแรงดันเต่ง การดูดซึมน้ำโดยราก กลไกการลำเลียงน้ำในไซเล็มแบบแรงดึงจากการเชื่อมแน่น การควบคุมการคายน้ำโดยปากใบ และการลำเลียงน้ำตาลในโฟลเอ็มแบบการไหลด้วยความดัน

Core questions

• ศักย์น้ำควบคุมการเคลื่อนที่ของน้ำระหว่างดิน พืช และอากาศได้อย่างไร?
• กลไกใดที่ทำให้น้ำถูกดึงขึ้นสู่ยอดของต้นไม้สูงได้?
• ปากใบปรับสมดุลระหว่างการได้รับคาร์บอนกับการสูญเสียน้ำได้อย่างไร และน้ำตาลถูกลำเลียงในโฟลเอ็มได้อย่างไร?

Key theories

ทฤษฎีแรงดึงจากการเชื่อมแน่น (Cohesion–tension theory)

การคายน้ำที่ใบทำให้ท่อน้ำเลี้ยงในไซเล็มเกิดแรงดึง การเชื่อมแน่นที่แข็งแรงของโมเลกุลน้ำและการยึดเกาะกับผนังท่อจะส่งผ่านแรงดึงนี้ลงไปยังราก ทำให้ดึงน้ำขึ้นไปด้านบน

แบบจำลองการไหลด้วยความดันของการลำเลียงในโฟลเอ็ม (Pressure-flow model of phloem transport)

การลำเลียงน้ำตาลเข้าสู่โฟลเอ็มที่แหล่งสร้างจะลดศักย์น้ำและดึงน้ำเข้ามา ทำให้ความดันเพิ่มขึ้น ซึ่งขับเคลื่อนการไหลแบบรวมไปยังแหล่งรับ ที่ซึ่งน้ำตาลจะถูกขนถ่ายออกไปและความดันลดลง

Mechanisms

น้ำจะเคลื่อนที่แบบพาสซีฟไปยังบริเวณที่มีศักย์น้ำต่ำกว่า ซึ่งเป็นผลรวมของศักย์ของตัวถูกละลาย (ออสโมติก) และศักย์ความดัน (แรงดันเต่ง) ในราก น้ำจะเคลื่อนที่เข้าสู่ไซเล็มผ่านทางเดินอะโพพลาสต์และซิมพลาสต์ ซึ่งถูกควบคุมโดยแถบแคสพาเรียน การคายน้ำจากเซลล์มีโซฟิลล์สร้างแรงดันลบที่คอลัมน์น้ำที่เชื่อมแน่นกันจะส่งผ่านไซเล็มลงสู่ดิน ปากใบที่เปิดออกโดยแรงดันเต่งของเซลล์คุม จะควบคุมความสมดุลระหว่างการดูดซับ CO2 และการสูญเสียน้ำ ในโฟลเอ็ม การลำเลียงน้ำตาลเข้าสู่โฟลเอ็มที่แหล่งสร้าง (source) จะเพิ่มแรงดันเต่งและขับเคลื่อนการไหลแบบรวม (bulk flow) ด้วยความดันไปยังแหล่งรับ (sink)

Clinical relevance

ความสัมพันธ์ของน้ำควบคุมความทนทานต่อความแห้งแล้งของพืชผลและความต้องการน้ำเพื่อการชลประทาน การจัดการการคายน้ำ พฤติกรรมของปากใบ และประสิทธิภาพการใช้น้ำเป็นสิ่งสำคัญในการผลิตอาหารภายใต้ข้อจำกัดของน้ำ และในการทำนายการตอบสนองของพืชต่อสภาพอากาศที่แห้งแล้ง

History

ดิกซันและโจลีได้เสนอทฤษฎีแรงดึงจากการเชื่อมแน่นของการลำเลียงน้ำเลี้ยงขึ้นสู่ยอดประมาณปี 1894 และสมมติฐานการไหลด้วยความดันของมุนช์ในช่วงทศวรรษ 1920 ได้อธิบายการลำเลียงในโฟลเอ็ม ทั้งสองทฤษฎียังคงเป็นกรอบแนวคิดที่ได้รับการยอมรับ

Key figures

• Stephen Hales
• Henry Dixon
• Ernst Münch

Seminal works

• taiz2015
• raven2013

Frequently asked questions

ศักย์น้ำคืออะไร?

ศักย์น้ำคือการวัดพลังงานอิสระของน้ำต่อหน่วยปริมาตร น้ำจะเคลื่อนที่เองจากบริเวณที่มีศักย์น้ำสูงกว่าไปยังบริเวณที่มีศักย์น้ำต่ำกว่า และในพืช ศักย์น้ำจะรวมความเข้มข้นของตัวถูกละลายและความดันทางกายภาพเข้าไว้ด้วยกัน

ทำไมปากใบจึงปิดในระหว่างที่เกิดความแห้งแล้ง?

ภายใต้ภาวะเครียดจากน้ำ ฮอร์โมนกรดแอบไซซิกจะกระตุ้นการสูญเสียแรงดันเต่งของเซลล์คุม ทำให้ปากใบปิดเพื่อรักษาน้ำไว้ แต่ต้องแลกมาด้วยการลดการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์และการสังเคราะห์ด้วยแสง