Quan hệ nước và vận chuyển ở thực vật

Thực vật di chuyển một lượng lớn nước từ đất lên khí quyển và đường từ lá đến các mô đang phát triển, sử dụng gradient thế nước và áp suất thay vì một bơm đập.

Definition

Quan hệ nước ở thực vật mô tả cách nước di chuyển vào, qua và ra khỏi thực vật dọc theo gradient thế nước, và vận chuyển bao gồm sự di chuyển đường dài của nước trong mạch gỗ và đường trong mạch rây.

Scope

Chủ đề này bao gồm thế nước và các thành phần của nó, thẩm thấu và sức trương, sự hấp thu nước của rễ, cơ chế lực hút-lực căng của vận chuyển trong mạch gỗ, điều hòa thoát hơi nước qua khí khổng, và sự vận chuyển đường trong mạch rây theo dòng chảy áp suất.

Core questions

• Thế nước chi phối sự di chuyển của nước giữa đất, thực vật và không khí như thế nào?
• Cơ chế nào cho phép nước được kéo lên đỉnh của một cây cao?
• Khí khổng cân bằng giữa việc thu nhận carbon và mất nước như thế nào, và đường được vận chuyển trong mạch rây ra sao?

Key theories

Thuyết lực hút-lực căng

Sự thoát hơi nước ở lá tạo ra sức căng trong nhựa mạch gỗ; sự gắn kết mạnh mẽ của các phân tử nước và sự bám dính của chúng vào thành mạch truyền sức căng này xuống rễ, kéo nước lên trên.

Mô hình dòng chảy áp suất của vận chuyển trong mạch rây

Việc tải đường vào mạch rây tại các nguồn làm giảm thế nước và hút nước vào, làm tăng áp suất thúc đẩy dòng chảy khối về phía các bồn chứa, nơi đường được dỡ xuống và áp suất giảm.

Mechanisms

Nước di chuyển thụ động về phía thế nước thấp hơn, tổng của thế chất tan (thẩm thấu) và thế áp suất (sức trương). Ở rễ, nước đi vào mạch gỗ qua các con đường ngoại bào (apoplastic) và nội bào (symplastic) được điều hòa bởi đai Caspary. Sự thoát hơi nước từ các tế bào thịt lá tạo ra áp suất âm mà cột nước gắn kết truyền qua mạch gỗ đến đất. Khí khổng, được mở bởi sức trương của tế bào bảo vệ, điều hòa sự đánh đổi giữa hấp thu CO2 và mất nước. Trong mạch rây, sự tải đường chủ động tại các nguồn làm tăng sức trương và thúc đẩy dòng chảy khối theo áp suất đến các bồn chứa.

Clinical relevance

Quan hệ nước chi phối khả năng chịu hạn và nhu cầu tưới tiêu của cây trồng: quản lý sự thoát hơi nước, hành vi khí khổng và hiệu quả sử dụng nước là trọng tâm để sản xuất lương thực trong điều kiện nước hạn chế và để dự đoán phản ứng của thực vật với khí hậu khô hạn.

History

Dixon và Joly đã đề xuất thuyết lực hút-lực căng về sự đi lên của nhựa cây vào khoảng năm 1894, và giả thuyết dòng chảy áp suất của Münch vào những năm 1920 đã giải thích sự vận chuyển trong mạch rây; cả hai vẫn là những khuôn khổ được chấp nhận.

Key figures

• Stephen Hales
• Henry Dixon
• Ernst Münch

Seminal works

• taiz2015
• raven2013

Frequently asked questions

Thế nước là gì?

Thế nước là thước đo năng lượng tự do của nước trên một đơn vị thể tích; nước di chuyển tự phát từ vùng có thế nước cao hơn đến vùng có thế nước thấp hơn, và ở thực vật nó kết hợp nồng độ chất tan và áp suất vật lý.

Tại sao khí khổng đóng lại khi hạn hán?

Trong điều kiện căng thẳng nước, hormone axit abscisic kích hoạt sự mất sức trương của tế bào bảo vệ, làm đóng khí khổng để bảo tồn nước với cái giá là giảm hấp thu carbon dioxide và quang hợp.