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生命活动的调节

 

         生物体生活在复杂多变的环境中,必须使自身各个部分协调配合,才能形成一个统一的整体。例如,植物幼苗的破土而出;在繁殖季节,两只雄羚羊为了一只雌羚羊而相互争斗;跳水运动员优美复杂的动作等,这些都与生物体本身所具有的调节功能有着密切的联系。植物生命活动调节的基本形式是激素调节。人和动物生命活动调节的基本形式包括神经调节和体液调节,其中神经调节的作用处于主导地位。 

         植物的激素调节 

         向日葵幼嫩的花盘为什么会跟着太阳转?室内栽培的植物幼苗为什么会朝着光源的方向生长?为什么许多植物的叶片在秋末会脱落?这些现象都与植物激素的调节作用有关。

 

 

 

         植物的感性运动和向性运动  观察左面的三个图,想一想,引起酢浆草的叶片昼开夜合的外界刺激是什么?引起含羞草的叶片闭合的外界刺激是什么?引起植物向光性生长的外界刺激是什么?这些刺激在方向上有什么不同?植物体受到不定向的外界刺激而引起的局部运动,称为感性运动。例如,含羞草在受到外界刺激后叶片闭合,合欢、酢浆草的叶片在受到光线明暗的刺激后张开或闭合,等等。植物体受到一定方向的外界刺激而引起的局部运动,称为向性运动,如植物幼苗的向光性生长,根的向重力性生长(在重力影响下向下生长),等等。植物的感性和向性运动在植物生活中具有重要的意义。例如,含羞草普遍生长在经常有暴雨的热带,每当大雨来临时,最初落到植株上的几滴雨点,就能够使小叶合拢、叶柄下垂,这样,当雨水猛烈下降时,可以使整个植株免遭伤害;向光性使植物的茎、叶处于最适宜利用光能的位置,有利于接受充足的阳光而进行光合作用;向重力性使植物的根向土壤深处生长,这样,既有利于植株的固定,又有利于从土壤中吸收水和无机盐。可见,感性和向性运动是植物对于外界环境的适应性。 

         植物的感性运动和向性运动的实验设计和观察 

         引起植物的感性运动的原因是多种多样的,而引起植物的向性运动则都与植物体内一种特殊的化学物质——生长素的调节作用有关。 

      生长素的发现  生长素是最早发现的一种植物激素,它是科学家在研究植物向光性的过程中发现的。1880年,达尔文在研究光照对金丝雀虉(yì)(一种单子叶草本植物)胚芽鞘生长的影响时,发现胚芽鞘在受到单侧光照射时,弯向光源生长;如果切去胚芽鞘的尖端,胚芽鞘就不生长、也不弯曲;如果将胚芽鞘的尖端用一个锡箔小帽罩起来,胚芽鞘则直立生长;如果单侧光只照射胚芽鞘的尖端,胚芽鞘仍然弯向光源生长(如图)。根据上述事实,达尔文推想,胚芽鞘的尖端可能会产生某种物质,这种物质在单侧光的照射下,对胚芽鞘下面的部分会产生某种影响。那么,胚芽鞘的尖端是否真的产生了某种物质,这种物质究竟是什么呢?为了解开这些疑问,在达尔文之后,科学家们进行了一系列的研究。

         1928年,荷兰科学家温特在实验中,把切下的胚芽鞘尖端放在琼脂块上,几小时以后,移去胚芽鞘尖端,并将这块琼脂切成小块,放在切去尖端的胚芽鞘切面的一侧,结果发现这个胚芽鞘会向放琼脂的对侧弯曲生长(如图)。如果把没有接触过胚芽鞘尖端的琼脂小块,放在切去尖端的胚芽鞘切面的一侧,结果发现这个胚芽鞘既不生长,也不弯曲。由此说明,胚芽鞘的尖端确实产生了某种物质,这种物质从尖端运输到下部,并且能够促使胚芽鞘下面某些部分的生长。1934年,荷兰科学家郭葛等人从一些植物中分离出了这种物质,经过鉴定,知道它是吲哚乙酸。由于吲哚乙酸具有促进植物生长的功能,因此给它取名为生长素。后来,科学家们又陆续发现赤霉素、细胞分裂素等物质对植物生命活动的调节起着重要作用。像这样一些在植物体内合成的,从产生部位运输到作用部位,并且对植物体的生命活动产生显著的调节作用的微量有机物,就统称为植物激素    

      生长素的产生、分布和运输  在植物体内,生长素主要在叶原基、嫩叶和发育中的种子中产生。成熟的叶片和根尖虽然也产生生长素,但是数量很少。生长素在高等植物体内分布广泛,但大多集中在生长旺盛的部位(如胚芽鞘、芽和根尖的分生组织、形成层、受精后的子房和幼嫩的种子等),而在趋向衰老的组织和器官中则含量较少。生长素在植物体内的运输,主要是从植物体形态学的上端向下端运输,而不能倒转过来运输。    

         生长素的生理作用  科学家们经过长期深入的研究发现,植物之所以能够显示出向光性,是因为在单侧光线的照射下,生长素在背光一侧比向光一侧分布多。这样,背光一侧的细胞纵向伸长生长得快,结果使得茎朝向生长慢的一侧弯曲,也就是朝向光源的一侧弯曲。生长素对植物生长的作用,往往具有两重性。生长素既能促进植物生长,也能抑制生长;既能促进发芽,也能抑制发芽;既能防止落花落果,也能疏花疏果。这种现象与生长素的浓度和植物器官种类等有关。

         一般来说,低浓度的生长素可以促进植物生长,而高浓度的生长素则抑制植物生长。同一株植物的不同器官对不同浓度生长素的反应不一样,例如,对根来说,生长素的最适浓度是10-10mol/L左右;对芽来说,最适浓度是10-8mol/L左右;对茎来说,最适浓度是10-4mol/L左右(如图)

         植物表现出的顶端优势——植物的顶芽优先生长而侧芽受到抑制的现象,就是因为顶芽产生的生长素向下运输,大量地积累在侧芽部位,使侧芽的生长受到抑制的缘故。如果摘掉顶芽,侧芽部位的生长素浓度降低了,侧芽所受到的抑制作用就会解除,不久,侧芽就可以发育成枝条了(如图) 

         生长素在农业生产中的应用  在农业生产中,人们可以根据顶端优势的原理,采取一定的生产技术措施来提高农作物的产量。例如,棉花经过整枝,可以减少叶枝徒长,使果枝得到足够的养分,避免花蕾和棉铃的脱落,从而提高棉花的产量和质量。植物体内产生的生长素的量很少,无法在生产中大规模应用。但是人们能够用化学合成的方法合成一些生长素类似物,由于原料丰富,生产过程简单,效果稳定,因此在农业生产中得到了广泛的推广和应用。常用的生长素类似物有萘乙酸24-D等。生长素类似物在农业生产中的应用,主要有以下几个方面:第一,促进扦插的枝条生根。在进行扦插繁殖的时候,对于不容易生根的植物,可以先用一定浓度的生长素类似物溶液浸泡插枝的下端,然后栽植下去。不久,插枝的下端就长出大量的根来,插枝就容易成活。第二,促进果实发育。科学实验证明,雌蕊受粉以后,在胚珠发育成种子的过程中,发育着的种子里合成了大量的生长素。在这些生长素的作用下,子房发育成果实。根据这个原理,在没有受粉的雌蕊柱头上涂上一定浓度的生长素类似物溶液,子房就能够发育成果实。只是因为胚珠内的卵细胞没有经过受精,所以果实里没有形成种子,这样的果实就是无子果实。农业生产上利用这种方法获得无子果实的有番茄、黄瓜、辣椒等。第三,防止落花落果。例如,农业生产上常用一定浓度的生长素类似物溶液喷洒棉株,这样可以达到保蕾保铃的效果。 

         萘乙酸  萘乙酸性质稳定,价格便宜,在生产上的使用较为广泛。它主要用于促使一些不容易生根的植物插枝生根,防止苹果等果实提前脱落,防止棉花蕾铃脱落,促进瓜类单性结实产生无子果实,促进菠萝开花等。24-D  24-D 在较低浓度时,能够促进植物生长和扦插枝条生根,诱导开花和子房形成无子果实等。当高浓度时,它能够抑制植物生长,甚至还能够杀死双子叶植物。因此,在农业生产上还常常用它作为双子叶植物杂草的除草剂。 

         其他植物激素  除生长素外,目前公认的植物激素还有赤霉素、细胞分裂素、脱落酸和乙烯。在高等植物体内,这五类植物激素都是普遍存在的。 

         赤霉素  赤霉素一般在幼芽、幼根和未成熟的种子中合成。赤霉素的主要作用是促进细胞伸长,从而引起茎杆伸长和植株增高。此外,它还有解除种子、块茎的休眠并促进萌发等作用。 

         细胞分裂素  一般认为细胞分裂素是在根尖合成的。正在进行细胞分裂的部位(如茎尖、根尖、未成熟的和萌发的种子、正在发育的果实),细胞分裂素的含量较高。它的主要作用是促进细胞分裂。此外还有诱导芽的分化、延缓叶片衰老的作用。 

         脱落酸  脱落酸在根冠和萎蔫的叶片中合成得较多,在种子和茎等处也可以合成。在将要脱落的和进入休眠期的器官和组织中含量比较多。脱落酸是植物体内最重要的生长抑制剂,它能够抑制植物细胞的分裂和种子的萌发,还能促进叶和果实的衰老和脱落。 

         乙烯  一般情况下,乙烯是一种气体激素。植物体的各个部位都能产生乙烯。它广泛存在于植物体的多种组织中,特别是在成熟的果实中含量比较多。它的主要作用是促进果实成熟。此外,还有促使器官脱落的作用。  在一箱未成熟的梨中,放入一个成熟的苹果,结果这箱梨很快就成熟了。这是为什么?参考答案 

         植物激素间的相互作用  上述五大类植物激素的基本生理作用,大致可以分为两个方面:促进植物的生长发育和抑制植物的生长发育。促进作用表现在促进细胞分裂和伸长,促进植物的生长、发芽、开花、结果和催熟等。抑制作用表现在抑制植物的节间伸长和侧芽生长,以及促进落叶、落果等。不同种类的植物激素大都同时存在于同一株植物体内,因此,植物的生长发育过程,不是受单一激素的调节,而是由多种激素相互协调、共同调节的。例如,科学家在对黄化豌豆幼苗切段的实验研究中发现,低浓度的生长素促进豌豆幼苗切段的细胞伸长;如果将生长素的浓度增高到一定值时,就会促进切段中乙烯的合成,而乙烯则使切段的细胞发生横向扩大(如图)。切段中乙烯含量的增高,反过来又抑制了生长素对切段细胞的伸长作用,从而使切段膨大变粗。这说明高浓度的生长素对乙烯的合成有促进作用,而乙烯对生长素则有抑制作用,生长素与乙烯通过相互作用,共同调节细胞的生长。 

           一、填充题下图示三盆燕麦幼苗。AC盆中是正常幼苗,B盆中是切去胚芽鞘尖端的幼苗。将AB盆分别放在缓慢匀速旋转的圆盘上,将C盆放在不旋转的圆盘上,三盆都有单侧光照射。几天后,A盆的幼苗______生长;B盆的幼苗______生长;C盆的幼苗______生长。

         二、判断题1.植物的向光性生长是由于阳光的照射而引起的。(    )2.用生长素类似物溶液浸泡不容易生根的枝条下端,就可以使它长出大量的根来。(    )3.生长素大多集中在植物体生长旺盛的部位,而在趋向衰老的组织中则没有。(    )三、选择题1.扦插时,保留有芽和幼叶的插枝比较容易生根成活,这是因为芽和幼叶具有以下特点[    ]A.能迅速生长;B.能进行光合作用;C.能产生生长素;D.储存着较多的有机物。2.通过人工方法获得无子果实的措施是[    ]A.在受粉后的雌蕊柱头上涂上生长素类似物溶液;B.在未受粉的雌蕊柱头上涂上生长素类似物溶液;C.在未受粉的雌蕊柱头上涂上一定浓度的生长素类似物溶液;D.在未受粉的雌蕊柱头上涂上高浓度的生长素类似物溶液。3.能够抑制植物生长发育的植物激素是[    ]A.赤霉素;B.乙烯;C.细胞分裂素;D.脱落酸。四、简答题1.为什么说植物的向性运动是植物对于外界环境的适应性?请举例说明。2.对一把未成熟的香蕉,用什么办法才能使香蕉尽快成熟?请说出道理来。参考答案 

         植物激素与向性 

           观察萘乙酸对植物生长发育的作用  取两个洁净的烧杯,一个烧杯中放入萘乙酸的质量分数为0.001%的溶液,另一个烧杯中放入等量的清水。将剪好的等粗、等长、发育良好的葡萄枝条的下端分别浸入到上述的萘乙酸溶液和清水中,每个烧杯中放3个~5个枝条。浸泡24h后取出枝条,分别将它们扦插在装有细沙的较深的小花盆中,注意保持室温和湿度。定期观察并记录两组枝条所发生的变化。根据观察到的现象,分析萘乙酸对植物的生长发育有什么作用。