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      植物學基礎

      作者:生命科學事業部時間:2020-01-05 15:56:18瀏覽484 次

      信息摘要:

      《植物學基礎》主要介紹植物細胞、組織、器官的形態結構和生理功能、植物分類的基礎知識、植物界的基本類群以及草本植物主要科、屬的形態特征;下篇為植物生理學部分,主要介紹植物的生命活動規律及其與環境條件的關系,包括植物的新陳代謝、生長發育和生態生理等內容。

      植物細胞

      原核生物和真核生物的結構和功能的基本單位。除病毒外,一切生物均由細胞構成,根據細胞內核結構分化程度的不同,細胞可以分為原核細胞和真核細胞兩大類型?;芯勘砻?,大約在35億年前地球就已出現了原核細胞,大約在12~14億年前才出現真核細胞。
          細胞的形狀和大小隨生物的種類而不同,即使同一生物不同部位細胞的形態也不相同。單獨存在的游離細胞常呈球形或近似球形,但由于細胞表面張力或原生質粘度及其不均勻性,細胞的外形有時也會發生變化。構成組織的細胞受相鄰細胞之間機械力和方向性的制約,往往呈現出不同的形態。一般說來,細胞形態與其生理功能密切相關。不同種類的細胞大小懸殊,細菌細胞一般直徑為0.5~1.5微米,長1~5微米,種子植物的幼嫩細胞直徑約為5~25微米,成熟細胞直徑均為15~65微米。高等動物的組織細胞通常比植物細胞小,但卵細胞一般都較大,有的神經細胞的突起可長達1米以上。最小的細胞為支原體細胞,直徑只有0.1微米。單細胞生物由一個細胞組成。多細胞生物體的細胞數目差別很大。人出生時約有百萬億個細胞;成人約有10×16即1600萬億個細胞,近百種類型。盡管生物細胞類型多樣,卻具有大致相同的基本結構。細胞核由核膜、核質、核仁和染色質組成。細胞質中未分化的半透明膠態溶液稱為基質;具有特殊功能的各種微細結構稱為細胞器,如線粒體、質體、內質網、核糖體、高爾基體、溶酶體、中心體、微管、微絲,以及鞭毛和纖毛等;細胞質內常含有許多代謝產物形成的顆粒,如淀粉粒、糊粉粒、脂肪滴、糖原粒等,統稱后成質。細胞是生命活動的單位,一些生命活動的基本過程,如物質代謝、能量轉換、運動、發育、繁殖和遺傳等,都是以細胞為結構基礎來實現的。

       

      植物細胞壁
      植物細胞的質膜外圍,由細胞分泌物形成的一層厚而復雜的結構,成熟植物細胞的細胞壁分為3層:中層、初生壁和次生壁。新生細胞的細胞壁極薄,只有中層,主要成分為果膠酸鈣和果膠酸鎂。隨著細胞的生長,在中層與原生質體之間,由原生質合成通過質膜分泌出來的半纖維素和纖維素等物質,形成一薄層初生壁,纖維素分子是由許多纖維素纖維絲組成的,纖維素分子之間有些<U>纖維絲通過半乳糖醛酸-鼠李聚糖、阿拉伯半乳聚糖和木葡聚糖形成的橋鍵</U>,彼此結合在一起,形成富有彈性的網狀結構,使初生壁不會限制細胞的繼續生長。在細胞繼續生長過程中,細胞繼續分泌,最終在成熟細胞初生壁內側又沉積一層較厚的纖維素結構,即次生壁。次生壁纖維素的纖維絲合并成粗線狀,并在壁內作螺旋狀環繞,故次生壁堅韌而無伸縮性,起著保護和支持細胞的作用。<U>植物表皮細胞外側面的細胞壁外,還有成層的角質層和蠟質,所以它不同于肉類細胞。肉塊不可以站立,而植物干可以站立。</U>活細胞的細胞壁能因其他物質的積累而變質,如稻麥莖細胞的細胞壁內含硅酸鹽,能抗倒伏。原核細胞的細胞壁是由單糖、氨基糖、氨基酸和脂質構成的,具有保護作用。有的細菌的細胞壁外還分泌形成多糖莢膜。各種細菌的細胞壁或莢膜有特異性,能引起免疫反應。

      植物細胞膜
      細胞原生質體外表面極薄的一層膜結構,亦稱為原生質膜或質膜。質膜主要由脂類和蛋白質組成,還有少量的多糖和微量的核酸。脂類主要是磷脂,還有糖脂和類固醇等,蛋白質的種類多樣。經氧化鋨等固定的質膜切片,在電鏡下觀察為3層結構,其厚度平均為7.5毫微米。一般認為,質膜的中層為磷脂雙分子層;內側和外側是磷脂親水部分與蛋白質的結合層;某些蛋白分子鑲嵌或橫跨磷脂雙分子層。質膜是細胞和周圍環境之間的界膜,對細胞內原生質起著保護作用。質膜對物質的通透有高度選擇性,控制著細胞和周圍環境之間的物質交換。<U>質膜外表面常含有抗原功能的糖蛋白,使細胞具有特異性并能夠互相識別,質膜上的特殊受體分子能夠接受外界信息,引起細胞內一系列代謝和功能的改變,以調節細胞的生命活動。</U>質膜及其各種特化結構,如動物細胞的橋粒和植物細胞的胞間連絲等,使細胞之間聯結起來,從而加強細胞間的機械聚合或對細胞間的物質交換起重要作用細胞膜的結構與功能。

      植物細胞分化
      由一個細胞分裂而產生的許多細胞,在其繼續生長的過程中,結構和功能上發生專一化,使細胞產生穩定的新特征的過程。高等生物一般都從一個受精卵開始發育,經多次細胞分裂與分化,產生出各種不同的特殊結構和專一功能的細胞。例如,植物體中的木纖維、韌皮纖維等。細胞分化的結果,形成了不同的組織。不同組織中的細胞,結構和功能雖然不相同,但都是由同一個細胞,經過分裂與分化而來。已分化的細胞,其基因組并未改變,并無遺傳信息的增減,仍具有發育的全能性。一般認為,細胞分化是細胞中遺傳信息有選擇地表達的結果。

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      植物組織

      植物分生組織

      植物體上能連續或周期性的進行細胞分裂的組織。由這種組織產生的新細胞,經生長和分化形成各種組織。而其本身始終保持著分裂能力。組成分生組織的細胞,在形態上比較典型的是細胞較小,等徑的多面體,細胞壁薄,細胞核相對地較大,細胞質較稠密,有少量小的液泡。根據分生組織在植物體內的位置,可分為頂端分生組織(如根、莖的頂端)。側生分生組織(如維管形成層、木栓形成層)和居間分生組織(如單子葉植物莖的節間和葉的基部)。就起源而言,又可分為原分生組織、初生分生組織和次生分生組織。原分生組織位于胚芽、胚根的頂端。在種子萌發后,胚長成幼苗,繼而長成植株,全憑原分生組織的活動,直接或間接由它衍生的細胞形成。成長的植株受到創傷,或植物的局部器官、組織、細胞,在一定條件下離體培養,已分化的活細胞被誘導,可能通過回復變化形成分生組織,并由它進一步形成愈傷組織、器官,甚至于形成植株。
       
      植物保護組織
      植物體表面起保護作用的組織。它由一層或數層細胞構成,有防止水分過度蒸騰、抵抗外界風雨和病蟲侵害的作用。根據其來源和形態的不同,又分為初生保護組織(如表皮)和次生保護組織(如木栓層)。植物地上部分的表皮,細胞排列緊密,外壁較厚且角質化,形成角質層,但能使光線透過,達到下面的組織。有的表皮角質層外面還覆蓋著蠟質,如甘蔗、高粱的莖稈外表有“白霜”狀的蠟被,有利于減少水分蒸騰。表皮上有氣孔的分化,溝通體內外的氣體交換。木本植物莖的表皮,通常只生存幾周或幾個月,以后就脫落了。此時,表皮下已形成木栓層,代替表皮起保護作用。木栓層是由多層細胞構成的,細胞排列整齊,細胞壁栓質化,成熟后死亡,細胞腔內充滿空氣,沒有細胞間隙,水和氣體都不能透過。

      營養組織
      亦稱薄壁組織、基本組織。是構成植物體的最基本的一種組織。其細胞具有生活的原生質,細胞壁一般較薄,形態結構和生理功能很少特化,而在發育上可塑性較大。這種組織是構成植物體的基本部分,其他各種組織或被埋藏在這種組織中,或包被在它外面,它們是植物進行吸收、同化、呼吸、貯藏等生命活動的基地。根據不同的營養作用,它們又可分為不同的種類,如同化組織(能進行光合作用的薄壁組織,細胞內具葉綠體,如葉肉)、貯藏組織(細胞內貯藏豐富營養物質的薄壁組織,如果實、種子內)、通氣組織(水生植物或濕生植物常具有這種組織,它們的細胞間隙特別發達,形成大的氣腔或貫通為氣道)、貯水組織(耐旱多漿的仙人掌類植物普遍存在,這種組織的細胞壁薄,有很大的液泡,里面充滿水分,而柵欄組織</U>是指位于葉肉內靠近上表皮的同化組織,由含葉綠體的薄壁細胞所組成海綿組織是位于葉肉內靠近下表皮的同化組織,由含葉綠體的薄壁細胞所組成。

      植物薄壁組織
      一群活的、初生壁較薄的細胞(薄壁細胞)組成的基本組織。形狀一般為直徑近乎相等的多面體。薄壁組織細胞具有潛在的分裂能力,細胞間多具發達的細胞間隙。在一定的外界因素刺激下,它們可以再生,使植物的創傷愈合或形成不定根、不定芽等。在離體培養的條件下,分離的薄壁組織細胞團,甚至單個細胞,經培養能長成一棵完整的植株,因而在發育上它們具有較大的可塑性。薄壁組織占植物體的大部分,如根、莖的皮層和髓部,葉肉和花的各部分,以及許多果實的果肉、種子的胚乳等。薄壁組織具有同化、貯藏、通氣和吸收等重要的生理功能。依據其功能的不同,可分為6種類型:
      (1)基本薄壁組織。多位于根、莖等器官的內部,如皮層、髓等,細胞無色,橫切面呈圓球形或多角形,幾乎等徑。胞內具生活的細胞質和細胞核,是營養性的生活細胞,在植物體中起填充作用。
      (2)同化薄壁組織。多存在于植物體表易受光的部位。其特點是細胞內含葉綠體。在葉肉、幼莖的皮層、果實的外部常見,可進行光合作用.
      (3)貯藏薄壁組織。主要分布在根、莖、種子、果實等器官中,細胞中含許多特殊的后含物,如淀粉粒、蛋白質顆粒、擬晶體、脂肪球、油滴等。
      (4) 主要功能貯藏水分。它的細胞具有一個富含水分或粘性汁液的大液泡,因而使細胞質、細胞核呈一薄層緊貼細胞壁。許多旱生肉質植物,如仙人掌、龍舌蘭等都這種組織。
      (5)通氣薄壁組織。該組織的細胞間隙發達,以保證空氣流通。葉肉中的海綿組織和水生植物的根、莖的皮層內通氣薄壁組織最為典型,尤以水生植物最發達,在體內可形成一個通氣系統。這是長期適應和進化的結果,可使體內貯存生活所需的氣體,增強浮力和支持力。
      (6)吸收薄壁組織。具有吸收和傳導植物體內各種溶液的作用,如根尖附近的薄壁組織及根毛,都有強烈的吸收傳導作用。

      植物器官

      多細胞生物體內,由多種不同組織,按一定次序聯合構成的結構單位。具有一定的形態特征,能行使一定的生理功能。植物體內有維持個體生存的營養器官,如根(有固著、吸收、輸導、貯藏的功能)、莖(有輸導、支持、貯藏、繁殖的功能)、葉(有進行光合作用、蒸騰作用、氣體交換的功能)。還有繁衍后代、維持種族生存的生殖器官,如花、果實和種子。
      生殖器官
      植物進行生殖過程,繁殖個體的多細胞結構的通稱。主要是指產生生殖細胞的器官,如被子植物花里的雄蕊和雌蕊。一般把與繁衍后代、延續種族有關的器官,都稱為生殖器官。植物的花、果實和種子就是生殖器官。苔蘚植物、蕨類植物配子體上的頸卵器、精子器等,亦有生殖器官之稱。

      植物營養器官
      維持植物個體生存的器官。它是構成植物體的基本器官,與植物進行吸收、同化、運輸、貯藏等有關營養的生理活動有關。例如,根、莖、葉都是營養器官。根除能起固著植物體的作用外,還具有吸收水分和無機鹽的功能;有輸導功能和貯藏營養物質的功能。莖有輸導、支持、繁殖、貯藏的功能。葉具有進行光合作用、蒸騰作用等功能。
      導管
         植物體內木質部中主要輸導水分和無機鹽的管狀結構。為一串高度特化的管狀細胞所組成,其細胞端壁由穿孔相互銜接,其中每一細胞稱為一個導管分子或導管節。導管分子在發育初期是生活的細胞,成熟后,原生質體解體,細胞死亡。在成熟過程中,細胞壁木質化并具有環紋、螺紋、梯紋、網紋和孔紋等不同形式的次生加厚。在兩個相鄰導管分子之間的端壁,溶解后形成穿孔板。在被子植物中,除少數科屬(如昆蘭屬、水青樹屬)外,均有導管;導管也存在于某些蕨類(如卷柏、歐洲蕨)和裸子植物的買麻藤目中。

      植物的輸導組織
      植物體中運送物質到各器官的組織。是植物體中最復雜的系統。輸導組織一般分為木質部與韌皮部,這二者又合稱為維管組織。輸導組織的細胞一般呈管狀,上下連接,貫穿于整個植物體內。木質部是一種復合組織,主要由導管或管胞,以及木纖維、薄壁細胞等組成。輸導水分和無機鹽主要通過導管或管胞。在某種狀態下,木質部也可能有輸導營養物質的作用。韌皮部也是一種復合組織,主要由篩管或篩胞以及韌皮纖維、薄壁細胞所組成。一般通過篩管或篩胞輸送營養物質和生長激素等。過去認為各種乳汁管和乳汁細胞也是一種輸導組織,現在則認為它們是一種分泌結構。

      植物的篩管
      植物韌皮部內輸導有機養料,如糖、蛋白質等的管狀結構。它是由一系列有生命的篩管分子頂端相互銜接而成。每個篩管分子為長形的薄壁細胞,成熟后細胞核消失。在篩管分子間連接的橫壁上有許多小孔,呈篩狀,叫做篩孔。橫壁上具篩孔的區域,稱為篩域。相鄰細胞的原生質體借孔內的原生質絲相互連通,以此溝通了篩管分子間的營養物質運輸。篩域在篩管分子的側壁上往往亦存在。橫壁上的篩域常有一定程度的特化,篩孔的孔徑較大,聯絡索較粗的篩域,稱作篩板。如僅有一個篩域的稱為單篩板,由幾個篩域組成的稱為復篩板。幼小篩管的原生質體與其它薄壁細胞類似,有細胞質、細胞核和各種細胞器。成熟后才發生顯著變化,細胞核解體。有時核仁移至細胞質中,液泡膜消失,細胞液與細胞質融合。一般篩管生活不到一年就失去功能,這時由新形成的篩管所代替。但有的植物不同,如王棕莖基部的篩管其功能可長達100年。一般篩管分子旁邊有一個或幾個伴胞,它與篩管相伴生,在發育上與篩管分子來自同一個母細胞,在生理功能上與篩管也密切有關。篩管分子與其相鄰的伴胞由許多胞間連絲相連,都與運輸營養物質有關。


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