Роль углеводов и жиров в повышении морозоустойчивости растений

Роль углеводов и жиров в повышении морозоустойчивости растений

Олимпиадная работа

по биологии

на тему: "Роль углеводов и жиров

в повышении морозоустойчивости

клеток и тканей растений"

Выполнил:

ученик 11 класса

Галанов Николай

2000 год

Содержание

I. Цель

работы......................................................................

............................. стр 3

II. Особенности теплолюбивых и холодолюбивых растений......................

стр 4

III. Биосинтез углеводов в зелёных

растениях.............................................. стр 7

Роль углеводов в повышении морозоустойчивости растений...............

стр 9

IV. Биосинтез

липидов.....................................................................

................ стр10

Механизм защитного действия

жиров..................................................... стр11

V. Опыты и наблюдения:

.........................................................................

... стр12

1. Опыт № 1 "Много ли питательных веществ

в опавших листьях?"

..................................................... стр12

2. Опыт № 2 "Судьба запасённого

крахмала"..................................... стр12

3. Опыт № 3 "Повышение морозоустойчивости растений"............... стр14

4. Пояснение к опыту №

3.....................................................................

стр15

VI.Общий вывод по проделанной

работе.................................................... стр16

VII. Список использованной

литературы.....................................................стр18

VIII. Приложение:

Рис. 1. Последовательное "разъедание"

крахмального зерна ферментом

амилазой...................................... стр19

Цель работы.

1. Подобрать и изучить материал в научной литературе по проблеме биосинтеза

углеводов, липидов, их роли жизни растений.

2. Изучить материал по роли углеводов, липидов в повышении

морозоустойчивости растений.

3. Изучить материал о возможностях перехода углеводов в энергию, механизме

защитного действия жиров клеток и тканей растений от низких температур.

4. Провести наблюдения и опыты, подтверждающие переход крахмала в

растворимые сахара, оттекающие из листьев в запасающие органы растений.

5. На опыте проследить колебание содержания крахмала в древесине за период

осень-зима-весна у некоторых лиственных и хвойных пород деревьев.

6. Провести опыт по искусственному увеличению морозостойкости клеток и

тканей корнеплода свёклы столовой, используя растворы сахарозы разной

концентрации.

7. На основе материалов и фактических данных сформулировать общий вывод по

данной теме.

Особенности теплолюбивых и холодолюбивых растений.

По отношению к температуре как к экологическому фактору различают 2

группы растений: теплолюбивые (термофилы) и холодолюбивые (психрофилы).

Теплолюбивыми называются растения, которые хорошо растут и развиваются в

условиях высоких температур, холодолюбивые - растения, способные расти в

условиях довольно низких температур.

Настоящими термофилами являются растения - выходцы из тропических

районов. Они совсем не переносят низких температур и гибнут уже при 0єС.

При наступлении холодов термофилы начинают болеть, а если охлаждение

продолжительно, то могут погибнуть даже без физического замораживания.

Причиной гибели в этих случаях обычно являются нарушения в обмене веществ.

Оказывается, что при действии холода на теплолюбивые растения

физиологические процессы в них подавляются неодинаково. В результате

образуются несвойственные растениям продукты, в том числе и вредные для

организма вещества, которые постепенно отравляют растение и приводят его к

гибели. Эта точка зрения на "простуду" теплолюбивых растений и их гибель,

установившаяся давно, широко принята и в настоящее время.

Однако у большинства термофилов уже при температуре +40єС

наблюдаются признаки угнетения, а при 45+...+50єС многие погибают. Гибель

растений при высоких температурах во многом объясняется отравляющим

действием аммиака, который накапливается в тканях растений при распаде

белков и аминокислот, а также действием других веществ типа токсинов,

отравляющих цитоплазму. При температуре от +50єС и выше к этому

отравляющему действию присоединяется свёртывание цитоплазмы, что ускоряет

процесс отмирания. У жаростойких же растений лучше проявляется способность

накапливать органические кислоты, которые связывают аммиак, делая его

неопасным для растений.

Морозостойкость - это свойство организмов, тесно связанное с их

физиологическим состоянием, которое, в свою очередь, обусловлено условиями

жизни, особенно сезонным ритмом температурного режима.

Морозоустойчивость растений объясняется рядом особенностей. По мнению

большинства ученых, она связана, во-первых, с происхождением вида.

Например, выходцы с Востока обычно более морозостойки, чем западные виды.

Особенно чувствительны к морозы виды южного происхождения. При этом следует

учитывать характер местообитаний, выходцами из которых растения являются.

Известно, что растения равнинных мест зоны тропических лесов и жарких

пустынь совершенно неморозостойки, а растения высокогорной той же

тропической зоны проявляют высокую способность к холодостойкости.

Другой очень важной особенностью, обеспечивающей морозостойкость

растений, является их способность проходить закаливание. Под закаливаением

понимают приобретение растениями свойств зимостойкости[1] под влиянием

комплекса внешних условий. При этом происходят изменения физиологического

состояния растений.

Закалка озимых и древесных пород проходит в два этапа. На первом этапе

в зимующих органах идёт накопление сахаров, обусловленное дневными

(+10...+15єС) и ночными (около 0єС) температурами. В этих условиях идущий

днём процесс фотосинтеза даёт большое количество сахаров, при низких ночных

температурах они не успевают тратиться на дыхание и рост, а откладываются

про запас. Второй этап закаливания протекает в растениях при слабых морозах

(-2...-5єС), во время которых организм приобретает полную

морозостойкость. К этому моменту фотосинтез уже прекращается, а в клетках и

тканях растений завершается целый ряд своеобразных биохимических и

биофизических процессов. В итоге заметно повышается осмотическое давление,

усиливается вязкость цитоплазмы, в клеточном соке увеличивается количество

дубильных веществ и антоциана. Большая часть запасного крахмала

превращается вновь в сахара. Интересно, что с наступлением зимы в клетках

тканей коры у многих хвойных растений наряду с сахарозой, глюкозой и

фруктозой в значительном количестве имеются и такие сахара, как стахиоза и

рафиноза, которые летом там практически отсутствуют.

Как показали исследования, закаливание растений во многом зависит от

накопления запасных питательных веществ. Причем в надземных органах

растений обычно откладываются сахара и масла, а в подземных органах -

крахмал. Накопленные вещества растение использует в течение зимы на

дыхание. За счет этих же веществ осуществляется рост растений в начале

весны.

Большой запас сахара, главным образом глюкозы, содержащейся в зимующих

органах растений, привёл учёных к выводу о его защитной роли, проявляющейся

не только в увеличении осмотического давления в клетках, но и в

специфическом химическом действии его на цитоплазму, благодаря чему под

влиянием мороза не происходит коагуляции. Кроме того, у растений

наблюдается большое накопление масла во внутренних слоях древесины, оно

повышает устойчивость организмов к сильным морозам. Масло прежде всего

вытесняет воду из вакуолей и этим предохраняет её от замерзания. Далее,

откладываясь в самой цитоплазме, делает её несравненно более стойкой к

морозу и другим неблагоприятным воздействиям зимнего периода. Такую же роль

играют и другие откладываемые в вакуоли и протоплазме вещества - крахмал и

белки. Все они непосредственно защищают цитоплазму от мороза.

Однако морозостойкость растений нельзя объяснить только накоплением в

их клетках запасных питательных веществ. Исследования показали, что осенью

в процессе закаливания растения претерпевают и другие изменения. Особенно

большое значение имеет повышение водоудерживающей способности цитоплазмы.

Вода в ней становится как бы связанной. В таком состоянии она трудно

испаряется и замерзает, трудно отжимается под давлением, отличается большой

плотностью и утрачивает в значительной мере свойство растворителя. Вода

становится кристаллической по структуре, хотя и сохраняет жидкое состояние.

Между частичками цитоплазмы и водой устанавливается единство структуры. В

известной мере вода входит в состав макромолекул белков и нуклеиновых

кислот. Заморозить её в таком состоянии, то есть перевести в твёрдое тело,

практически невозможно. Такого рода изменения водных свойств цитоплазмы

особенно важны, именно они во многом определяют морозостойкость растений.

Морозостойкость зависит и от того, как растения провели вегетационный

период. Например, плодовые деревья, перенёсшие летом засуху, будут менее

морозостойки, чем деревья, выросшие в условиях обильного полива.

Позднелетняя подкормка также снижает морозостойкость.

Одна только способность переносить большие морозы ещё не позволяет

растениям существовать в условиях умеренного холодного пояса и в

приполярных районах. Значительно важнее зимостойкая способность видов, то

есть способность переживать в течение длительного времени ( иногда 8-9

месяцев в году) не только действие низких температур, но и выпревание,

вымокание, действие ледяной корки, а также частые смены температуры воздуха

- то оттепель, то замораживание и многое другое.

Растения по-разному приспосабливаются к переживанию этого периода.

Одни переносят зиму в состоянии органического и вынужденного покоя. У

других, помимо физиологических, появляется целый ряд анатомо-

морфологических особенностей: распластанные по земле стебли и листья,

горизонтальное нарастание побегов, подземное расположение узлов кущения и

корневых шеек, листопадность ( а у вечнозелёных - способность листьев

скручиваться и целый ряд других изменений, благодаря которым уменьшается

испаряющая поверхность), развитие мощного слоя пробки, белоствольность и

другие признаки, позволяющие избегать ожогов коры, почечные чешуи, их

тёмная окраска, кожистость - всё это прямо или косвенно помогает растениям

выжить зимой.

Биосинтез углеводов в зелёных растениях.

Физиологические и биохимические процессы в зелёном растении тесно

связаны с углеводами. Они составляют 75-80% сухого вещества тела

растительного организма и служат основным питательным и скелетным

материалами клеток и тканей растения.

Основной орган биосинтеза в растении - лист. Характерная его

особенность - сочетание фото- и биосинтезов. В листе происходит

трансформация энергии, обмен углеводов, аминокислот, белков, липидов,

нуклеиновых кислот, витаминов.

В прорастающих семенах и пробуждающихся почках происходят процессы

мобилизации запасных веществ. Наиболее характерная черта этих процессов -

распад сложных запасных веществ на более простые. Полисахариды распадаются

на моносахариды. Эти реакции происходят с присоединением воды и относятся к

типу гидролитических.

Крахмал состоит на 96,1-97,6 % из полисахаридов двух типов - амилозы

и аминопектина, различающихся своими физическими и химическими свойствами.

В крахмале содержится фосфорная кислота (до 0,7%) и некоторые

высокомолекулярные жирные кислоты (пальмитиновая, стеариновая и другие).

Крахмал - основное запасное вещество большинства растений. У

прорастающих семян под микроскопом можно наблюдать "разъедание" крахмальных

зёрен (см. рис. 1). Это процесс гидролитического распада полисахаридов на

моносахариды.

В быту известно явление, когда охлаждённый при 1-2 єС картофель

приобретает сладковатый вкус. У картофеля гидролиз крахмала происходит при

пониженной температуре, процесс дыхания при этом угнетается, вследствие

чего использование сахаров уменьшается. Таким образом, в клубнях

происходит односторонний процесс - гидролиз крахмала до гексоз и их

накопление.

Мучнистый вкус семян благодаря наличию большого количества крахмала

сменяется при прорастании сладковатым вследствие накопления в них глюкозы.

Превращение крахмала в сахар происходит под влиянием фермента

амилазы. Более обстоятельное изучение фермента амилазы показало, что это

смесь двух ферментов - ?- и ?-амилазы, которые действуют параллельно и

расщепляют гигантскую молекулу крахмала на более мелкие молекулы

полисахаридов, называемых декстринами, и дисахаридов, назвываемых мальтозы.

Количество амилазы в семени, находящемся в состоянии покоя,

незначительно, но с прорастанием с семени оно возрастает. Центром

образования амилазы, например, в зёрнах пшеницы или кукурузы является

зародыш, в частности его щиток, а также алейроновый слой, окружающий

эндосперм. Образующиеся ферменты ?- и ?-амилаза диффундируют в ткани

эндосперма и вызывают расщепление крахмала. Осахаривание крахмала в

эндосперме идут до конца только в том случае, когда он находится в тесном

контакте с молодым побегом, который непрерывно поглощает и использует

сахар, образующийся при гидролизе.

Гликозиды - сложные вещества, образующиеся из сахаров (в основном из

глюкозы) и одного или нескольких компонентов "несахаров" - агликонов.

К цианогенным гликозидам, содержащим синильную кислоту, относится

вицин семян с некоторых видов вики и фасоли. У белого клевера, сорго

содержится ряд цианогенных гликозидов, токсичных для животных. В растении

картофеля образуются ядовитые для человека и животных гликоалкалоиды -

гликозиды, у которых в качестве агликона входит алкалоидсоланидин. Эти

вещества, обладающие горьким вкусом, называются соланинами и чаконинами. В

картофельном растении клубни, а также стебли содержат меньше

гликоалкалоидов по сравнению с другими органами (молодыми листьями,

цветками, ягодами). Наибольшее количество гликоалкалоидов содержат ростки

(4-5 мг % массы сухого вещества). Молодые клубни картофеля содержат около

10 мг % гликоалкалоидов, а зрелые 2-4 мг %. При хранении клубней на свету

количество гликоалкалоидов значительно возрастает, особенно в позеленевших

участках, примыкающих к эпидермису. Установлено, что картофель с

содержанием гликоалкалоидов в количестве 20 мг % и более опасен для

потребления, особенно если клубни варились в кожуре.

Большинство красных, голубых и пурпурных пигментов клеточного сока

листьев лепестков цветков, плодов, корней, стеблей многих растений (

васильков, столовой свёклы, вишни, сливы, смородины, малины и других),

относится к группе веществ - антоцианам . Антоцианы - это

гетерогликозиды, образующиеся в растениях в результате взаимодействия

между сахарами и комплексными соединениями антоцианидинами ( агликоны).

Физиологическая роль гликозидов мало изучена, но их образование связано с

физиологической функцией сахаров в растениях; гликозиды считаются также

запасным материалом для синтеза сахаров и связанных с ними комплексов.

Роль углеводов в повышении морозоустойчивости растений.

Морозоустойчивость - способность растений переносить температуру ниже

0єС. Разные растения переносят зимние условия, находясь в различном

состоянии. У одноклеточных растений зимуют семена, нечувствительные к

морозам, у много летних - защищённые слоем земли и снега клубни , луковицы

и корневища, а также надземные древесные стебли. У озимых растений и

древесных пород ткани под воздействием морозов могут промёрзнуть насквозь,

однако растения не погибают. У них достаточно высокая морозоустойчивость.

Нечувствительность к морозам достигается физико-химическими

изменениями в клетках. В зимующих листьях и других частях растения

накапливается много сахара. Сахар является веществом, защищающим белковые

соединения от коагуляции при вымораживании, и поэтому его можно назвать

защитным. При наличии достаточного количества сахара в клетках повышаются

водоудерживающие силы коллоидов протопласта, увеличивается количество

прочно связанной и уменьшается содержание свободной воды. Связанная с

Страницы: 1, 2