Роль углеводов и жиров в повышении морозоустойчивости растений

коллоидами вода при действии низких температур не превращается в лёд. У

ряда древесных пород в результате превращения углеводов в древесине

накапливаются жиры, которые не замерзают и проявляют защитные действия в

зимний период.

Биосинтез липидов.

Липазы - ферменты из класса гидролаз, широко распространены в

растениях. Под их воздействием происходит гидролиз жиров до глицерина и

жирных кислот.

Схема превращения жиров в запасающих органах растения :

ГЛИЦЕРИН

ТРИОЗОФОСФАТЫ

ЖИРЫ

УГЛЕВОДЫ

ЖИРНЫЕ

КИСЛОТЫ АЦЕТИЛКОФЕРМЕНТ А

ЦИКЛ ДИ- И ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

CO2 и H20

Фермент липаза катализирует гидролиз жиров с присоединением воды до

свободных жирных кислот:

CH2 - O - OC - R1 CH2 - OH R1COOH

CH - O - OC - R2 + 3H2O ЛИПАЗА CH - OH +

R2COOH

CH2 - O - OC - R3 CH2 - OH R3COOH

ЖИР ГЛИЦЕРИН ЖИРНЫЕ

КИСЛОТЫ,

где R1, R2, R3 - радикалы высокомолекулярных жирных кислот.

Жирные кислоты подвергаются активации и окислению. В качестве

продукта реакции образуются молекулы ацетилкофермента-А, которые

вовлекаются в цмкл трикарбоновых кислот.

При созревании семян из сахаров, альдегидов, глицерина и жирных кислот

синтезируются жиры. Липазы также катализируют превращения липидов, входящих

в систему клеточных мембран, состоящих их двух слоёв липидов и двух

нелипидных слоёв.

Липоиды - это химически близкие к жирам вещества. У них обычно один

жирнокислотный остаток заменён другим веществом, например, гликолипиды, у

которых один остаток жирной кислоты замещён сахаром. Гликолипиды содержатся

в листьях. К липоидам относятся и фосфолипиды.

Липоиды входят в состав клеточных органоидов - митохондрий и пластид;

принимают участие в регуляции проницаемости клетки для поступающих в неё

веществ. Воска предохраняют листья, стебли и плоды от высыхания,

предупреждают смачивание водой, предохраняют от повреждения инфекционными

болезнями.

Учёные разработали теорию транспорта органических веществ, по которой

процесс передвижения органических веществ по ситовидным трубкам связан с

обменом веществ и использованием энергии дыхания (АТФ). Доказано, что

быстрое движение органических веществ сопровождается интенсивным дыханием.

У древесных растений важной потребляющей зоной является камбиальный слой

ствола ветвей, корней. Ежегодное утолщение стволов деревьев, образовывание

колец наглядно свидетельствует об этом. В годы обильного плодоношения

древесных пород в силу большого притока "органики" наблюдается ограничение

питания и уменьшение годичного прироста древесины.

Средняя скорость движения для различных веществ в растении может быть

такой (см в час): аминокислоты - 90, сахароза 70-80, неорганические соли 20-

40.

Таким образом, перемещение и транспортировка органических веществ в

растении - сложный физиологический процесс.

Механизм защитного действия липидов.

Он связан с регуляцией содержания воды в клетках. У морозоустойчивых

видов подготовка к зиме начинается заранее. Один из её этапов -

обезвоживание клеток. Жиры, накапливаясь в клетках, вытесняют из них воду.

Оставшаяся вода прочно связана с молекулами белков, углеводов и теряет

способность к кристаллизации. Поэтому у морозостойких видов кристаллы льда

в клетках кристаллы льда не образуются. При значительном понижении

температуры кристаллы льда начинают образовываться в межклетниках.

Кристаллы растут, оттягивая воду из клеток. Сильное обезвоживание тоже

вредно: оно приводит к разрушению структуры мембран, белков, нуклеиновых

кислот. Увеличение содержания жиров на поверхности протоплазмы препятствует

дальнейшему выходу воды из клеток и тем самым повышает устойчивость

растений к морозам. Морозостойкость связана с накопление в клетках не

только жиров: но и растворимых сахаров.

Опыты и наблюдения.

Опыт № 1 "Много ли питательных веществ в опавших листьях?"

Цель: убедиться в способности растений экономить питательные вещества с

помощью метода крахмальной пробы.

Оборудование и объекты: раствор Люголя, 50 мл 96 % этилового спирта, 30

зелёных листьев с верхушки побега и 30 жёлтых листьев с основания побега

тополя обыкновенного.

Ход опыта:

1. Дата проведения опыта 13.09.00. Сорвал с тополя обыкновенного по 30

листьев- зелёных с верхушки побега и жёлтых - с основания побега.

2. Прокипятил отдельно жёлтые и зелёные листья в воде до полного отмирания

клеток. Затем поместил в горячий спирт (на водяной бане) для удаления

пигментов.

3. Обесцвеченные листья обработал раствором Люголя.

4. Результаты опыта: зелёные листья под действием йода окрасились в синий

цвет, а жёлтые не изменили окраски.

Вывод: посинение листьев происходит в результате взаимодействия йода с

крахмалом, следовательно, жёлтые листья крахмала не содержат. Перед

листопадом крахмал превращается в растворимые сахара, которые по проводящим

пучкам перемещаются в запасающие органы: стебель и корень (древесные

растения), семена (травянистые одно- двухлетние). В клетках стебля и корня

из растворимых сахаров снова синтезируется крахмал.

Опыт № 2: "Судьба" запасного крахмала".

Цель: проследить за превращениями запасного крахмала в стеблях хвойных и

лиственных пород деревьев.

Оборудование и объекты: раствор Люголя, кусочки побегов ивы козьей, сирени

обыкновенной, лиственницы европейской, сосны обыкновенной.

Ход опыта:

1. Опыт начат 30.10.99 года, после окончания листопада.

2. Один раз в месяц срезал по 2 небольших побега ивы козьей, сирени

обыкновенной, лиственницы обыкновенной, сосны обыкновенной. Делал

продольный расщеп и с помощью раствора Люголя определял наличие крахмала.

3. Содержание крахмала выражал в баллах:

4 балла - иссиня-чёрный цвет (содержание крахмала высокое)

3 балла - тёмно-синий цвет (содержание крахмала среднее)

2 балла - светло-синий цвет (содержание крахмала низкое)

1 балл - голубой цвет (следы крахмала)

0 баллов - жёлтый цвет (крахмал отсутствует).

4. Результаты опытов занёс в таблицу:

Таблица № 1 "Изменение содержания крахмала в стеблях древесных пород"

|Дата |Содержание крахмала в баллах |

|проведения| |

|опыта | |

| |ива козья|Сирень |Лиственница |сосна |

| | |обыкновенная |обыкновенная |обыкновенная |

|30.10.99 |3 |4 |4 |4 |

|30.11.99 |2 |3 |3 |2 |

|30.12.99 |2 |2 |1 |1 |

|30.01.00 |1 |1 |0 |0 |

|30.02.00 |1 |1 |0 |0 |

|30.03.00 |2 |2 |1 |1 |

|30.04.00 |2 |3 |3 |3 |

Опыт проведён в трёх повторностях для получения более достоверного

результата.

Вывод: наблюдал колебание содержания крахмала, к середине зимы у сосны и

лиственницы крахмал почти исчез. Такие колебания связаны с распадом

крахмала и накоплением жиров в вакуолях клеток и в цитоплазме. Накопление

жиров в клетках позволяет растениям перезимовать. Эти процессы

усиливаются при наступлении сильных холодов. Повышение температуры

воздуха в конце зимы вызывает распад жиров и повторное накопление

крахмала. К началу сокоотделения и распускания почек запасной крахмал

окончательно распадается с образованием растворимых сахаров

У ивы и сирени пробы немного отличаются от проб на крахмал у

хвойных. Не наблюдается полного исчезновения крахмала к середине зимы,

так как он служит энергетическим материалом, за счёт которого растения

живут зимой. Он повышает устойчивость клеток к морозам. Поэтому в

зависимости от характера превращения крахмала древесные растения делят на

две группы: крахмалистые (куда вошли ива и сирень) маслянистые (хвойные).

Опыт № 3 "Повышение морозоустойчивости растений"

Цель: выяснить роль сахара в повышении морозоустойчивости тканей

корнеплода свёклы столовой.

Оборудование и объекты: корнеплод свёклы столовой, 3 пробирки, штатив,

термометр (на 25єС), лёд, поваренная соль, пробочное сверло, растворы

сахарозы.

Ход опыта:

1. Пробочным сверлом из корнеплода вырезал 6 небольших одинаковых

пластинок (2х0,5 см) пластинок.

2. Тщательно промыл их водой, чтобы удалить антоциан (содержится в

вакуолях клеток, растворимый в воде - бетацианин) из разрезанных

клеток.

3. Поместил пластинки свёклы в пробирки.

В первую налили на 1/4 объёма воду.

Во вторую пробирку - столько же 0.5 М раствора сахарозы.

В третью - столько 1,0 М раствора сахарозы.

Количество раствора в пробирках и количество пластинок свёклы

одинаково.

4. Пробирки поместил в охлаждающую смесь: к 3 частям измельчённого льда

добавил 1 часть поваренной слои, перемещал.

5. Измерил температуру смеси, когда она опустилась до 20єС, содержимое

пробирки замёрзло.

6. Через 20 минут достал пробирки и поставил в стакан с водой комнатной

температуры для оттаивания. После этого сравнил окраску раствора в

пробирках.

Таблица № 2 "Влияние сахарозы на морозоустойчивость тканей корнеплода

свёклы столовой"

|№ пробирки |Результаты: интенсивность окраски раствора |

|№1 (вода) |Вода окрасилась интенсивно в красный цвет |

|- контроль | |

|№2 (раствор |Раствор окрасился в красный цвет (средний по |

|0,5 м) |интенсивности) |

|№3 (раствор |Раствор слабо окрашен (следы антоциана) |

|0,1 М) | |

Вывод: выход антоцианов из вакуолей в раствор означает, что клетки погибли,

мембраны их разрушены и уже не могут удержать содержимое клетки. В

пробирках с 0,5 М и 1,0 М растворами сахарозы цвет отличается от контроля.

Чем выше концентрация сахарозы, тем слабее окрашен раствор. Уменьшение

выхода антоциана из тканей корнеплода свёклы, находившихся в растворах

сахарозы, свидетельствует о том, что сахарозы оказала защитное действие на

цитоплазму клеток при их замораживании. Степень защитного действия зависит

от концентрации сахарозы: в более концентрированном растворе (1,0 М

растворе) повреждение тканей оказалось минимальным.

Пояснение к опыту №3.

Внезапное, в течение 15-20 минут, понижение температуры от+20 до

-20єС вызывает в клетках корнеплода, находившегося в пробирке с водой,

образование льда непосредственно в цитоплазме. Кристаллы льда повреждают

структуру клеток, они погибают. Защитное действие сахарозы во второй и

третьей пробирках связано с поступление сахарозы из раствора в клетки и с

выходом воды из клеток в наружный, более концентрированный раствор. Чем

выше количество сахарозы в клетке, тем ниже температура замерзания

цитоплазмы, так как сахарозы, связывая внутриклеточную воду, уменьшает её

подвижность. Обезвоживание клеток также повышает их устойчивость к действию

морозов, препятствуя внутриклеточному образованию льда. Не случайно у

древесных растений зимой накапливается в клетках 10% сахаров, у озимых

злаков - до 50%.

Результаты опытов позволяют понять, почему для успешной зимовки, как

озимых травянистых растений, так и древесных, важна солнечная осень.

При пониженных ночных температурах, замедляющий отток сахаров в

другие части растения, в зелёных листьях накапливаются углеводы. Самая

низкая температура, которую выдерживают наиболее морозостойкие сорта озимой

ржи - около -30єС на уровне почвы.

Это не слишком высокая степень морозоустойчивости. Ведь почки

древесных пород в Сибири выдерживают до -70єС. Такая температура

наблюдается в Якутии, где растут ель сибирская, сосна обыкновенная, берёзы

пушистая, осина. Дополнительную морозостойкость почкам этих видов придаёт

состояние глубокого покоя, переход в которое сопровождается сильным

обезвоживанием клеток, накоплением жиров, углеводов, изменение состава

белков.

Общий вывод по проделанной работе.

По ходу выполнения работы я подбирал и изучал специальный литературу

по данной теме, провёл опыты и наблюдения.

1. Физиологические и биохимические процессы в зелёных растениях тесно

связаны с углеводами, которые вырабатываются в клетках самого растения.

Углеводы - основные питательные и скелетные материалы клеток и тканей

растения. Крахмал является основным углеводом, состоит из амилозы и

амилопектина и некоторого количества других веществ. Крахмал

подвергается реакциям гидролиза, с образованием моносахаридов, реакции

катализируются ферментами ?- и ?-амилазами.

К группе Углеводов гликозидов относятся антоцианы - основные пигменты

клеточного сока окрашенных частей растений (лепестков цветков, плодов,

корней, стеблей).

Физиологическая роль гликозидов мало изучена, но их образование связано

с физиологической функцией сахаров в растениях, также гликозиды -

запасной материал для синтеза сахаров и связанных с ними комплексов.

2. Большая роль принадлежит углеводам в повышении морозоустойчивости тканей

и клеток растений, позволяя им переносить температуру ниже 0єС.

Нечувствительность к морозам достигается физико-химическими изменениями

в клетках.

Проведя опыты, я убедился, что перед листопадом крахмал превращается в

растворимые сахара и оттекает в запасающие органы: стебли, корни,

семена. В последних происходит обратные реакции - превращение сахаров в

крахмал. То есть, растения способны "экономить" углеводы, так как их

роль в жизни растения очень значима.

3. В ходе проведения длительного наблюдения за "судьбой" запасного крахмала

выяснил, что к середине зимы крахмал из древесины сосны и лиственницы

"исчезает". Происходит химическая перестройка углеводов, они

превращаются в жиры, что помогает клеткам этих растений перезимовать.

Эти процессы усиливаются с наступлением сильных холодов. Повышение

температуры воздуха в конце зимы вызывает распад жиров и повторное

накопление крахмала. К началу сокодвижения и распускания почек запасной

крахмал окончательно распадается с образованием растворимых сахаров.

Такие процессы происходят в древесине маслянистых пород деревьев

(хвойных). В древесине "крахмалистых" пород (иве и сирени) не происходит

полного перехода крахмала в жиры, часть его остаётся, так как крахмал

также служит энергетическим материалом, за счёт которого растения живут

зимой. Жиры, накапливаясь в клетках, вытесняют из них воду. Остальная

вода прочно связана с молекулами белков и углеводов, теряет способность

к кристаллизации. Поэтому у морозостойких видов кристаллы льда в клетках

не образуются.

4. Выяснил на опыте, как углевод сахароза повышает морозоустойчивость

такого запасающего органа как корнеплод свёклы столовой. Внезапное

понижение температуры вызвало в клетках корнеплода, находившегося в

пробирке с водой, образование льда в цитоплазме. Кристаллы льда

повреждают структуру клеток и они погибают. Наблюдал защитное действие

сахарозы на клетки корнеплода, так как из раствора сахароза поступает в

клетки, а вода из клеток - в наружный , более концентрированный раствор.

Чем выше количество сахарозы в клетке, тем ниже температура замерзания

цитоплазмы, так как сахароза связывает внутриклеточную воду, уменьшает

её подвижность. Обезвоживание клеток также повышает их устойчивость к

действию морозов, препятствуя внутриклеточному. Степень окрашивания

определял по выходу из вакуолей разрушенных клеток антоциана -

бетациана.

В результат выполнения этой работы я расширил свой кругозор в области

физиологии растений, узнал много новых и интересных фактов из жизни

растений.

Список использованной литературы.

1. Гусева М.В. "Малый практикум по физиологии растений" Москва, 1997 год.

2. Крамер П.Д. , Козловский Г.Г. " Физиология древесных растений" , Москва,

1998 год.

3. Кретович В.Л. " Биохимия растений", Москва, 1990 года

4. Кудряшов К.В., Родионова Г.Б., Гуленкова Б.А., Козлова В.Н. " Ботаника с

основами экологии" Москва, "Мир", 1996 год.

5. Пономарёва И.Н. "Экология растений с основами биогеоценологии" Москва,

"Просвещение", 1978 год

6. Туманов И.И. "Физиология закаливания и морозостойкости растений" Москва,

"Наука", 1998 года.

7. К. Вилли, "Биология", Москва, "Мир", 1997 год.

8. Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор "Биология", Москва "Мир", 1996.

-----------------------

[1] Зимостойкость - способность растений переносить различные

неблагоприятные условия в течение холодного времени года.

Холодостойкость - способность растений переносить низкие положительные

температуры.

Страницы: 1, 2