Fotosynteza, hormony roślinne i kiełkowanie - Biologia na czasie 2 (ZR)

1.Fotosynteza oksygeniczna

Proces wytwarzania związków organicznych z dwutlenku węgla i wody z udziałem energii świetlnej, w którym produktem ubocznym jest tlen: $\ce{CO2 + H2O ->[{energia świetlna}] (CH2O) + O2 ^}$. Odżywia się dzięki niej większość roślin (autotrofy); nieliczne rośliny są heterotroficzne i pasożytują głównie na innych roślinach.

2.Przystosowania liścia do fotosyntezy

Ogonek liściowy ustawia blaszkę tak, by docierało do niej jak najwięcej światła. Blaszka ma dużą powierzchnię i epidermę z aparatami szparkowymi do wymiany gazowej. Miękisz asymilacyjny zawiera liczne chloroplasty. Drewno doprowadza wodę z korzeni, a łyko odprowadza z liścia produkty fotosyntezy.

3.Faza zależna od światła (faza jasna)

Zachodzi w tylakoidach i wytwarza siłę asymilacyjną - ATP i NADPH - potrzebną do asymilacji $\ce{CO2}$. Światło inicjuje przepływ elektronów od wody przez fotosystemy (PS II, PS I) i przenośniki do $\ce{NADP+}$, który zostaje zredukowany do NADPH. Przy rozkładzie wody uwalnia się tlen, a gradient protonowy w poprzek błony tylakoidu napędza syntazę ATP.

4.Faza niezależna od światła (cykl Calvina-Bensona)

Zachodzi w stromie chloroplastów i wykorzystuje siłę asymilacyjną do wytworzenia związków organicznych z $\ce{CO2}$. $\ce{CO2}$ przyłącza się do rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBP), powstaje kwas 3-fosfoglicerynowy (PGA), który z udziałem ATP i NADPH jest redukowany do aldehydu 3-fosfoglicerynowego (PGAL). Z PGAL powstają związki organiczne, a część służy do odtworzenia RuBP.

5.Fotooddychanie

Proces, w którym enzym rubisco zamiast karboksylacji RuBP katalizuje jego rozkład z udziałem tlenu. Rubisco wiąże zarówno $\ce{CO2}$, jak i $\ce{O2}$, więc fotooddychanie zachodzi, gdy stężenie tlenu w miękiszu znacznie przewyższa stężenie $\ce{CO2}$ (np. przy intensywnej fotosyntezie). Jest niekorzystne: obniża intensywność fotosyntezy i zmusza roślinę do rozkładania toksycznych produktów.

6.Przystosowania roślin do wymiany gazowej

Wymiana gazowa to dyfuzja tlenu, $\ce{CO2}$ i pary wodnej między rośliną a otoczeniem. Aparaty szparkowe służą jej w organach niezdrewniałych pokrytych kutykulą, przetchlinki - w organach zdrewniałych pokrytych korkiem. Przestwory międzykomórkowe magazynują gazy (bardzo duże ma miękisz powietrzny roślin wodnych), a pneumatofory to nadziemne korzenie oddechowe roślin terenów podmokłych.

7.Drogi transportu substratów fotosyntezy

U roślin lądowych $\ce{CO2}$ wnika do liścia przez aparaty szparkowe, a woda pobierana przez korzenie płynie elementami przewodzącymi drewna do liści. Rośliny wodne pobierają $\ce{CO2}$ głównie jako rozpuszczone jony wodorowęglanowe $\ce{HCO3-}$ bezpośrednio przez epidermę, a wodę - całą powierzchnią ciała.

8.Drogi transportu produktów fotosyntezy

Głównymi produktami fotosyntezy są tlen i związki organiczne. Rośliny lądowe usuwają tlen przez aparaty szparkowe, a rośliny wodne - przez epidermę. Związki organiczne u obu grup roślin są transportowane elementami przewodzącymi łyka.

9.Czynniki zewnętrzne wpływające na fotosyntezę

Światło umożliwia fazę zależną od światła. Dwutlenek węgla jest substratem fazy niezależnej od światła. Temperatura wpływa na aktywność enzymów fotosyntezy. Woda jest substratem - dawcą elektronów i protonów w fazie zależnej od światła. Sole mineralne, m.in. magnezu, potasu, cynku i manganu, są niezbędne do prawidłowego przebiegu fotosyntezy.

10.Czynniki wewnętrzne wpływające na fotosyntezę

Duże przestwory międzykomórkowe w miękiszu asymilacyjnym ułatwiają wymianę gazową. Grubsza kutykula bardziej ją ogranicza. Większa blaszka liściowa i większy stosunek jej powierzchni do objętości nasilają fotosyntezę, podobnie jak duża liczba chloroplastów i zawartość chlorofilu oraz duża liczba aparatów szparkowych (ułatwia pobór $\ce{CO2}$).

11.Świetlny punkt wysycenia i temperatura a fotosynteza

Intensywność fotosyntezy rośnie wraz z natężeniem światła aż do wartości maksymalnej - świetlnego punktu wysycenia; silniejsze światło powoduje jej spadek. Wymagania wobec temperatury zależą od strefy klimatycznej: rośliny strefy umiarkowanej mają najintensywniejszą fotosyntezę w przedziale 20-30°C.

12.Asymilaty i sacharoza jako forma transportowa cukrów

Asymilaty to związki organiczne powstające w fotosyntezie, z których korzysta cała roślina. Pierwotnym produktem jest trójwęglowy cukier - aldehyd 3-fosfoglicerynowy (PGAL); część zużywają liście, a resztę przekształcają w sacharozę. Sacharoza płynie łykiem, bo jest słabo reaktywna i nie ma właściwości redukujących, więc nie zmienia się w czasie transportu, a ma dużą aktywność osmotyczną.

13.Etapy transportu sacharozy w roślinie

Sacharoza wędruje od donorów do akceptorów w trzech etapach: 1. załadunek łyka w liściach (wymaga energii), 2. pionowy transport w elementach przewodzących łyka w górę i w dół rośliny (nie wymaga energii), 3. rozładunek łyka w organach akceptorowych (czynny albo bierny). W transporcie uczestniczy woda przepływająca między naczyniami drewna a rurkami sitowymi.

14.Załadunek łyka

Odbywa się głównie w liściach. Sacharoza przechodzi z komórek miękiszu asymilacyjnego do komórek przyrurkowych, a potem do członów rurek sitowych. Wymaga nakładu energii, bo zachodzi wbrew różnicy stężeń - w komórkach przyrurkowych stężenie sacharozy jest do 20 razy większe niż w miękiszu asymilacyjnym.

15.Pionowy transport sacharozy w łyku

U okrytonasiennych zachodzi w rurkach sitowych, które należą do symplastu. Załadowana sacharoza obniża potencjał wody w rurkach, więc woda napływa osmotycznie z naczyń drewna i powstaje dodatnie ciśnienie hydrostatyczne, które tłoczy roztwór cukru. Przepływ biegnie zgodnie z różnicą ciśnień turgorowych między donorem a akceptorem, więc nie wymaga nakładu energii.

16.Rozładunek łyka

Przemieszczanie sacharozy z elementów przewodzących łyka do komórek akceptora. Do organów spichrzowych (korzenie, bulwy, kłącza, np. korzeń buraka cukrowego) zachodzi wbrew gradientowi stężeń i wymaga energii; do młodych rosnących liści - zgodnie z gradientem, bez nakładu energii. Ubytek sacharozy podwyższa potencjał wody w rurkach sitowych, więc woda wraca osmotycznie do naczyń.

17.Donory i akceptory sacharozy

Donory wytwarzają i oddają asymilaty - głównie liście i zielone łodygi, w których zachodzi fotosynteza. Akceptory to organy, które asymilatów nie wytwarzają lub wytwarzają ich za mało, np. zdrewniałe łodygi, łodygi spichrzowe, korzenie, kwiaty, owoce i młode liście.

18.Organy spichrzowe jako donory i akceptory

Korzenie spichrzowe, cebule, kłącza i bulwy są akceptorami, gdy roślina fotosyntetyzuje i magazynują w nich asymilaty, np. jako skrobię. Stają się donorami, gdy zapasy służą do wytworzenia nowych pędów, które są wtedy akceptorami - np. kiełkująca bulwa ziemniaka czy kłącze imbiru.

19.Bakterie i grzyby glebowe a pokarm roślin

Bakterie i grzyby glebowe rozkładają i mineralizują martwą materię organiczną, udostępniając jony $\ce{NH4+}$, $\ce{SO4^2-}$ i $\ce{HPO4^2-}$. Bakterie z rodzajów Azotobacter i Clostridium asymilują azot cząsteczkowy i przekształcają go w amoniak, pobierany jako jony amonowe. Bakterie nitryfikacyjne (Nitrosomonas, Nitrobacter) utleniają amoniak do jonów azotanowych(V) $\ce{NO3-}$ - głównej przyswajalnej formy azotu.

20.Organizmy symbiotyczne a pokarm roślin

Bakterie z rodzaju Rhizobium wiążą azot atmosferyczny. Grzyby mikoryzowe rozkładają związki organiczne w glebie, dzięki czemu rośliny uzyskują m.in. przyswajalne formy azotu i fosforu. Mikroorganizmy udostępniają roślinom głównie azot, fosfor i siarkę.

21.Fitohormony

Hormony roślinne - należą do regulatorów wzrostu i rozwoju roślin, czyli związków regulujących procesy prowadzące do wzrostu i rozwoju. Od pozostałych regulatorów różnią się dużą aktywnością fizjologiczną już w bardzo małych stężeniach. Należą do nich m.in. auksyny i etylen.

22.Budowa chemiczna i działanie fitohormonów

To substancje drobnocząsteczkowe o różnej budowie; większość jest pierścieniowa (np. auksyny), a najprostszy jest etylen - gazowy węglowodór nienasycony $\ce{C2H4}$. Powstają m.in. w wierzchołkach wzrostu, młodych liściach i nasionach, działają w pobliskich komórkach lub są przenoszone drewnem albo łykiem. Skutki ich działania zależą od stężenia, gatunku i stadium rozwojowego rośliny.

23.Cechy fitohormonów - współdziałanie, receptory, plejotropia

Fitohormony działają wspólnie - jeden proces reguluje kilka hormonów. Działają tylko na komórki z odpowiednimi receptorami, w których powstaje kompleks hormon-receptor. Działają plejotropowo - każdy hormon wpływa na wiele różnych procesów.

24.Cechy fitohormonów - stężenie i kierunek działania

Fitohormony działają w bardzo małych stężeniach, rzędu $10^{-6}~\mathrm{mol/dm^3}$ lub mniejszych. Działają pobudzająco lub hamująco - reakcja zależy od proporcji hormonów pobudzających i hamujących, a jeden hormon może stymulować jeden proces i hamować inny. Ich działanie zależy od stężenia: ten sam hormon może stymulować albo hamować ten sam proces.

25.Auksyny

Powstają w wierzchołkach wzrostu pędów, młodych liściach, pąkach, kwiatach i owocach (np. IAA - kwas indolilo-3-octowy). Pobudzają wzrost wydłużeniowy komórek, podziały kambium (przyrost na grubość), powstawanie zawiązków korzeni bocznych i przybyszowych, tkanki przyrannej i owoców. Hamują rozwój pąków bocznych pędu oraz zrzucanie liści i owoców.

26.Wpływ stężenia auksyn na wzrost korzeni i łodygi

Korzenie są znacznie bardziej wrażliwe na auksyny niż łodygi. Wzrost korzeni pobudza małe stężenie auksyn ($10^{-12}$-$10^{-9}~\mathrm{g/cm^3}$), a większe go hamuje. Wzrost łodygi stymuluje stosunkowo duże stężenie ($10^{-8}$-$10^{-4}~\mathrm{g/cm^3}$).

27.Etylen

Gazowy fitohormon wytwarzany we wszystkich organach rośliny, najwięcej w dojrzewających owocach i starzejących się tkankach. Stymuluje dojrzewanie owoców, powoduje opadanie owoców i liści oraz odpowiada za reakcje na stres wywołany np. niedostatkiem wody, uszkodzeniem mechanicznym, infekcją, chłodem lub przegrzaniem. Hamuje wzrost wydłużeniowy łodygi.

28.Wzrost i rozwój rośliny

Wzrost to nieodwracalne zwiększanie się rozmiarów rośliny; jego podstawą są podziały mitotyczne komórek (wzrost podziałowy) i powiększanie ich objętości (wzrost wydłużeniowy, czyli elongacyjny). Rozwój to zmiany jakościowe - różnicowanie się komórek i tkanek oraz powstawanie organów.

29.Etapy ontogenezy rośliny nasiennej

1. Stadium wegetatywne: rozwój zarodkowy (embrionalny), kiełkowanie nasion, rozwój wegetatywny. 2. Stadium generatywne: kwitnienie i owocowanie (owocowanie tylko u okrytonasiennych). 3. Starzenie się i obumieranie.

30.Rozwój zarodkowy

Zaczyna się od zapłodnienia komórki jajowej komórką plemnikową; z zygoty w wyniku mitoz rozwija się zarodek zbudowany niemal w całości z merystemu. Powstają zawiązek korzenia (z niego rozwija się korzeń główny) i zawiązek pędu ze stożkiem wzrostu, łodygą zarodkową i liśćmi zarodkowymi - liścieniami, które obumierają po wykształceniu pierwszych liści.

31.Budowa nasienia

Nasienie zawiera zarodek (zawiązek korzenia, zawiązek pędu, liścienie), tkankę spichrzową z substancjami zapasowymi dla zarodka i siewki oraz łupinę nasienną - zewnętrzną, zwykle twardą i nieprzepuszczalną dla wody i gazów osłonę chroniącą zarodek. U nagonasiennych nasiona nie są osłonięte, a u okrytonasiennych są częścią owocu.

32.Stan spoczynku nasienia

U większości roślin rozwinięty zarodek przechodzi w stan spoczynku: wzrost i rozwój ustają, a procesy metaboliczne są zahamowane, m.in. przez odwodnienie i brak tlenu. Energię do utrzymania tkanek przy życiu daje zwykle fermentacja alkoholowa. Spoczynek trwa od kilku dni do kilkudziesięciu lat.

33.Spoczynek względny i bezwzględny

Spoczynek względny wynika z niekorzystnych warunków zewnętrznych (np. niedostatku wody, nieodpowiedniej temperatury) i ustępuje w warunkach optymalnych. Spoczynek bezwzględny wynika z niegotowości nasienia do kiełkowania (np. niedojrzałości zarodka, działania inhibitorów), a o jego przerwaniu decydują czynniki swoiste dla gatunku.

34.Kiełkowanie nasion

Zespół procesów fizjologicznych zachodzących w nasieniu, które aktywują zarodek i prowadzą do wzrostu i rozwoju siewki. Nasiona po rozwoju zarodkowym pozostają w spoczynku i zaczynają kiełkować dopiero w odpowiednich warunkach środowiska zewnętrznego i wewnętrznego.

35.Fazy kiełkowania nasienia

Faza pęcznienia (imbibicji): białka intensywnie chłoną wodę, łupina nasienna pęka, wnika tlen i zaczyna się oddychanie tlenowe (nasiona twarde pęcznieją dopiero po uszkodzeniu łupiny). Faza kataboliczna: hydroliza substancji zapasowych do form rozpuszczalnych i przyswajalnych dla zarodka. Faza anaboliczna: synteza nowych składników komórek z udziałem energii z ATP, wysunięcie korzenia zarodkowego i wzrost siewki.

36.Kiełkowanie podziemne i nadziemne

Najpierw nasienie pęcznieje i wysuwa się korzeń zarodkowy. W kiełkowaniu podziemnym (hipogeicznym; groch, leszczyna, kukurydza) szybciej rośnie epikotyl - nadliścieniowa część łodygi zarodkowej, a liścienie zostają w glebie. W nadziemnym (epigeicznym; fasola, słonecznik, dynia) szybciej rośnie hipokotyl - podliścieniowa część łodygi, a liścienie wychodzą nad glebę, zielenieją i prowadzą fotosyntezę.

37.Czynniki zewnętrzne wpływające na kiełkowanie

Woda umożliwia pęcznienie i pękanie łupiny oraz jest środowiskiem reakcji i substratem hydrolizy związków zapasowych. Temperatura reguluje kiełkowanie - w zbyt niskiej i zbyt wysokiej nasiona nie kiełkują. Światło działa na nasiona fotoblastyczne: przy fotoblastii dodatniej pobudza, przy ujemnej hamuje kiełkowanie. Tlen pozwala zarodkowi przejść z fermentacji na wydajniejsze oddychanie tlenowe.

38.Doświadczenia: wpływ wody, niskiej temperatury i światła na kiełkowanie

Próby różnią się tylko badanym czynnikiem. Woda: próba badawcza - fasola na mokrej wacie (kiełkuje), kontrolna - na suchej (nie kiełkuje); woda jest potrzebna od fazy pęcznienia. Niska temperatura: badawcza - mokra wata w lodówce (ok. 3°C, brak kiełkowania), kontrolna - temperatura pokojowa; chłód hamuje enzymy. Światło: badawcza - sałata w świetle, kontrolna - w ciemności; sałata jest dodatnio fotoblastyczna.

39.Czynniki wewnętrzne wpływające na kiełkowanie

To regulatory wzrostu i rozwoju. Inhibitory kiełkowania hamują wytwarzanie enzymów hydrolizujących substancje zapasowe (m.in. amylazy rozkładającej skrobię); pomagają roślinom się rozprzestrzeniać, bo nasiona kiełkują dopiero po przejściu przez przewód pokarmowy roślinożercy. Związki stymulujące kiełkowanie pobudzają wytwarzanie tych enzymów i je aktywują (m.in. lipazy w nasionach roślin oleistych).

40.Doświadczenie: wpływ liścieni na wzrost siewek fasoli

Hipoteza: prawidłowy wzrost i rozwój siewek fasoli wymaga obecności obu liścieni. Próba kontrolna: siewki z dwoma liścieniami; próby badawcze: siewki z usuniętym jednym liścieniem albo oboma. Po tygodniu w wodzie, w świetle i temperaturze pokojowej mierzy się długość liści, łodyg i korzeni. Liścienie fasoli dostarczają siewce substancji zapasowych, a nad glebą prowadzą fotosyntezę.