810
.pdfМинистерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова»
А.И. Сальников, И.Л. Маслов
ФИЗИОЛОГИЯ И БИОХИМИЯ РАСТЕНИЙ
Практикум
Пермь ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА
2014
УДК 581.1.(076.5) ББК 41.2 я 7
С 167
Рецензенты:
С.Л. Елисеев, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, зав. кафедрой растениеводства ПГСХА,
Ю.А. Петрухин, доктор биологических наук, профессор кафедры ботаники ФГБОУ ВПО «Пермский государственный гуманитарный педагогический университет».
С 167 Сальников, А.И. Физиология и биохимия растений: практикум / А.И. Сальников, И.Л. Маслов, М-во с.-х. РФ, ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА - Пермь: Изд-во ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, 2014. – 300 с.
В практикуме изложены методы изучения физиологии и биохимии растительной клетки, водного обмена, фотосинтеза, дыхания, минерального питания, роста и развития, адаптации и устойчивости растений к неблагоприятным условиям внешней среды, превращения органических веществ в растительном организме, а также учебная практика по физиологии растений.
Практикум предназначен для подготовки бакалавров и магистрантов по направлениям: 110100 «Агрохимия и агропочвоведение», 020400 «Биология», 110400 «Агрономия», 110500 «Садоводство», 110900 «Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции», 250100 «Лесное дело», 250700 «Ландшафтная архитектура».
Разделы 1,2,5 и 8 написаны профессором А.И. Сальниковым, разделы 3,4,6,7 и 9 – профессором И.Л. Масловым под общей редакцией профессора А.И. Сальникова.
УДК 581.1.(076.5) ББК 41.2 я 7
Печатается по решению методической комиссией факультета агротехнологий и лесного хозяйства. Протокол № 3 от 19 ноября 2013 года.
Учебное издание Сальников Анатолий Иванович
Маслов Иван Леонидович Физиология и биохимия растений Практикум
Редактор Е.А. Граевская
Подписано в печать 24.02. 2014. Формат 60×841/16 Усл. печ. л. 18,75. Тираж 100 экз. Заказ № 15
ИПЦ «ПрокростЪ»
Пермской государственной сельскохозяйственной академии имени академика Д.Н.Прянишникова,
614990, Россия, г. Пермь, ул. Петропавловская, 23 тел. 210-35-34
© ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, 2014
2
СОДЕРЖАНИЕ |
|
|
7 |
СОКРАЩЕНИЯ……………………………………………………………………… |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ 8 |
|
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................... |
10 |
1. ФИЗИОЛОГИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ........................................................... |
11 |
Работа 1. Строение растительной клетки и отличие ее |
|
от животной клетки ............................................................................................................. |
11 |
Работа 2. Диффузия и осмос. Получение искусственной “клеточки” Траубе.......... |
17 |
Работа 3. Явление плазмолиза и деплазмолиза.............................................................. |
19 |
Работа 4. Способы определения живой и мертвой растительной клетки ................ |
23 |
Работа 5. Осмотический выход воды из плазмолизированных клеток .................... |
24 |
Работа 6. Определение вязкости цитоплазмы по времени плазмолиза .................... |
25 |
Работа 7. Определение вязкости цитоплазмы центрифужным методом .................. |
27 |
Работа 8. Определение осмотического давления клеточного сока |
|
плазмолитическим методом (по де-Фризу) ..................................................................... |
29 |
Работа 9. Определение сосущей силы клеток упрощенным |
|
методом (поУршпрунгу) ..................................................................................................... |
34 |
Работа 10. Определение сосущей силы клеток методом струек |
|
(по В.С. Шардакову) ............................................................................................................ |
37 |
Работа 11. Влияние ионов калия и кальция на вязкость и проницаемость |
|
цитоплазмы ........................................................................................................................... |
39 |
Работа 12. Прижизненное окрашивание клеток нейтральным красным................. |
41 |
Работа 13. Разная проницаемость пограничных слоев |
|
цитоплазмы. Колпачковый плазмолиз............................................................................ |
43 |
Работа 14. Проницаемость живой и мертвой цитоплазмы |
|
для клеточного сока............................................................................................................. |
45 |
Работа 15. Определение жизнеспособности семян методом |
|
окрашивания (по Д. Н. Нелюбову) ................................................................................... |
48 |
Вопросы и задачи по теме «Физиология растительной клетки»................................ |
49 |
2. ВОДНЫЙ РЕЖИМ РАСТЕНИЙ .................................................................................. |
52 |
Работа 16. Определение содержания воды и сухого вещества |
|
в растительном материале ................................................................................................. |
53 |
Работа 17. Содержание свободной и связанной воды |
|
в растительном материале ................................................................................................. |
55 |
Работа 18 (демонстрационная). Корневое давление у растений ................................. |
58 |
Работа 19 (демонстрационная). Влияние внешних условий |
|
на процесс гуттации............................................................................................................. |
59 |
Работа 20. Особенности диффузии водяного пара через малые отверстия .............. |
60 |
Работа 21. Определение интенсивности транспирации весовым методом............... |
63 |
Работа 22. Сравнение транспирации верхней и нижней сторон листа |
|
хлоркобальтовым методом (по Шталю).......................................................................... |
68 |
Работа 23. Влияние внешних условий на состояние устьиц (по Молишу) ............... |
69 |
Работа 24. Наблюдение за устьичными движениями под микроскопом................... |
71 |
Работа 25. Определение интенсивности кутикулярной транспирации..................... |
72 |
Работа 26. (демонстрационная). Объѐмный метод |
|
определения транспирации ................................................................................................ |
73 |
Работа 27. Определение скорости поглощения воды |
|
растением с помощью потометра...................................................................................... |
74 |
Работа 28. (демонстрационная). Присасывающее действие листьев......................... |
76 |
Работа 29. Значение пробки для защиты растений от потери воды .......................... |
79 |
Работа 30. Зависимость набухания семян от характера запасных веществ ............. |
80 |
3
Работа 31. Влияние концентрации раствора на прорастание семян ......................... |
81 |
Вопросы и задачи по теме «Водный режим растений»................................................. |
83 |
3. ФОТОСИНТЕЗ ................................................................................................................. |
85 |
Работа 32. Хлоропласты и первичный крахмал в листе элодеи................................. |
87 |
Работа 33. Получение спиртовой вытяжки смеси пигментов ..................................... |
90 |
Работа 34. Разделение пигментов по Краусу................................................................... |
91 |
Работа 35. Омыление хлорофилла .................................................................................... |
92 |
Работа 36. Получение феофитина (действие кислот на хлорофилл) и |
|
восстановление металлоорганической связи ................................................................. |
93 |
Работа 37. Оптические свойства пигментов ................................................................... |
95 |
Работа 38. Флуоресценция хлорофилла........................................................................... |
99 |
Работа 39. Количественное определение пигментов ................................................... |
102 |
Работа 40. Разделение пигментов методом бумажной хроматографии ................... |
108 |
Работа 41. Зависимость фотосинтеза от интенсивности света.................................. |
112 |
Работа 42. Влияние различных лучей спектра на процесс фотосинтеза ................. |
114 |
Работа 43. Влияние углекислоты на фотосинтез ......................................................... |
116 |
Работа 44. Влияние температуры на фотосинтез......................................................... |
117 |
Работа 45. Определение интенсивности фотосинтеза методом |
|
Олвика - Целлера ............................................................................................................... |
118 |
Работа 46. Выявление крахмала в листе методом Сакса ........................................... |
122 |
Работа 47. Образование сахара в листьях растения при фотосинтезе..................... |
124 |
Работа 48. Определение площади листьев .................................................................... |
125 |
Работа 49. Определение ассимиляции СО2 по количеству |
|
накопленного сухого вещества (метод половинок) ..................................................... |
131 |
Вопросы и задачи по теме «Фотосинтез»....................................................................... |
132 |
4. ДЫХАНИЕ ...................................................................................................................... |
137 |
Работа 50. Выделение углекислого газа прорастающими семенами (можно |
|
использовать как демонстрационный опыт на лекции)........................................... |
138 |
Работа 51. Потеря сухого вещества при прорастании семян..................................... |
140 |
Работа 52. Определение интенсивности дыхания по количеству |
|
выделенного диоксида углерода (по Бойсен - Йенсену) .............................................. |
141 |
Работа 53. Определение дыхательного коэффициента семян ................................... |
145 |
Работа 54. Сравнение величины дыхательных коэффициентов у семян |
|
различных растений (демонстрационный опыт)......................................................... |
147 |
Вопросы и задачи по теме «Дыхание» ........................................................................... |
149 |
5. МИНЕРАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ РАСТЕНИЙ.............................................................. |
151 |
Работа 55. Микрохимический анализ золы растений................................................. |
153 |
Работа 56. Выращивание растений в водной культуре на полной |
|
питательной смеси и с исключением элементов.*....................................................... |
156 |
Работа 57. Влияние микроэлементов на рост растений ............................................. |
165 |
Работа 58. Влияние рН на рост растений ...................................................................... |
168 |
Работа 59. Антагонизм ионов........................................................................................... |
169 |
Работа 60. Определение объѐма корневой системы и ....................................................... |
|
общей адсорбирующей и рабочей поглощающей поверхности корня .................... |
172 |
Работа 61. Обнаружение нитратов в растении ............................................................. |
177 |
Вопросы и задачи по теме «Минеральное питание» ................................................... |
179 |
6. РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ .............................................................................. |
181 |
Работа 62. Прорастание пыльцы..................................................................................... |
184 |
Работа 63. Определение зоны роста корня.................................................................... |
185 |
Работа 64. Влияние концентрации гетероауксина на рост растений ...................... |
188 |
Работа 65. Формативное действие света........................................................................ |
190 |
4
Работа 66. Влияние температуры на прорастание семян........................................... |
192 |
Работа 67. Определение геотропического изгиба и места ................................................ |
|
восприятия силы земного притяжения у корня .......................................................... |
194 |
Работа 68. Положительные и отрицательные хемотропические |
|
изгибы корней..................................................................................................................... |
197 |
Работа 69. Гидротропизм .................................................................................................. |
199 |
Работа 70. Наблюдение периодичности роста древесных побегов ........................... |
200 |
Работа 71. Прерывание периода покоя у клубней картофеля при помощи |
|
тиомочевины....................................................................................................................... |
201 |
Работа 72. Прерывание периода покоя растений при помощи |
|
тепловых ванн .................................................................................................................... |
202 |
Вопросы и задачи по теме «Рост и развитие растений» ............................................. |
205 |
7. УСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ К НЕБЛАГОПРИЯТНЫМ |
|
УСЛОВИЯМ………………………………………………………………………….. |
|
Работа 73. Выявление защитного действия сахаров на протоплазму |
|
Работа 74. Изучение действия сахара на белки протоплазмы…………………. |
|
при отрицательных температурах.................................................................................. |
211 |
Работа 75. Определение жаростойкости растений....................................................... |
212 |
Вопросы и задачи по теме «Устойчивость растений |
|
к неблагоприятным условиям» ....................................................................................... |
213 |
8. ПРЕВРАЩЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В РАСТЕНИИ ....................... |
216 |
Работа 76. Расходование запасных веществ |
|
при прорастании семян..................................................................................................... |
219 |
Работа 77. Обнаружение запасных сахаров в растительном материале ................. |
221 |
Работа 78. Превращение веществ в прорастающих семенах..................................... |
224 |
Работа 79. Зависимость величины проростка от количества запасных |
|
веществ в семени ................................................................................................................ |
227 |
Работа 80. Кислотный гидролиз крахмала ................................................................... |
228 |
Работа 81. Обнаружение запасных белков в растениях ............................................. |
230 |
Ферменты ............................................................................................................................ |
236 |
Работа 82. Получение шкалы гидролиза крахмала амилазой при разных |
|
температурах....................................................................................................................... |
237 |
Работа 83. Инактивация амилазы кипячением ........................................................... |
239 |
Работа 84. Обнаружение амилазы в прорастающих семенах .................................... |
240 |
Работа 85. Обнаружение амилазы в слюне человека ................................................. |
242 |
Работа 86. Влияние температуры и реакции среды на активность сахаразы |
|
(инвертазы).......................................................................................................................... |
243 |
Работа 87. Обнаружение каталазы ................................................................................. |
245 |
Работа 88. Определение активности каталазы газометрическим методом............ |
246 |
Работа 89. Определение активности пероксидазы в растениях................................ |
248 |
Работа 90. Обнаружение активности дегидрогеназ в дрожжах................................. |
250 |
Работа 91. Обнаружение активности дегидрогеназы в семенах с помощью |
|
тетразолия хлористого ...................................................................................................... |
252 |
Витамины ............................................................................................................................ |
254 |
Работа 92. Определение содержания аскорбиновой кислоты в растительном |
|
материале............................................................................................................................. |
255 |
Вопросы и задачи по теме «Превращение органических веществ в |
|
растении» ............................................................................................................................. |
258 |
9. УЧЕБНАЯ ПРАКТИКА................................................................................................ |
262 |
9.1. ОСНОВНЫЕ ПРИЕМЫ АГРОТЕХНИКИ............................................................ |
262 |
9.2. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ.................................................................................. |
268 |
5
Работа 93. Влияние минеральных удобрений на рост, развитие и |
|
продуктивность яровой пшеницы (овса, ячменя, озимой ржи)................................ |
268 |
Работа 94. Влияние сроков посева на рост, развитие и продуктивность |
|
яровой пшеницы (овса, ячменя, озимой ржи) .............................................................. |
270 |
Работа 95. Влияние яровизации озимой ржи на рост, развитие и |
|
продуктивность растений (озимая пшеница) ............................................................... |
271 |
Работа 96. Влияние сорта на рост, развитие, урожайность и качество |
|
клубней картофеля ............................................................................................................ |
273 |
Работа 97. Наблюдение за развитием злаков по морфологическим изменени- |
|
ям в точках роста (по этапам органогенеза)……………………………………… |
275 |
Работа 98. Химический анализ растений (по К.П. Магницкому)……………… |
278 |
Работа 99. Наблюдение периодичности роста древесных побегов …………….. |
281 |
Задачи и вопросы по теме «Учебная практика»…………………………….......... |
283 |
Словарь терминов и персоналий (глоссарий)…………………………………….. |
284 |
Персоналии……………………………………………………………………………. |
293 |
Список рекомендуемой литературы……………………………………………… |
294 |
Приложение 1. Определение содержания сухого вещества в растворе по |
|
найденному показателю преломления при 200 (в процентах сахарозы)……… |
297 |
Приложение 2. Зависимость содержания СО2 в 0,001Н NaHCO3 растворе от t0 |
|
и рН (мг СО3 на л )……………………………………………………………………. |
298 |
Приложение 3 Биометрический анализ растений по фазам развития яровой |
|
пшеницы (овса, ячменя, озимой ржи)……………………………………………… |
299 |
Приложение 4. Биометрический анализ структуры урожая яровой пшеницы |
|
(овса, ячменя, озимой ржи)………………………………………………………. |
299 |
Приложение 5 Биометрический анализ растений картофеля……………… |
299 |
Приложения 6 Биометрический анализ клубней картофеля…………………… |
299 |
Приложение 7 Методика приготовления реактивов…………………………… |
300 |
Сокращения
6
АБК – абсцизовая кислота АДФ – аденозиндифосфат АМФ – аденозинмонофосфат АТФ – аденозинтрифосфат Атм – атмосфера г – грамм
d – диаметр
ДК – дыхательный коэффициент ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота
Дж – джоуль (килоджоуль на моль = 686 ккал/моль) Кс – красный свет ИУК – индолилуксусная кислота
Jф – интенсивность фотосинтеза ккал – килокалорий
Моль – сокращенное название грамм-молекулы М – молярный Мл – миллилитр
НАДФ – никотинамидадениндинуклеотид фосфат НМ – нанометр
Па – Паскаль; КПа – килопаскаль; МПа – мегапаскаль; 1 атм = 101,3 Па ПВК – пировиноградная кислота рН – показатель концентрации водородных ионов РНК – рибонуклеиновая кислота С – концентрация
S – сосущая сила
S0 – cинглетный уровень возбуждения молекулы пигмента
S1 – первый синглетный уровень возбуждения молекулы пигмента S2 – второй cинглетный уровень возбуждения молекулы пигмента
Т– абсолютная температура (2730+ t ср.)
Т– тургорное давление
Р – осмотическое давление ФАР – фотосинтетическая активная единица
ФАД – флавинадениндинуклеотид ФСП – фотосинтетический потенциал Фд – ферредоксин ФГК – фосфоглицериновая кислота
Феп – фосфоэнолпировиноградная кислота ЦК – цитокинин ЧПФ – чистая продуктивность фотосинтеза
Щук – щавелевоуксусная кислота ЭТЦ – электронно-транспортная цепь Q10 – температурный коэффициент
7
ПРЕДИСЛОВИЕ
Пособие разработано в соответствии с программой по физиологии и биохимии растений для высших сельскохозяйственных учебных заведений как руководство при проведении лабораторных занятий и учебной практики, а также самостоятельной работы студентов.
Вданном пособии в основном сохранена традиционная последовательность изложения курса физиологии растений, что также соответствует программе. Вместе с тем, ряд лабораторных работ подвергся значительной переработке. Все лабораторные работы по всем основным разделам курса представлены в том виде, в каком они сложились в результате многолетней практики кафедры ботаники, генетики, физиологии растений и биотехнологии ПГСХА имени академика Д.Н. Прянишникова.
Всоответствии с программой в пособии впервые введены лабораторные работы по биохимии растений, объединенные в главу 8 «Превращение органических веществ в растении», а также по физиологии растений (глава 9), проводимые на учебной практике.
Каждая работа включает цель, краткое теоретическое объяснение, список материалов и оборудования, затем подробные указания по выполнению работы (ход работы), порядок выполнения расчета полученных результатов и формулирования выводов, после чего приводятся вопросы для самоконтроля.
Занятия проводятся в активных формах обучения. Каждое из них начинается с беседы со студентами по ранее изученному материалу. Затем преподаватель дает краткое объяснение по теме лабораторного занятия, после чего, пользуясь «Практикумом», студенты записывают в своих тетрадях название работы, краткое содержание хода работы. По звеньям, обычно по два-три человека, они выполняют работу, оформляют ее в виде расчетов, рисунков, таблиц и делают выводы. По завершению работы преподаватель
8
предлагает студентам ответить на ряд вопросов с целью проверки усвоения теоретического материала, затронутого данной работой и увязки его с полученными результатами и сделанными выводами. Это развивает самостоятельность студентов, способность мыслить и способствует прочному, осознанному усвоению материала.
После изучения каждой темы проводится контрольная работа или коллоквиум по пройденному материалу. Для самостоятельной работы и подготовки студентов к контрольной работе или коллоквиуму в конце каждой темы практикума приведены вопросы и задачи.
Содержащиеся в руководстве работы могут быть, как правило, выполнены в течение 1-2- часового занятия. Опыты, связанные с выращиванием растений, рассчитаны на два занятия.
Выполнить все работы, содержащиеся в пособии, за время, отведенное учебным планом, невозможно. Поэтому преподавателю, ведущему лабораторные занятия, можно проводить те из них, которые он считает целесообразными. Некоторые работы могут быть использованы не только на лабораторных занятиях, но и в качестве лекционных демонстраций.
Авторы считают своим приятным долгом выразить глубокую благодарность доктору сельскохозяйственных наук, профессору, заведующему кафедрой растениеводства ПГСХА С.Л. Елисееву и доктору биологических наук, профессору кафедры ботаники ФГБОУ ВПО Пермского государственного гуманитарно-педагогического университета Ю.А. Петрухину за тщательный просмотр рукописи, ценные советы и замечания.
Авторы также благодарят заведующую лабораторией кафедры Р.Н. Эсенбаеву за выполнение технической работы над практикумом.
Отзывы о практикуме просим направлять по адресу: 614090,г. Пермь,ул. Петропавловская, 23, Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова
9
ВВЕДЕНИЕ
Физиология и биохимия растений – две экспериментальные самостоятельные науки, тесно связанные друг с другом. Если физиология растений изучает закономерности жизнедеятельности растений (механизмы питания, роста, размножения, развития, устойчивости растений против неблагоприятных условий и др.) и является фундаментальной основой всех агрономических наук, то биохимия выясняет ход превращений веществ в растении, что позволяет устанавливать их связь с физиологическими процессами.
Перед современной физиологией растений стоят многочисленные задачи, имеющие не только теоретическое, но и большое практическое значение. Одной из этих задач, наряду с изучением закономерностей жизнедеятельности растений, является разработка теоретических основ получения устойчивых и максимальных урожаев сельскохозяйственных культур.
Являясь научной основой земледелия, физиология растений вооружает агронома знаниями по разработке технологических приемов для создания благоприятных условий повышения урожайности растений и качества сельскохозяйственной продукции.
Основная цель практикума – углубить и расширить знания студентов по теоретическому курсу физиологии и биохимии растений, познакомить их с методами исследования по этим дисциплинам, привить навыки самостоятельной работы, научить их анализировать полученные результаты, делать выводы и обобщения.
10