植物的形态与功能

植物的形态与功能1植物的结构、生殖和发育2植物的营养3植物的调控系统温带落叶林亚热带常绿阔叶林热带雨林热带荒漠丰富的植物世界生物类别植物动物细胞构造有细胞壁无细胞壁营养方式大多数自养异养生长和大多数植物生长各器官在胚胎内器官和发育连续进行，完全形成，生长、发生可连续不断产生发育主要是体积方式新器官和新组织增大与个体成熟动物与植物的区别植物概述植物在自然界中的作用光合作用是世界上最重要的同化合成过程参与了自然界中的物质循环植物概述植物在自然界的作用植物形态学植物生态学植物解剖学植物地理学植物胚胎学植物群落学植物生理学植物资源学古植物学植物分类学植物化学植物学的分科植物概述陆生植物包括苔藓植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物4大类，从结构与功能方面体现了从低等向高等的进化顺序。本篇以被子植物为代表，讨论植物的形态、功能和发育等问题。植物的结构与功能根据胚中子叶的数量差异，被子植物被分成单子叶植物纲和双子叶植物纲植物体由各种器官组成被子植物的总体形态陆生适应性进化导致被子植物形成了生长在土壤中的根系和生活在空气中的茎（枝条）系统两部分。根、茎、叶与植物营养物质的吸收、合成、运输和贮藏密切相关，被称为营养器官。茎顶芽节节节间节种皮茎根系侧根主根根尖及分生组织子叶叶表皮韧皮部木质部皮层茎横切面茎尖分生组织根冠根尖横切面被子植物的根植物的根系通常有两类：直根系和须根系直根系主根明显，主根上生出侧根，这类根系固着能力很强。一些植物的主根可以贮存糖类等有机营养物质。大部分单子叶植物和一些草本植物的根为须根系，即在胚轴或茎的基部丛生大量须状根。须根系具有与土壤更多的接触表面积。根—形态直根系须根系植物的结构与功能根尖形态与结构表皮根毛皮层内皮层中柱鞘根冠分生区伸长区根毛区植物的结构与功能根的变态贮藏根肉质直根萝卜、胡萝卜块根甘薯、大丽菊气生根支柱根榕树攀援根常春藤呼吸根水松、红树寄生根菟丝子植物的结构与功能气生根植物的结构与功能被子植物的茎茎上着生叶的位置叫节两节之间的部分叫节间在茎的顶端和节上叶腋内着生有芽，顶芽是枝的主要生长点，腋芽具有发育成营养枝或繁殖枝的潜力每一个营养枝都具有自身顶芽、叶和腋芽，而繁殖枝着生花。有节和节间之分在节上着生叶和芽在节上能开花结果茎的形态特征植物的结构与功能被子植物的茎茎具有趋光和背地生长特性有些植物的茎形态特殊，称为茎的变态匍匐茎、根状茎、块茎、鳞茎地上茎的变态类型叶状茎昙花、文竹、天冬草等茎卷须黄瓜、南瓜、葡萄等枝刺山楂、皂荚等肉质茎仙人掌等地下茎的变态类型根状茎竹、姜、莲等块茎马铃薯等球茎荸荠、芋、慈菇等鳞茎洋葱、水仙、百合等茎的变态植物的结构与功能茎的变态类型匍匐茎（草莓）根状茎（鸢尾）土豆（块茎）根根状茎节植物的结构与功能千姿百态的叶植物的结构与功能被子植物的叶叶柄、叶鞘、叶脉单子叶植物通常为平行的叶脉，双子叶植物为网状叶脉。叶的形态多种多样，通常体现在排列方式（叶序）、复叶的类型、叶形、叶缘和叶脉的形态等各个方面。叶的变态叶卷须叶刺捕虫叶植物的结构与功能植物的器官由各种组织和细胞组成具有相同来源的同一类型或不同类型细胞群组成的结构和功能单位称为组织。基本组织系统主要由具同化（如光合作用）、贮藏、通气和吸收功能的薄壁细胞组成，还包括具机械支持功能的厚壁细胞和厚角细胞。被子植物的三大组织即：表皮组织、维管组织和基本组织表皮组织系统是覆盖和保护植物的一层排列紧密的表皮细胞。维管组织系统具有输导水分及养分和机械支持的功能。植物的组织根据结构和功能的特点，还可以把植物的组织分为分生组织、薄壁组织、保护组织、输导组织、机械组织和分泌组织等六类。分生组织具有进行细胞分裂的能力，通常位于植物体的生长部位。其他五类组织是在器官发育过程中，由分生组织衍生的细胞分化发展而成，又称为成熟组织。叶的组织结构典型的叶片由表皮、叶肉和叶脉3部分组成。双子叶植物单子叶植物叶片的结构植物的结构与功能叶片横切叶表面植物的结构与功能叶片的结构植物的结构与功能叶毛角质层栅栏组织维管束鞘韧皮部叶脉下表皮角质层气孔上表皮气腔木质部海绵组织叶片的结构特定功能的细胞植物细胞的类型常见的植物细胞类型包括薄壁细胞、厚角细胞、厚壁细胞、管胞与导管分子、筛分子等。植物细胞的类型——薄壁细胞薄壁细胞普遍存在于植物体的各个部分，细胞壁很薄，细胞间隙较大，大多缺少次生壁，原生质体中常有中央大液泡，细胞多为等径或长形。薄壁细胞是植物进行光合作用、呼吸作用、贮藏作用、分泌作用等重要生理过程的场所。薄壁细胞具有很强的分生潜能，受刺激后可恢复分生能力。植物细胞的类型——厚角细胞厚角细胞最显著的结构特征是细胞壁不均匀增厚，这种增厚是初生壁性质的，不含木质素。厚角细胞常成束重叠排列，具有较强的机械强度，在茎和叶柄中主要起机械支持作用。由于其具初生壁性质，它们能随周围细胞延伸而扩展，因此，它们既有支持作用，又不限制幼嫩器官生长。植物细胞的类型——厚壁细胞厚壁细胞具有均匀加厚的次生壁，次生壁是细胞生长后期细胞壁纤维素中沉积了木质素的结果。木质化的厚壁细胞比厚角细胞更坚硬，支持作用更强。功能上成熟的厚壁细胞都停止延长和生长，大多成为缺少原生质体的死细胞。厚壁细胞包括纤维和石细胞两种。纤维细胞细长，常聚集成束。石细胞形状不规则，细胞壁加厚。植物细胞的类型——管胞与导管分子高等植物体木质部中两类伸长的、具有次生壁的输水细胞。成熟时是缺乏原生质体的死细胞，厚厚的细胞壁上布满了纹孔。导管分子端壁上具有穿孔，导管分子通过端壁上的穿孔连接形成连续的管状结构，称为导管。管胞两端尖细，无明显端壁穿孔，通过尖细侧壁的重叠连接，并通过侧壁上纹孔输送水分及矿物质。管胞的输水效率要比导管低。植物细胞的类型——筛管分子高等植物韧皮部中运输糖类等有机营养物的细长管状生活细胞，成熟时其原生质体内无细胞核。筛管分子端壁上密布簇生的小孔（筛孔），密布着簇生的小孔的端壁区域称为筛板。筛管分子之间通过筛板纵向连接形成筛管，行使输送有机营养物质的功能。筛管分子还常常与伴胞紧密相连。伴胞是一种特化的薄壁细胞，有细胞核和浓厚细胞质，筛管分子和伴胞间存在发达胞间连丝，它们可能与控制和传递物质进入筛管有关。组织概念形态结构相似、生理功能相同的细胞群类型分生组织成熟组织原生分生组织薄壁组织初生分生组织保护组织次生分生组织输导组织顶端分生组织机械组织居间分生组织分泌组织侧生分生组织植物的结构与功能植物的生长和生殖无限生长、生活期一年生植物、两年生植物、多年生植物植物之所以能够无限生长是因为在植物体的生长部位具有分生组织。在成熟的植物体内，总保留一部分不分化并具有分裂能力的细胞，从分生组织分裂产生的细胞中，有的能持续分裂，保持着很强的分裂能力，它们被称为原生分生组织；有的生长并初步分化，形成初生分生组织，这些初生分生组织以后逐渐失去分裂能力，形成植物器官中的其他成熟组织。植物的生长方式取决于分生组织所处的位置。顶端分生组织——初生生长——纵向生长侧生分生组织——次生生长——加粗生长侧生分生组织通常是一些已分化细胞恢复了分裂能力，又称次生分生组织，根、茎的加粗生长则属于次生生长。根的生长与结构根的初生生长发生在根尖。4个部分：根冠：薄壁细胞组成、细胞壁粘液化、外层细胞不断死亡脱落、内侧顶端分生组织不断分裂出的细胞。分生区：又叫生长锥、顶端分生组织细胞组成、细胞分裂能力强。伸长区：细胞停止分裂、体积增大，使根尖纵向生长和延伸、细胞初步分化形成未成熟的木质部导管和未成熟的韧皮部筛管。成熟区：又称为根毛区、各种细胞已经分化成熟，形成各种成熟的组织。成熟区伸长区分生区根冠成熟区及横切面部分根的次生生长根的结构及生长根的生长与结构根的初生结构：从外向内为表皮、皮层和维管柱初生维管柱包括一层中柱鞘细胞、初生木质部和初生韧皮部。皮层细胞可以贮存有机养分和让水分及矿物质横向通过。内皮层细胞初生壁上径向栓质化环带状加厚，称为凯氏带，是控制皮层与维管柱之间物质交流的通道。初生木质部初生韧皮部皮层根的次生生长：维管形成层和木栓形成层是造成根次生加粗生长的侧分生组织。侧根的形成：成熟区的中柱鞘细胞进行平周和垂周分裂茎的生长与结构茎的顶端分生组织位于茎的最顶端，由具有强烈和持久分裂能力的细胞组成帽状的细胞群组成。茎的顶端分生组织通过平周分裂和垂周分裂，形成原表皮、原形成层和基本分生组织，以后它们分别分化成为皮组织系统、维管组织系统和基本组织系统。产生于茎的顶端分生组织两侧的叶原基，而芽则产生于叶腋处的芽原基。植物茎的分枝是由叶腋处的芽原基产生的双子叶茎的初生结构次生结构茎的次生生长和次生结构茎的生长与结构茎的顶端分生组织衍生出的细胞经过分裂、延长生长和分化，形成由表皮、皮层和维管柱3部分组成的茎的初生结构。双子叶植物：维管束环状，环的内部为髓，外部为皮层，在维管束间为细的髓射线。每一个维管束中，木质部通常面向髓排列在内侧，而韧皮部通常面向皮层排列在维管束的外侧。双子叶单子叶表皮形成层维管柱髓木质部韧皮部表皮皮层维管柱单子叶植物：维管束散生。茎的剖面结构单子叶植物茎双子叶植物茎表皮基本组织维管束表皮维管束皮层髓表皮基本组织维管束单子叶植物茎的结构玉米茎小麦茎茎的形态与结构茎的生长与结构大部分单子叶植物仅有初生生长，没有次生结构。双子叶植物的茎除了初生生长外，还具有次生生长。植物的年轮心材和边材年轮心材边材周皮多年生木本植物茎结构木射线周皮树皮韧皮射线次生韧皮部次生木质部边材年轮线秋材心材春材植物的有性生活周期植物的繁殖方式包括营养繁殖、无性生殖和有性生殖3种方式。植物营养体的一部分从母体分离开直接形成新个体的繁殖方式称为营养繁殖。也有的学者将营养繁殖归入无性生殖。植物的无性生殖是指一些具有生殖功能的细胞不经过两性的结合，直接发育成新个体的过程。无性生殖中具有生殖功能的细胞称为孢子。有性生殖是指通过两性细胞的结合形成新个体的过程。这些性细胞称为配子，为单倍体。两个配子结合形成二倍体的合子，由合子再发育形成新的个体。营养繁殖无性繁殖植物的繁殖有性繁殖被子植物的生活史和世代更替孢子体世代与配子体世代（无性世代与有性世代）交替出现，这就是植物生活史中的世代交替现象。被子植物的配子体世代（单倍体世代）不发达，雌、雄配子体不能独立生活，都寄生在孢子体上，且特化成花的一部分。花的结构花柄的分化被子植物进入到生殖生长阶段时，茎的顶端一些分生组织不再形成叶原基和芽原基，转而形成花原基或花序原基。因此，花是一种特化的节间很短的变态的枝。花的形态美化环境提取香精熏制茶叶制作糕点药用花的应用典型的花的结构一朵完整的花包括花托、花被、雄蕊群和雌蕊群。完全花、不完全花两性花、单性花雌雄同株、雌雄异株花器的构造雄蕊花药花丝花瓣柱头花柱子房雌蕊花托花萼胚珠不同植物花的多样性是生物多样性的生动体现传粉与受精花粉和胚囊的发育虫媒鸟媒开花与传粉风媒传粉与受精自花传粉、异花传粉受精一个精子与卵结合形成受精卵并成为二倍体的合子，合子将来发育成为产生新个体的胚；另一个精子与中央细胞极核结合，成为三倍体的受精极核并进一步发育成为胚乳。这种双受精是被子植物特有的现象，也是植物有性生殖中最进化的形式。传粉与受精减数分裂营养细胞生殖细胞精子细胞雌配子体胚珠精子双受精卵细胞雌配子体中央极核精子受精卵受精极核花粉管的萌发胚的发育和种子的形成在胚发育之前胚乳的发育便开始了合子通常经过一段休眠后开始发育成胚。种皮子叶胚芽胚轴残存胚乳胚根胚柄胚乳种皮子叶胚芽鞘胚芽胚根胚柄双子叶植物种子单子叶植物种子种子的构造种子与果实的形成果实的形成子房发育成果实，子房壁成为果皮。被子植物中除子房外，其他部分如花托、花萼等也参与果实形成。被子植物的传粉也启动了包括生长素、赤霉素、细胞分裂素等植物激素的产生和增加果实的发育与由来植物的结构与功能花柄花托胚珠子房花柱柱头花丝花药花冠花萼萼片种子与果实的形成果实的多样性根据花中雌蕊的数目和花序的情况可以将果实分为3类果实的外形与结构外果皮中果皮种子内果皮果实结构图水力传播自身开裂与弹力传播果实和种子的传播风力传播人与动物活动及取食传播果实和种子的传播风力传播果实和种子的传播种子萌发是生活周期的继续度过休眠且具有生活力的种子在足够水分与氧气、一定温度条件下就开始萌发。有些种子的萌发还需要一定的光照条件。种子从萌发到发育成幼苗是一个复杂的过程种子的萌发与出苗子叶留土植物的萌发子叶子叶出土植物的萌发子叶植物的营养水分的吸收与运输植物根系从土壤中吸收的水分首先通过根部的皮层进入到中柱的木质部，然后通过根与茎相互连通的木质部中的导管与管胞，向上输送，经过叶柄到达叶片。水分进入叶肉细胞后在细胞表面蒸发，通过叶片的气孔逸出。水分的吸收与运输促使大量水分长距离向上运输的动力是什么呢？至少有3种作用力：根部的压力（根压）、木质部的毛细管作用力和叶片的蒸腾拉力。其中，叶片的蒸腾拉力对水分向上运输的作用最大。渗透压力使土壤中的水分流入根部，水在根中向木质部的渗透性扩散产生的静水压力就是根压。在植物木质部的导管和管胞中，毛细管作用力和水的内聚力促进了水的向上运输。蒸腾作用产生使水向上运动的巨大拉力水分的吸收与运输气孔结构和开关机理每一个气孔都由两个形态特殊可改变形状的保卫细胞包围。保卫细胞仅两端相连，气孔内侧的细胞壁较厚，外侧的壁较薄。当保卫细胞吸水膨胀时，气孔便张开；相反失水时，气孔关闭。保卫细胞的吸水与失水和钾离子通过主动运输进出保卫细胞有关。光照强度和环境水分的多少等是控制钾离子主动运输的重要因素。有机同化物的转运放射性14C同位素标记研究发现：光合作用的产物（糖）全部都通过韧皮部的筛管进行运输。环割实验：初期植物上部仍然能健康生长，而下部首先死亡，继而整个植物都死亡了。同化物运输一般遵循“同侧运输，就近供应”原则。1926年，德国Munch提出“压力流动假说”有机同化物的转运压力流动假说植物的矿物营养吸收17种元素是绝大多数植物生长和发育所必需的元素。植物营养元素供给的缺乏可导致植物产生一系列的症状，生长发育不良甚至引起植物的死亡。矿质元素通过植物根部细胞主动跨膜运输进入植物体。C3植物与C4植物相关结构与功能的比较C3植物：二氧化碳在Calvin循环中被固定的第一个化合物是3-磷酸甘油酸；C4植物：二氧化碳固定的最初产物是草酰乙酸C4途径是植物对干旱环境的适应，更高光合作用效率。植物的调控系统植物激素是一些在植物体内合成的微量的有机生理活性物质，它们能从产生部位运送到作用部位，在低浓度（<1mmol/L）时可明显改变植物体某些靶细胞或靶器官的生长发育状态。植物向光性生长与植物激素的发现很早以前，植物学家就观察到，室内培育的植物具有向光性。对向光弯曲的燕麦苗解剖观察发现，燕麦苗的胚芽鞘背光一侧细胞的生长要快于向光的一侧。是什么引起了向光性？如何通过实验来发现？19世纪末，Darwin父子的实验Darwin父子提出了一种假说：胚芽鞘顶端受光后产生的某种化学信号被从顶端传送到下面弯曲的部位，导致胚芽鞘下部细胞向光的一侧与背光的一侧细胞生长不均匀。植物向光性生长与植物激素的发现几十年后，丹麦科学家Boysen-Jensen用实验验证了Darwin父子提出的假说。实验证明了：Darwin父子提出的某种信号是一种可传输的化学物质。植物向光性生长与植物激素的发现1926年，年轻的荷兰植物生理学家Went终于从植物胚芽鞘中发现了这种化学物质。Went结论：由胚芽鞘顶端受光产生的化学信号物质可以刺激细胞生长。他将这种植物激素定名生长素。植物向光性生长与植物激素的发现植物激素对植物体的生长、细胞分化、器官发生成熟和脱落等多方面具有调节作用，植物激素对于植物的生长发育是必不可少的微量化合物；大约有300多种由微生物和植物产生的次生代谢物对植物的生长发育具有调节活性；植物激素的种类和作用公认的5大类植物激素包括：生长素、细胞分裂素、赤霉素、脱落酸和乙烯；在植物体中，5大类激素往往是相互协调地共同参与植物生长发育的调控。各种环境因子对植物生长发育的影响植物的生长和发育始终都受到一系列外部和内部因素的控制。影响植物生长与发育的外部环境因子主要包括温度、光、水分以及各种刺激等等。温度是控制植物生长和发育的重要环境因子。每一种植物都有适合自己生长发育的温度范围，主要原因是温度对细胞内酶的活性有极大影响。温度也会极大影响植物体中蛋白质、脂肪和水分的性质。植物在整个生活周期中的最适温度随生长发育阶段的改变而变化，此外还需要一定的昼夜温差。温度对于植物的生殖生长也具有调控作用（如春化作用）。光是控制植物生长发育的最重要的环境因子光是光合作用最基本的条件和能量输入源，同时光还能控制植物不同发育阶段如种子萌发、幼苗发育和开花等形态发生过程。光照条件下，胞内的原叶绿素酸酯还原成为叶绿素酸酯，后者进一步形成叶绿素；黑暗条件下，不能合成叶绿素，表现为植物体黄化。光是控制植物生长发育的最重要的环境因子光是重要的环境信号，可以调控组织的分化和器官的发育。光对植物的成花诱导是最为典型的现象。根据植物开花的光周期反应，可把植物分为3种类型：短日植物、长日植物、日中性植物。长日植物与短日植物的确定取决于对临界日长的正负反应。光是控制植物生长发育的最重要的环境因子植物开花还同时受到诱导周期数的影响。诱导周期数就是光周期敏感植物开花诱导所需的光周期数（天数）。光质对开花诱导也有影响。红光是诱导长日植物开花和抑制短日植物开花最有效的光质，同时，红光效应可以被远红光（红外光）所逆转。光是控制植物生长发育的最重要的环境因子植物感受光周期刺激的部位是叶片。被诱导的叶片中形成了刺激开花的物质。其它环境因子外部刺激“生物钟”现象