Роль вуглеводів та жирів у підвищенні морозостійкості рослин

Олімпіадні робота з біології

на тему: "Роль вуглеводів та жирів у підвищенні морозостійкості клітин і тканин рослин"

Виконав: учень 11 класу

Галанов Микола

2000

Зміст
I. Метароботи ................................................. .....................< br>............................. стр 3
II. Особливості теплолюбних і холодолюбиві рослин ......................стр 4
III. Біосинтез вуглеводів в зеленихрослинах .............................................. стр 7

Роль вуглеводів у підвищення морозостійкості рослин ...............стр 9
IV. Біосинтезліпідів ................................................. ....................< br>................ стр10

Механізм захисної дії жирів ...................................... ............... стр11
V. Досліди і спостереження:

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

... стр12

1. Досвід № 1 "Чи багато поживних речовин в опалому листі?"

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

2. Досвід № 2 "Доля запасені крохмалю "..................................... стр12

3. Досвід № 3 "Підвищення морозостійкості рослин "............... стр14

4. Пояснення до досвіду №

3 ...................................... ............................... стр15
VI.Общій висновок за виконану роботу ........................................... ......... стр16
VII. Список використаної літератури ............................................... ...... стр18
VIII. Програма:

Рис. 1. Послідовне "роз'їдання" крохмального зерна ферментомамілазою ...................................... стр19

Мета роботи.
1. Підібрати і вивчити матеріал у науковій літературі з проблеми біосинтезу вуглеводів, ліпідів, їхньої ролі життя рослин.
2. Вивчити матеріал по ролі вуглеводів, ліпідів у підвищенні морозостійкості рослин.
3. Вивчити матеріал про можливості переходу вуглеводів в енергію, механізм захисної дії жирів клітин і тканин рослин від низьких температур.
4. Провести спостереження та досліди, що підтверджують перехід крохмалю в розчинні цукру, відтікає з листя в запасаючих органи рослин.
5. На досвіді простежити коливання вмісту крохмалю в деревині за період осінь-зима-весна у деяких листяних і хвойних порід дерев.
6. Провести досвід з штучного збільшення морозостійкості клітин і тканин коренеплоду буряку столового, використовуючи розчини сахарози різної концентрації.
7. На основі матеріалів і фактичних даних сформулювати загальний висновок по даній темі.

Особливості теплолюбних і холодолюбиві рослин.

По відношенню до температури як до екологічного фактору розрізняють 2групи рослин: теплолюбні (Термофіли) і холодолюбиві (псіхрофіли).
Теплолюбними називаються рослини, які добре ростуть і розвиваються вумовах високих температур, холодолюбиві - рослини, здатні рости вумовах досить низьких температур.

Справжніми Термофіли є рослини - вихідці з тропічнихрайонів. Вони зовсім не переносять низьких температур і гинуть вже при 0єС.
При настанні холодів Термофіли починають хворіти, а якщо охолодженнятривало, то можуть загинути навіть без фізичного заморожування.
Причиною загибелі в цих випадках зазвичай є порушення в обміні речовин.
Виявляється, що при дії холоду на теплолюбні рослинифізіологічні процеси в них придушуються неоднаково. У результатіутворюються невластиві рослинам продукти, у тому числі й шкідливі дляорганізму речовини, які поступово отруюють рослину і приводять його дозагибелі. Ця точка зору на "застуду" теплолюбних рослин та їх загибель,що стоїть давно, широко прийнята і в даний час.

Однак у більшості Термофіли вже при температурі +40 ЄСспостерігаються ознаки пригнічення, а при 45 +...+ 50єС багато гинуть. Загибельрослин при високих температурах багато в чому пояснюється отруйноюдією аміаку, що накопичується в тканинах рослин при розпадібілків і амінокислот, а також дією інших речовин типу токсинів,отруйних цитоплазму. При температурі від +50 ЄС і вище до цьогоотруйна дія приєднується згортання цитоплазми, що прискорюєпроцес відмирання. У жаростійких ж рослин краще виявляється здатністьнакопичувати органічні кислоти, які зв'язують аміак, роблячи йогобезпечним для рослин.

Морозостійкість - це властивість організмів, тісно пов'язане з їхфізіологічним станом, який, у свою чергу, обумовлено умовамижиття, особливо сезонним ритмом температурного режиму.

Морозостійкість рослин пояснюється низкою особливостей. На думкубільшості вчених, вона пов'язана, по-перше, з походженням виду.
Наприклад, вихідці зі Сходу звичайно більш морозостійкі, ніж західні види.
Особливо чутливі до морози види південного походження. При цьому слідвраховувати характер середовища існування, вихідцями з яких рослини є.
Відомо, що рослини рівнинних місць зони тропічних лісів і жаркихпустель абсолютно неморозостійкі, а рослини високогірній тієї жтропічної зони проявляють високу здатність до холодостійкість.

Інший дуже важливою особливістю, що забезпечує морозостійкістьрослин, є їх здатність проходити загартовування. Під закаліваеніемрозуміють придбання рослинами властивостей зимостійкості [1] під впливомкомплексу зовнішніх умов. При цьому відбуваються зміни фізіологічногостану рослин.

Гарт озимих і деревних порід проходить у два етапи. На першому етапів зимуючих органах йде накопичення цукрів, обумовлене денними
(+10 ... +15 ЄС) і нічними (близько 0єС) температурами. У цих умовах йдевдень процес фотосинтезу дає велику кількість цукрів, при низьких нічнихтемпературах вони не встигають витрачатися на дихання і зростання, а відкладаютьсяпро запас. Другий етап загартовування протікає в рослинах при слабких морозах

(-2 ...- 5єС), під час яких організм набуває повнуморозостійкість. До цього моменту вже фотосинтез припиняється, а в клітинах ітканинах рослин завершується ціла низка своєрідних біохімічних ібіофізичних процесів. У результаті помітно підвищується осмотичний тиск,посилюється в'язкість цитоплазми, в клітинному соку збільшується кількістьдубильних речовин і антоциана. Більша частина запасного крохмалюперетворюється знову в цукру. Цікаво, що з настанням зими в клітинахтканин кори у багатьох хвойних рослин поряд з сахарозою, глюкозою тафруктозою в значній кількості є і такі цукру, як стахіоза ірафіноза, які влітку там практично відсутні.

Як показали дослідження, загартування рослин багато в чому залежить віднакопичення запасних поживних речовин. Причому в надземних органахрослин звичайно відкладаються цукру та олії, а в підземних органах --крохмаль. Накопичені речовини рослина використовує протягом зими надихання. За рахунок цих же речовин здійснюється ріст рослин на початкувесни.

Великий запас цукру, головним чином глюкози, що міститься в зимуючихорганах рослин, привів вчених до висновку про його захисної ролі, що виявляєтьсяне тільки в збільшенні осмотичного тиску в клітинах, а й успецифічному хімічному дії його на цитоплазму, завдяки чому підвпливом морозу не відбувається коагуляції. Крім того, у рослинспостерігається велике накопичення олії у внутрішніх шарах деревини, вонопідвищує стійкість організмів до сильних морозів. Масло перш за всевитісняє воду з вакуоль і цим оберігає її від замерзання. Далі,відкладаючись в самій цитоплазмі, робить її незрівнянно більш стійкою доморозу та інших несприятливих впливів зимового періоду. Таку ж рольграють і інші відкладають у вакуолі і протоплазмі речовини - крохмаль іOH R3COOH

ЖИР Гліцерин ЖИРНИХ

КИСЛОТИ,де R1, R2, R3 - радикали високомолекулярних жирних кислот.

Жирні кислоти піддаються активації та окислення. В якостіпродукту реакції утворюються молекули ацетілкофермента-А, якізалучаються до ЦМКЛ трикарбонових кислот.

При дозріванні насіння з цукрів, альдегідів, гліцерину та жирних кислотсинтезуються жири. Ліпази також каталізують перетворення ліпідів, що входятьв систему клітинних мембран, що складаються з двох шарів ліпідів та двохнеліпідних шарів.

ліпоїдами - це хімічно близькі до жирів речовини. У них зазвичай одинжирнокислотного залишок замінений іншою речовиною, наприклад, гліколіпіди, уяких один залишок жирної кислоти заміщений цукром. Гліколіпіди містятьсяв листі. До ліпоїдами відносяться і фосфоліпіди.
Ліпоїдами входять до складу клітинних органоидов - мітохондрій і пластид;беруть участь у регуляції проникності клітини для вступників до неїречовин. Воску оберігають листя, стебла і плоди від висихання,попереджають змочування водою, оберігають від пошкодження інфекційнимихворобами.

Вчені розробили теорію транспорту органічних речовин, за якоюпроцес пересування органічних речовин по сітовідним трубках пов'язаний зобміном речовин і використанням енергії дихання (АТФ). Доведено, щошвидкий рух органічних речовин супроводжується інтенсивним диханням.
У деревних рослин важливою споживає зоною є камбіальний шарпрута, коренів. Щорічне потовщення стовбурів дерев, образовиваніекілець наочно свідчить про це. У роки рясного плодоношеннядеревних порід в силу великого припливу "органіки" спостерігається обмеженняхарчування і зменшення річного приросту деревини.

Середня швидкість руху для різних речовин в рослині може бутитакий (см на годину): амінокислоти - 90, сахароза 70-80, неорганічні солі 20 -
40.

Таким чином, переміщення і транспортування органічних речовин врослині - складний фізіологічний процес.

Механізм захисної дії ліпідів.

Він пов'язаний із регулюванням вмісту води в клітинах. У морозостійківидів підготовка до зими починається заздалегідь. Один з її етапів --зневоднення клітин. Жири, накопичуючись у клітинах, витісняють з них воду.
Що залишилася, вода міцно пов'язана з молекулами білків, вуглеводів і втрачаєздатність до кристалізації. Тому у морозостійких видів кристали льодув клітинах кристали льоду не утворюються. При значному зниженнітемператури кристали льоду починають утворюватися в міжклітинниках.
Кристали ростуть, відтягуючи воду з клітин. Сильне зневоднення тежшкідливо: воно призводить до руйнування структури мембран, білків, нуклеїновихкислот. Збільшення вмісту жирів на поверхні протоплазми перешкоджаєподальшого виходу води з клітин і тим самим підвищує стійкістьрослин до морозів. Морозостійкість пов'язана з накопичення в клітинах нетільки жирів: але і розчинних цукрів.

Досліди і спостереження.

Досвід № 1 "Чи багато поживних речовин в опалому листі?"

Мета: переконатися в здатності рослин економити поживні речовини за допомогою методу крохмальної проби.
Обладнання та об'єкти: розчин Люголя, 50 мл 96% етилового спирту, 30зеленого листя з верхівки пагона і 30 жовтих листя з підстави втечітополі звичайного.

Хід досвіду:
1. Дата проведення досвіду 13.09.00. Зірвав з тополі звичайного по 30 листів-зелених з верхівки пагона і жовтих - з підстави втечі.
2. Прокип'ятити окремо жовті й зелені листя у воді до повного відмирання клітин. Потім помістив у гарячий спирт (на водяній бані) для видалення пігментів.
3. Знебарвлені листя обробив розчином Люголя.
4. Результати досвіду: зелене листя під дією йоду забарвилося в синій колір, а жовті не змінили забарвлення.

Висновок: посиніння листя відбувається в результаті взаємодії йоду зкрохмалем, отже, жовте листя крохмалю не містять. Передлистопадом крохмаль перетворюється в розчинні цукру, які за який проводитьпучкам переміщуються в запасаючих органи: стебло і коріння (деревнірослини), насіння (трав'янисті одно-дворічні). У клітинах стебла і кореняз розчинних цукрів знову синтезується крохмаль.

Досвід № 2: "Доля" запасного крохмалю ".

Мета: простежити за перетвореннями запасного крохмалю в стеблах хвойних ілистяних порід дерев.
Обладнання та об'єкти: розчин Люголя, шматочки пагонів верби козячої, бузкузвичайної, модрини європейської, сосни звичайної.

Хід досвіду:
1. Досвід розпочато 30.10.99 року, після закінчення листопада.
2. Один раз на місяць зрізав по 2 невеликих втечі верби козячої, бузку звичайної, модрини звичайної, сосни звичайної. Робив поздовжній розщепив і за допомогою розчину Люголя визначав наявність крохмалю.
3. Вміст крохмалю висловлював в балах:

4 бали - синьо-чорний колір (вміст крохмалю висока)

3 бали - темно-синій колір (вміст крохмалю середнє)

2 бали - світло-синій колір (вміст крохмалю низьке)

1 бал - блакитний колір (сліди крохмалю)

0 балів - жовтий колір (крохмаль відсутній).
4. Результати дослідів заніс до таблиці:

Таблиця № 1 "Зміна вмісту крохмалю в стеблах деревних порід"
| Дата | Вміст крохмалю в балах |
| проведення | |
| досвіду | |
| | Верба козина | Бузок | Модрина | сосна |
| | | Звичайна | звичайна | звичайна |
| 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 |

Досвід проведено в трьох повторно для отримання більш достовірного результату.

Висновок: спостерігав коливання вмісту крохмалю, до середини зими у сосни і модрини крохмаль майже зник. Такі коливання пов'язані з розпадом крохмалю і накопиченням жирів в вакуолях клітин і в цитоплазмі. Накопичення жирів у клітинах дозволяє рослинам перезимувати. Ці процеси посилюються при настанні сильні холоди. Підвищення температури повітря в кінці зими викликає розпад жирів і повторне накопичення крохмалю. На початок сокоотделенія і розпускання бруньок запасний крохмаль остаточно розпадається з утворенням розчинних цукрів

У верби і бузку проби трохи відрізняються від проб на крохмаль у хвойних. Чи не спостерігається повного зникнення крохмалю до середини зими, тому що він служить енергетичним матеріалом, за рахунок якого рослини живуть взимку. Він підвищує стійкість клітин до морозів. Тому в залежності від характеру перетворення крохмалю деревні рослини поділяють на дві групи: крохмалисті (куди увійшли верба і бузок) маслянисті (хвойні).

Досвід № 3 "Підвищення морозостійкості рослин"

Мета : з'ясувати роль цукру в підвищенні морозостійкості тканин коренеплоду буряка столового.

Обладнання та об'єкти: коренеплід буряка столового, 3 пробірки, штатив, термометр (на 25єС), лід, кухонна сіль, пробковий свердло, розчини сахарози.

Хід досвіду:

1. Пробковий свердлом з коренеплоду вирізав 6 невеликих однакових платівок (2х0, 5 см) платівок.

2. Ретельно промив їх водою, щоб видалити антоціан (міститься в вакуолях клітин, розчинний у воді - бетаціанін) з розрізнених клітин.

3. Помістив платівки буряка в пробірки.

У першу налили на 1/4 обсягу воду.

У другу пробірку - стільки ж 0.5 М розчину сахарози.

У третій - стільки 1,0 М розчину сахарози.

Кількість розчину в пробірках і кількість платівок буряків однаково.

4. Пробірки помістив у охолодну суміш: до 3 частин подрібненого льоду додав 1 частина повареної шари, переміщував.

5. Виміряв температуру суміші, коли вона опустилася до 20єС, вміст пробірки замерзло.

6. Через 20 хвилин дістав пробірки і поставив у склянку з водою кімнатної температури для відтавання. Після цього порівняв забарвлення розчину в пробірках.

Висновок: вихід антоцианів з вакуоль в розчин означає, що клітини загинули,мембрани їх зруйновані і вже не можуть утримати вміст клітини. Упробірках з 0,5 М і 1,0 М розчинами сахарози колір відрізняється від контролю.
Чим вище концентрація сахарози, тим слабша пофарбований розчин. Зменшеннявиходу антоциана з тканин коренеплоду буряків, що знаходилися в розчинахсахарози, свідчить про те, що сахарози надала захисну дію нацитоплазму клітин при їх заморожування. Ступінь захисної дії залежитьвід концентрації сахарози: в більш концентрованому розчині (1,0 Мрозчині) пошкодження тканин виявився мінімальним.

Пояснення до досвіду № 3.

Раптове, протягом 15-20 хвилин, зниження температури від 20 до
-20єС викликає в клітинах коренеплоду, що знаходився в пробірці з водою,утворення льоду безпосередньо в цитоплазмі. Кристали льоду ушкоджуютьструктуру клітин, вони гинуть. Захисна дія сахарози в другій ітретій пробірках пов'язано з надходження сахарози з розчину в клітини і звиходом води з клітин у зовнішній, більш концентрований розчин. Чимвище кількість сахарози в клітині, тим нижче температура замерзанняцитоплазми, так як сахарози, пов'язуючи внутрішньоклітинну воду, зменшує їїрухливість. Зневоднення клітин також підвищує їх стійкість до діїморозів, перешкоджаючи внутрішньоклітинного утворення льоду. Не випадково удеревних рослин взимку накопичується в клітинах 10% цукрів, у озимихзлаків - до 50%.

Результати дослідів дозволяють зрозуміти, чому для успішної зимівлі, якозимих трав'янистих рослин, так і деревних, важлива сонячна осінь.

При знижених нічних температурах, що сповільнює відтік цукрів уінші частини рослини, в зеленому листі накопичуються вуглеводи. Самаянизька температура, яку витримують найбільш морозостійкі сорти озимоїжита - близько-30єС на рівні грунту.

Це не дуже високий ступінь морозостійкості. Адже ниркидеревних порід у Сибіру витримують до-70єС. Така температураспостерігається в Якутії, де ростуть ялина сибірська, сосна звичайна, березипухнаста, осика. Додаткову морозостійкість ниркам цих видів надаєстан глибокого спокою, перехід в яке супроводжується сильнимзневоднюванням клітин, накопиченням жирів, вуглеводів, зміна складубілків.

Загальний висновок за виконану роботу.

По ходу виконання роботи я підбирав і вивчав спеціальний літературуз даної теми, провів досліди і спостереження.
1. Фізіологічні і біохімічні процеси в зелених рослинах тісно пов'язані з вуглеводами, які виробляються в клітинах самої рослини.

Вуглеводи - основні поживні та скелетні матеріали клітин і тканин рослини. Крохмаль є основним вуглеводом, складається з амілози і амілопектину і деякої кількості інших речовин. Крохмаль піддається реакцій гідролізу, з утворенням моносахаридів, реакції каталізується ферментами? - І?-Амілазами.

До групи Вуглеводів глікозидів відносяться антоциани - основні пігменти клітинного соку забарвлених частин рослин (пелюсток квіток, плодів, коренів, стебел) .

Фізіологічна роль глікозидів мало вивчена, але їх утворення пов'язане з фізіологічною функцією цукрів у рослинах, також глікозиди - запасний матеріал для синтезу цукрів і пов'язаних з ними комплексів.
2. Велика роль належить вуглеводів у підвищенні морозостійкості тканин і клітин рослин, що дозволяє їм переносити температуру нижче 0єС.

Нечутливість до морозів досягається фізико-хімічними змінами в клітинах.

Провівши досліди, я переконався, що перед листопадом крохмаль перетворюється в розчинні цукру і відтікає в запасаючих органи: стебла, коріння, насіння. В останніх відбувається зворотні реакції - перетворення цукрів у крохмаль. Тобто, рослини здатні "економити" вуглеводи, тому що їх роль в житті рослини дуже значуща.
3. У ході проведення тривалого спостереження за "долею" запасного крохмалю з'ясував, що до середини зими крохмаль з деревини сосни та модрини

"зникає". Відбувається хімічна перебудова вуглеводів, вони перетворюються на жири, що допомагає клітинам цих рослин перезимувати.

Ці процеси посилюються з настанням сильних холодів. Підвищення температури повітря в кінці зими викликає розпад жирів і повторне накопичення крохмалю. На початок сокодвіженія і розпускання бруньок запасний крохмаль остаточно розпадається з освітою розчинних цукрів.

Такі процеси відбуваються в деревині маслянистих порід дерев

(хвойних). У деревині "крохмалистих" порід (вербі та бузку) не відбувається повного переходу крохмалю в жири, частина його залишається, тому що крохмаль також служить енергетичним матеріалом, за рахунок якого рослини живуть взимку. Жири, накопичуючись у клітинах, витісняють з них воду. Решта вода міцно пов'язана з молекулами білків та вуглеводів, втрачає здатність до кристалізації. Тому у морозостійких видів кристали льоду в клітинах не утворюються.
4. З'ясував на досвіді, як вуглевод сахароза підвищує морозостійкість такого запасаючих органу як коренеплід буряка столового. Раптове зниження температури викликало в клітинах коренеплоду, що знаходився в пробірці з водою, утворення льоду в цитоплазмі. Кристали льоду ушкоджують структуру клітин і вони гинуть. Спостерігав захисну дію сахарози на клітини коренеплоду, так як з розчину сахароза надходить в клітини, а вода з клітин - в зовнішній, більш концентрований розчин.

Чим вище кількість сахарози в клітині, тим нижче температура замерзання цитоплазми, так як сахароза пов'язує внутрішньоклітинну воду, зменшує її рухливість. Зневоднення клітин також підвищує їх стійкість до дії морозів, перешкоджаючи внутрішньоклітинного. Ступінь фарбування визначав щодо виходу з вакуоль зруйнованих клітин антоциана - бетаціана.

У результат виконання цієї роботи я розширив свій кругозір в галузі фізіології рослин, дізнався багато нових і цікавих фактів з життя рослин.

Список використаної літератури.
1. Гусєва М.В. "Малий практикум з фізіології рослин" Москва, 1997 рік.
2. Крамер П.Д. , Козловський Г.Г. "Фізіологія деревних рослин", Москва,

1998 рік.
3. Кретович В.Л. "Біохімія рослин", Москва, 1990 року
4. Кудряшов К.В., Родіонова Г.Б., Гуленкова Б.А., Козлова В.М. "Ботаніка з основами екології" Москва, "Світ", 1996 рік.
5. Пономарьова І.М. "Екологія рослин з основами Біогеоценологія" Москва,

"Просвіта", 1978 рік
6. Туманов И.И. "Фізіологія загартовування і морозостійкості рослин" Москва,

"Наука", 1998 року.
7. К. Віллі, "Біологія", Москва, "Світ", 1997 рік.
8. Н. Грін, У. Стаут, Д. Тейлор "Біологія", Москва "Мир", 1996.

--------------------- -
[1] Зимостійкість - здатність рослин переносити різнінесприятливі умови протягом холодної пори року.

холодостійкість - здатність рослин переносити низькі позитивнітемператури.