植物逆境脅迫類型題目例析及拓展

唐文芝

(安徽省碭山中學)

近年來高考常考查逆境脅迫類題目,學生的得分率不高。這類試題與光合作用等細胞代謝的知識聯(lián)系在一起,學生常因概念不清、不能獲取有效信息、回答不規(guī)范等各種問題而失分。常見的逆境脅迫有干旱脅迫、鹽脅迫、低溫脅迫、強光脅迫等,本文對幾個環(huán)境脅迫類型的例題進行分析,并且在查閱相關資料含大學教材的基礎上,對各種環(huán)境脅迫下生物的響應機制進行簡要闡述,以期提高得分率。

一、干旱脅迫

例題1：將生長在水分正常土壤中的某植物通過減少澆水進行干旱處理,該植物根細胞中溶質濃度增大,葉片中的脫落酸(ABA)含量增高,葉片氣孔開度減小,回答下列問題。

(1)經(jīng)干旱處理后,該植物根細胞的吸水能力________。

(2)與干旱處理前相比,干旱處理后該植物的光合速率會________,出現(xiàn)這種變化的主要原因是______________________________。

(3)有研究表明:干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的,而是由ABA引起的,請以該種植物的ABA缺失突變體(不能合成ABA)植株為材料,設計實驗來驗證這一結論,要求簡要寫出實驗思路和預期結果。

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_________________________________________

【答案】(1)增強 (2)降低 氣孔開度減小使供應給光合作用所需的CO2減少 (3)實驗思路:取ABA缺失突變體植株在正常條件下測定氣孔開度,經(jīng)干旱處理后,再測定氣孔開度。預期結果是干旱處理前后氣孔開度不變。將上述干旱處理的ABA缺失突變體植株分成兩組,在干旱條件下,一組進行ABA處理,另一組作為對照組不做處理,一段時間后,分別測定兩組的氣孔開度。預期結果是ABA處理組氣孔開度減小,對照組氣孔開度不變。可說明干旱條件下植物氣孔開度減小是ABA引起的。

【解析】本題以干旱脅迫下植物根細胞中溶質濃度變化、葉片中的脫落酸(ABA)含量變化和葉片氣孔開度變化為背景考查滲透作用、光合作用和實驗設計等相關知識。(1)當細胞中溶質濃度增大時,細胞滲透壓增大,對水分子吸引力也增大。(2)葉片氣孔開度變化會影響植物對二氧化碳的吸收,進而影響光合作用的暗反應。(3)根據(jù)題意分析,實驗目的為驗證干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的,而是由ABA引起的,故實驗應分為兩部分:①證明干旱條件下植物氣孔開度變化不是缺水引起的;②證明干旱條件下植物氣孔開度減小是ABA引起的。該實驗材料為ABA缺失突變體植株(不能合成ABA),自變量應分別為①正常條件和缺水環(huán)境、②植物體中ABA的有無,因變量均為氣孔開度變化,據(jù)此設計實驗。實驗設計必須遵循單一變量原則、等量原則、對照原則等。

拓展：干旱是農業(yè)生產活動中常見的非生物脅迫因素之一,植物細胞失水時,根細胞萎縮,具有吸水能力的纖細根毛受到傷害。根毛的損傷會影響水分的吸收。干旱時植物為應對缺水環(huán)境,植物根冠生長速率增加;通過ABA調節(jié)氣孔開放避免過度失水;當土壤含水量由于蒸發(fā)或含鹽量提高而下降時,根部細胞可以通過主動運輸積累細胞內溶質的形式提高吸水能力。

二、鹽脅迫

例題2：據(jù)第二次全國土壤普查資料統(tǒng)計,在不包括濱海灘涂的前提下,我國約有5億畝鹽堿地(1畝≈666.7 m2),可開發(fā)利用的面積達2億畝,合理開發(fā)利用這些鹽堿地資源,對保障我國糧食安全、促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展、改善生態(tài)環(huán)境以及推動區(qū)域經(jīng)濟社會協(xié)調發(fā)展具有重要意義。研究表明,高鹽度環(huán)境下大量的Na+進入植物細胞,在細胞質基質中積累后會抑制酶的活性,從而影響植物生長。某些耐鹽植物能夠在高鹽度環(huán)境中正常生長,部分生理過程如圖1。回答下列問題:

圖1

(1)圖中Na+通過載體SOSI的運輸方式為________,與其通過載體NHX的運輸方式________(填“相同”或“不同”)。

(2)據(jù)圖分析,耐鹽植物降低Na+毒害的策略有________(答出2點即可)。

(3)研究發(fā)現(xiàn),耐鹽植物還可以通過改變水分來提高耐鹽性。由此推測,高鹽度環(huán)境中的耐鹽植物細胞中自由水和結合水的比值相對較________(填“高”或“低”)。

(4)土壤中的鎘(Cd)是一種毒性很大的重金屬元素,會使植物生長不良。有人提出,在200 μmol/L的鎘處理下,外源鈣能緩解鎘的毒害,且在0～10 mmol/L鈣處理濃度范圍內鈣濃度越高,緩解效果越明顯。請利用耐鹽植物設計實驗進行驗證:________(寫出實驗設計思路即可)。

【答案】(1)主動運輸 相同 (2)利用細胞膜內外的氫離子濃度差和細胞膜上的SOSI載體,將多余的鈉離子運出細胞;利用液泡膜內外的氫離子濃度差和NHX載體將鈉離子運入液泡 (3)低 (4)選擇生長狀態(tài)相近的耐鹽植物,都進行200 μmol/L的鎘處理,并且分別給予不同濃度的外源鈣(濃度在0～10 mmol/L之間),一段時間后,觀察植物的生長狀況

【解析】本題以鹽脅迫下,植物細胞內離子濃度的改變?yōu)楸尘翱疾槲镔|的輸入和輸出、實驗設計等知識。(1)分析題圖,根細胞的細胞質基質中pH為7.5,而細胞膜外和液泡膜內pH均為5.5,細胞質基質中H+含量比細胞膜外和液泡膜內低。將H+運進細胞質基質是順濃度梯度進行的,SOSI和NHX利用H+的濃度差(電化學梯度)分別將Na+排出細胞和運進液泡。但是維持H+的濃度差要逆濃度運輸,要消耗能量。所以利用H+的濃度差運輸Na+屬于協(xié)同運輸,是主動運輸?shù)囊环N形式。(3)結合水比例越高,抗逆性越強,所以高鹽度環(huán)境中的耐鹽植物細胞中自由水和結合水的比值較低。(4)該實驗自變量是外源鈣離子濃度,因變量是植物生長發(fā)育狀況。實驗可選擇生長狀態(tài)相近的耐鹽植物,都進行200 μmol/L的鎘處理,再分別給予不同濃度的外源鈣(濃度在0～10 mmol/L之間)處理,一段時間后,觀察植物的生長狀況。

拓展：植物受鹽害的原因主要有兩方面:一方面土壤水分減少,土壤溶液濃度增大,植物吸水能力降低引發(fā)生理干旱。另一方面鹽脅迫下植物體內離子濃度升高,高濃度離子對所有植物的胞內代謝都是有毒的,可能會引起原生質層凝集、蛋白質合成受阻等,甚至導致細胞死亡。鹽脅迫下植物會有一系列生理響應,主要通過滲透調節(jié)物質的積累,包括無機鹽離子和有機小分子,促進細胞吸水,保持水分平衡。除此之外,液泡膜上存在兩個H+泵:H+-ATPase和H+-PPase,它們分別通過水解ATP和焦磷酸(PPi)產生能量進行定向運輸,在液泡膜兩側形成質子梯度,提供能量驅動液泡膜上Na+/H+反向轉運體,使Na+被動進入液泡,減輕Na+對蛋白質的毒害作用,又起到滲透調節(jié)作用,緩解水分脅迫,從而保護自身免受侵害。

三、低溫脅迫

例題3：低溫脅迫使植物生長延緩,發(fā)育受到抑制,是制約糧食作物和經(jīng)濟作物高產、穩(wěn)產的重要因素。某科研小組研究了輕度低溫脅迫和重度低溫脅迫對植物的影響,下表表示對照組、輕度低溫脅迫組和重度低溫脅迫組測得的植物凈光合速率、氣孔導度及胞間二氧化碳濃度的比較;圖2和圖3分別表示對照組和低溫脅迫下的葉綠素含量,已知葉綠體中只有少量的葉綠素a具有轉化光能的作用。據(jù)此回答下列問題:

組別對照輕度低溫重度低溫凈光合速率6.205.683.66氣孔導度0.1820.1640.138胞間二氧化碳濃度242234252

圖2

圖3

(1)已知低溫會使葉綠素(a+b)含量下降,由圖可知,葉綠素b的降解速率________(填“大于”或“小于”)葉綠素a的降解速率,請從植物對環(huán)境適應的角度分析原因:________;低溫脅迫下葉綠素含量下降,原因除了低溫會使葉綠素分解外,還可能是________。

(2)據(jù)表分析可判斷,與對照組相比,輕度低溫脅迫下該植物吸收的二氧化碳的量________(填“減少”或“增加”)。重度低溫脅迫下,限制光合作用的主要因素________(填“是”或“不是”)氣孔因素,如果是,說明原因,如果不是,從暗反應角度說明限制光合作用的主要因素是________。

【答案】(1)大于 葉綠素a比例增加有助于植物對光能的及時轉換,提高光合速率 低溫會影響葉綠素合成酶的活性,使葉綠素合成受阻 (2)減少 不是 固定二氧化碳相關的酶的活性

【解析】本題以低溫脅迫條件下,色素含量的變化、酶活性下降等為背景考查酶的作用、光合作用的原理等相關知識。(1)由題圖可知,與對照組相比,低溫脅迫下葉綠素a/b的值更高,說明葉綠素b的降解速率大于葉綠素a的降解速率;葉綠素a比例增加有助于植物對光能的及時轉換,提高光合速率,使植物更加適應環(huán)境;低溫脅迫下,葉綠素含量下降,可能的原因是低溫使葉綠素分解和低溫會影響葉綠素合成酶的活性,使葉綠素合成受阻。(2)據(jù)題表分析,與對照組相比,輕度低溫脅迫下,氣孔開度及胞間二氧化碳濃度均更低,說明通過氣孔進入的二氧化碳的量減少,從而影響光合速率;與對照組相比,重度低溫脅迫下,雖然氣孔開度更低,但胞間二氧化碳濃度更高,說明限制光合作用的主要因素不是氣孔因素,可能是固定二氧化碳相關的酶的活性。

拓展：冰點以上低溫能夠造成冷害,通常來說,熱帶和亞熱帶植物對冷害敏感,細胞膜會由于冷害而失去穩(wěn)定性,降低膜的流動性,內部所包含的蛋白質也不能正常行使功能,抑制了許多生化反應,包括H+泵ATP酶的活性、溶質內外轉運、能量傳導及酶依賴的代謝反應。為應對環(huán)境變化,植物往往會積累滲透調節(jié)的物質,如:可溶性糖可以通過降低細胞水勢來增強持水力;可溶性蛋白質含量增加,因其親水膠體性質較強,可增加細胞束縛水含量和原生質彈性。另外,低溫下植物為了維持一定的物質積累,滿足正常的生長需求,自身呼吸作用也會降低。

四、強光脅迫

例題4：葉片吸收的過剩光能會造成氧自由基等有害物質的積累。非光化學淬滅(NPQ)可通過葉綠體中葉黃素的某些化學反應將過剩光能以熱能形式散失,NPQ機制的啟動和關閉特點如圖4所示(虛線表示能量流向)。回答以下問題:

圖4

(1)分離光合色素的方法是________。光合色素吸收的光能轉化為________和________中的化學能。

(2)NPQ過程發(fā)生場所是________,通過NPQ機制散失的能量________(填“能”或“不能”)被植物利用。

(3)NPQ降低強光對葉綠體造成損傷的原因是________。

(4)科研人員通過基因工程手段獲得了VPZ基因過量表達的大豆株系,該株系在由強光轉為弱光后NPQ機制關閉的時間縮短。在進行大田種植時,與野生型相比轉基因大豆產量將________,可能的原因是________;在穩(wěn)定適宜光照條件下,與野生型相比,轉基因大豆的產量________(填“有”或“無”)顯著差異。

【答案】(1)紙層析法 ATP NADPH (2)(葉綠體)類囊體薄膜 不能 (3)強光條件下,NPQ將葉綠體吸收的過剩光能轉化為熱能散失,減少了自由基的產生,從而減輕自由基對葉綠體結構的破壞 (4)提高 大田種植時,光照強弱轉變頻繁,轉基因大豆通過縮短NPQ機制關閉的時間,可減少光能的損失,提高作物產量 無

【解析】本題以強光脅迫下,自由基產生對植物葉片結構和功能損傷為背景,考查光合作用色素提取和分離、光合作用原理等知識內容以及從題目中獲取有效信息的能力。(1)用紙層析法分離光合色素。根據(jù)光合作用的過程,葉綠體中光合色素吸收的光能,啟動光反應過程,主要有兩個用途,一是在酶的催化作用下,提供能量促使ADP和Pi反應形成ATP,即ATP的形成。二是將水光解,產生氧氣和NADPH。(2)據(jù)題干信息“非光化學淬滅(NPQ)可通過葉綠體中葉黃素的某些化學反應將過剩光能以熱能形式散失”,而葉綠體中色素分布在類囊體薄膜上,故推測NPQ過程發(fā)生場所是葉綠體類囊體薄膜上。通過NPQ機制散失的能量形式為熱能,植物體不能利用熱能。(3)強光條件下,植物接受過多光照可能會造成氧自由基等有害物質的積累,NPQ將葉綠體吸收的過剩光能轉化為熱能散失,減少了自由基的產生,從而減輕自由基對葉綠體結構的破壞。(4)與野生型大豆相比,轉基因大豆在由強光轉為弱光后,NPQ機制關閉的時間縮短,說明同樣環(huán)境條件下,轉基因大豆的光合作用效率比野生型高,減少光能的損失。因此轉基因大豆的產量比野生型的產量高。在穩(wěn)定適宜光照條件下,葉片吸收適量光能,NPQ機制不啟動,因此與野生型相比,轉基因大豆的產量無顯著差異。

拓展：作為光合自養(yǎng)生物,植物依賴并精巧地利用可見光,通過光合作用維持一種碳平衡。強光會直接導致光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的損傷,類囊體膜不飽和的脂肪酸使膜具有流動性,提高了光系統(tǒng)修復能力和PSⅡ活性的恢復能力。強光下,光合色素會吸收過量光能產生高能電子,電子數(shù)量超過了NADP+的可利用量,導致活性氧ROS的過量產生,過量的ROS會破壞膜系統(tǒng)、蛋白質、脂質、DNA和RNA,抑制細胞內發(fā)生的生化過程,損害細胞的代謝功能。機體會通過抗氧化機制將其清除,以免細胞受氧化傷害。

環(huán)境脅迫對植物生長發(fā)育有著重要的影響,學生通過做題可以總結出植物應對環(huán)境脅迫的機制主要是通過激素變化、氣孔調節(jié)、滲透調節(jié)、活性氧清除以及細胞結構變化等方面實現(xiàn)的。