 |
Раздел 7. Синтез АТФ в растительной клетке
|
|
|
|
Тема 29. Роль и механизмы синтеза АТФ
Понятие о метаболической энергии. Роль АТФ в метаболизме. Энергетический (аденилатный) заряд клетки.
Субстратное фосфорилирование: механизмы, локализация, масштабы.
Сопряженное фосфорилирование. Хемиосмотическая теория П. Митчелла. Сопрягающие мембраны зеленой клетки. Генерация трансмембранного потенциала в хлоропластах и митохондриях. Сопрягающий фактор: структура и функции. Регуляция сопряженного фосфорилирования.
Раздел 8. ЭВОЛЮЦИЯ УГЛЕРОДНОГО МЕТАБОЛИЗМА И БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ
Тема 30. Стратегические аспекты эволюции
Понятие о семах. Роль метаболонов в трофической эволюции. Участие геи в эволюции атмосферы и климата Земли.
Тема 31. Основные этапы трофической эволюции
Абиогенный синтез органический веществ. Первичная гетеротрофия. Гетеротрофный синтез. Анаэробное дыхание. Хемосинтез (хемоавтотрофия). Фотоавтотрофия: фоторедукция и оксигенный фотосинтез. Вторичная гетеротрофия.
Раздел 9. ВЗАМОСВЯЗИ И РЕГУЛЯЦИЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Тема 32. Функционирование растения как целостного организма
Информационный обмен и координация физиологических функций. Коммуникационные и транспортные системы. Роль электрофизиологических процессов и донорно-акцепторных взаимосвязей.
Тема 33. Взаимоотношения и регуляция физиологических процессов
Взаимосвязи фотосинтеза и дыхания в зеленой клетке. Цикл Кребса и синтез хлорофилла.
Регуляция ферментативной активности через концентрацию метаболитов и экспрессию/репрессию генома. Взаимосвязь ядерного и пластидного геномов в синтезе компонентов фотосинтетического аппарата.
|
|
|
Требования к результатам освоения курса
В результате изучения дисциплины студенты должны приобрести глубокие и на современном научном уровне знания по энергетике и углеродному метаболизму, механизмам поглощения и выделения веществ, специфике водообмена и минерального питания, физиологическим основам роста и развития. Во всех разделах дисциплины детерминируется идея незаменимой роли взаимосвязи структуры и функции, а также регуляторных и компенсаторных механизмов в жизни растений. Знания, полученные студентами при освоении фитофизиологии, межпредметно связаны со следующими дисциплинами: морфология и анатомия растений, биологические основы сельского хозяйства, физика, химия, микробиология, экология, генетика, цитология, молекулярная биология и биотехнология.
Поскольку учебный план дисциплины включает лекционный курс, лабораторный практикум и летнюю полевую практику, в результате изучения физиологии растений специалист должен:
- иметь представление о биосферном и утилитарном значении растений, а также о вкладе, которые внесли фотоавтотрофные растения в эволюцию жизни на Земле;
- знать детальные механизмы основных физиологических функций растений;
- уметь использовать знания фитофизиологии при освоении других дисциплин предметов подготовки (ДПП) и проведении элективных курсов в школе;
- владеть навыками планирования проведения и анализа результатов экспериментов с растениями;
- приобрести навыки проведения лабораторных работ и демонстрационных опытов с растениями.
Принятая структура компетенций
Дисциплина способствует формированию следующих компетенций, предусмотренных ФГОС по направлению 050100 Профиль подготовки: «Биология»
СК-1 - владение основными биологическими понятиями, знаниями биологических законов и явлений, знаком с выдающимися биологическими открытиями, способен оценить роль биологической науки в формировании современной естественнонаучной картины мира;
|
|
|
СК-3 - способность объяснять химические основы биологических процессов и физиологические механизмы работы различных систем и органов растений, животных и человека, распознавать механизмы адаптации к разным средам обитания;
СК-8 - способностью к самостоятельному проведению исследований, постановке естественнонаучного эксперимента, использованию информационных технологий для решения научных и профессиональных задач, анализу и оценке результатов лабораторных и полевых исследований;
Матрица соотнесения разделов курса и формируемых компетенций
| № п/п | Наименование раздела/темы дисциплины | Кол-во часов (Ауд. + СРС) | Коды формируемых компетенций | |||
| Очная форма обучения | Заочная форма обучения | СК-1 | СК-3 | СК-8 | ||
| Структурная и функциональная организация растительной клетки | + | + | ||||
| Водообмен растений | + | + | + | |||
| Минеральное питание растений | + | + | + | |||
| Физиологические основы роста и развития растений | + | + | + | |||
| Фотосинтез | + | + | + | |||
| Дыхание | + | + | + | |||
| Синтез АТФ в растительной клетке | + | + | ||||
| Эволюция углеродного метаболизма и биоэнергетических механизмов | + | + | ||||
| Взаимосвязи и регуляция физиологических процессов в растениях | + | + | + | |||
| Сумма | 144+8(семинары) |
Учебно-методическое и информационное обеспечение курса «Физиология растений»
4.1 Основная литература
1. Медведев С.С. Физиология растений. СПБ: Изд-во Петербургского университета, 2004. 335с.
2. Якушина Н.И., Бактенко Е.Ю. Физиология растений. М.: Владос, 2005. 463с.
4.2 Дополнительная литература
1.Полевой В.В. Физиология растений. М.: Высшая школа, 1989. 464с.
2. Мокроносов А.Т., Гавриленко В.Ф., Жигалова Т.В. Фотосинтез. Физиолого-экологические и биохимические аспекты. М.: ASADETA, 2006. 446С.
3. Головко Т.К. Дыхание растений. Физиологические аспекты. Санкт-Петербург: Наука, 1999.
4. Чирков Ю.Г. Фотосинтез: два века спустя. М.: Знание, 1981. 191с.
Лабораторный практикум
1. Баславская С.С., Трубецкова О.М. практикум по физиологии растений. М: Высшая школа, 1983. 135с.
|
|
|
2. Викторов Д.П. Малый практикум по физиологии растений. М.: Высшая школа, 1983. 135с.
3. Ганюшкина Л.Г., Музалева Л.Д. малый практикум по физиологии растений. Петрозаводск: ПГУ, 1973. 96с.
4. Третьяков М.Н. и др. Практикум по физиологии растений. М.: Агропромиздат, 1990. 271с.
5. Шабельская Э.Ф. Лабораторные занятия по физиологии растений. Минск: Высшая школа, 1981. 142с.
Полевая практика
1. Журбицкий З.И. Теория и практика вегетационного метода. М.: Наука, 1968. 266с.
2. Летние практические занятия по физиологии растений. П/ред. Миллер М.С. М.: Просвещение, 1973. 245с.
3. Шабельская З.Ф., Санько А.Н. Индивидуальные задания по физиологии растений на полевой практике. Минск: Высшая школа, 1982. 126с.
Контрольные работы
1.Артамонов В.И. Программированный учет знаний студентов заочников по курсу физиологии растений. М.: МГЗПИ, 1985. 63
Лабораторный практикум
| № и название разделов и тем | Цель и содержание лабораторной работы | Результаты лабораторной работы |
| Лабораторная работа №1. Осмотические свойства клетки | ||
| Раздел 1. СТРУКТУРНАЯ И ФУНКЦИОЛНЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ Тема 2. Поглощение и выделение веществ. | Продемонстрировать особенности и биологическую роль протоплазматических мембран и вакуоли. - получение искусственной клетки; - наблюдение за различными формами плазмолиза; - измерение осмотического давления. | - освоение методов демонстрации явлений плазмолиза в растительной клетке; - доказательство антагонистического влияния К+ и Са2+ на состояние протоплазм. |
| Лабораторная работа №2. Поглощение и выделение воды клеткой | ||
| Проиллюстрировать роль вакуоли и клеточной стенки в поглощение и выделение воды. - измерение сосущей силы клеток методом струек; - взаимосвязь сосущей силы с осмотическим давлением и тургорным натяжением (по Уршпрунг-Блюму). | - освоение методов измерения сосущей силы; - доказательство саморегуляции сосущей силы клетки в зависимости от содержания в ней воды. | |
| Лабораторная работа №3. Транспирация и устьичный аппарат листьев | ||
| Раздел 2. ВОДООБМЕН РАСТЕНИЙ Тема 4. Расходование воды растением. | Доказать зависимость транспирации от света и продемонстрировать эффект «краевого испарения». - измерение транспирации листьев весовым методом; - сравнение транспирации с верхнего и нижнего эпидермиса листа; - измерение количества устьиц и ширины устьичной щели; - движения замыкающих клеток устьиц. | - освоение методов измерения транспирации; - доказательство взаимозависимости ширины устьичной щели и оводненности листа. |
| Лабораторная работа №4. Антагонизм ионов. Биологические особенности корней. | ||
| Раздел 3.МИНЕРАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ Тема 6. Роль корней в жизни растений. Тема 7. Почва как источник минерального питания. | Показать антагонистические взаимоотношения ионов в ростовых процессах и связь структурных корней с их функциями. - антагонистическое влияние ионов на рост корней проростков; -определение объема площади адсорбирующей поверхности корней разных типов (по Колесову-Собинину) | - доказательство различий в размере и рабочей адсорбирующей поверхности у запасающих, проводящих и всасывающих корней хлорофитума. |
| Лабораторная работа №5. Ростовые движения органов растений. | ||
| Раздел 4.ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РОСТА И РАЗВИТИЯ Тема 13. Движения органов растений. | Показать способность корней и листьев воспринимать и реагировать на эдафические факторы. - гео-, хемо- и гидротропизм корней; - фототропизм листьев. | Освоение методов проведения демонстрационных опытов по движению растений. |
| Лабораторная работа №6 Фотосинтетические пигменты | ||
| Раздел 5. ФОТОСИНТЕЗ Тема 19. Фотосинтетические пигменты. | Изучить основные физические и химические свойства пигментов. - выделение и разделение пигментов; - действие кислоты и щелочи на хлорофилл; - оптические свойства хлорофилла (спектры поглощения, флуоресценция). | Знакомство с теми физико-химическими свойствами хлорофилла, которые обеспечивают выполнение хлорофиллом важнейшей функции – превращение световой энергии в химическую. |
| Лабораторная работа №7 Световая стадия фотосинтеза | ||
| Тема 20. Световая стадия фотосинтеза. | Показать окислительно-восстановительные функции возбужденного светом хлорофилла и выделение молекулярного кислорода как одного из продуктов фотохимической стадии. - фотосенсибилизирующее действие хлорофилла (по Гуревичу); - влияние интенсивности света и концентрации СО2 на выделение О2 листьями элодеи. | Доказательство роли хлорофилла как фотосенсибилизатора в реакциях между молекулами, не поглощающими оптическое излучение; функциональная взаимосвязь световых и темновых реакций фотосинтеза. |
| Лабораторная работа №8 | ||
| Тема 21. Темновая стадия фотосинтеза. | - накопление хлорофилла и сахаров на различных этапах зеленения этиолянтов; - интенсивность видимого и истинного фотосинтеза разновозрастных листьев разных растений (индикаторный метод). | Демонстрация зависимости фотосинтеза листьев от их функционального состояния и возраста. |
| Лабораторная работа №9 Гидролитические ферменты и дыхательный коэффициент набухающих и прорастающих семян | ||
| Раздел 6. ДЫХАНИЕ Тема 25, 26. Субстраты и ферменты дыхания. | Показать роль воды, гидролаз, типа запасных питательных веществ и дыхания на различных этапах набухания и прорастания семян. | Демонстрация триггерной функции воды при прорастании семян и зависимости величины дыхательного коэффициента от субстратов. |
| Лабораторная работа №10 Измерение интенсивности дыхания семян и цветов | ||
| Раздел 6. ДЫХАНИЕ | Установить связь дыхательной активности объекта с его физиологическим состоянием. - интенсивность дыхания семян на разных этапах набухания и прорастания; - дыхание листьев в зависимости от продолжительности предшествующего фотосинтеза. | Овладение методом оценки дыхательной активности по выделению СО2. |
Полевая практика
|
|
|
|
|
|
В ходе проведения полевой практики реализуются следующие задачи:
1. Формирование у будущих учителей умения и навыков по планированию и проведению полевых и вегетационных опытов с культурными растениями, обработке, оформлению и интерпретации полученного экспериментального материала.
2. Овладения методиками физиологических наблюдений за дикорастущими растениями.
3. Практической иллюстрации и закрепления теоретических знаний, полученных студентами в лекционном курсе по физиологии растений.
4. Сбора материала для выполнения курсовых и выпускных квалификационных работ.
Полевая практика проводится по четырем разделам фитофизиологии: физиология растительной клетки; физиология водообмена; физиология минерального питания; физиологические основы ростовых процессов.
Каждая академическая подгруппа проводит один полевой опыт, который дублируется постановкой вегетационного опыта по той же теме и с тем же объектом.
Тематика опытов
1. Влияние минеральных удобрений на физиологические особенности и продуктивность зерновых злаков. Схема опыта включает 5 вариантов: 1 – контроль. 2 – внесение полного минерального удобрения. 3 – внесение азотного удобрения. 4 – внесение фосфорного удобрения. 5 – внесение калийного удобрения.
2. Влияние площади питания на физиологические особенности и продуктивность зерновых злаков. Варианты опыта: 1 – посев с междурядьями 15 см (контроль). 2 - посев с междурядьями 10 см (загущенный посев). 3 - посев с междурядьями 30 см (разреженный посев).
В обоих опытах объектом служит яровая пшеница, ячмень и овес районированных сортов. Кроме полевого и вегетационного опытов, закрепленных за подгруппой, студенты разбиты на звенья из 3-х человек и выполняют исследования по темам, отраженным в учебно-тематическом плане. Наблюдения за растениями и исследование физиологических процессов проводятся по методикам, которые студенты осваивают на лабораторном практикуме, с привлечением методов, изложенных в учебных пособиях по полевой практике. В совокупности каждый студент за период полевой практики участвует в проведении 6-7 опытов.
Полевая практика продолжается 9 дней и проводится в два этапа. Весной студенты закладывают полевой и вегетационный опыт, а также выполняют некоторые наблюдения за растениями в природе. Основной объем работ выполняется в июле. В первую декаду июня уход и наблюдения за опытными растениями осуществляют студенты заочного отделения, продолжительность практики у которых составляет 5 дней. Такой календарь дает возможность изучить онтогенетические изменения физиологических процессов. Последние полтора-два дня практики отводятся для оформления экспериментальных материалов и подготовки докладов на заключительную конференцию, по результатам которой выставляется дифференцированный зачет.
Учебно-тематический план
Для студентов очной формы обучения
| № | Тематика работ | Кол-во дней |
| 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. | Подготовка опытного участка, посевного материала, почвы для вегетационного опыта. Закладка полевого и вегетационного опыта. Наблюдение за гуттацией листьев и плачем растений. Изучение морфолого-анатомических (плотность устьиц, размер клеток эпидермиса) и физиолого-биохимических (сосущая сила, интенсивность транспирации, водоудерживающая способность протоплазмы) характеристик водообмена листьев разных ярусов. Суточный ход движения устьиц. Динамика сосущей силы семян при набухании и прорастании. Регистрация роста и продуктивности растений в полевом и вегетационном опытах. Оформление результатов, подготовка докладов и проведение конференции. |
Для студентов заочной формы обучения
| № | Тематика работ | Кол-во дней |
| 1. 2. 3. 4. 5. | Изучение ростовых показателей в полевых и вегетационных опытах. Наблюдение за гуттацией листьев и плачем растений. Влияние освещенности, ветра и температуры на интенсивность транспирации срезанных листьев. Изучение динамики сосущей силы и дыхательного коэффициента в процесс набухания и прорастания семян. Оформление результатов, зачет. |
7. Материалы, устанавливающие содержание и порядок проведения промежуточных и итоговых аттестаций
7.1 Экзаменационные вопросы по курсу «Физиология растений»
Студенты очной формы обучения сдают часть 1 и часть 2 в форме двух экзаменов (6 и 7 семестр соответственно); студенты заочной формы обучения сдают часть 1 в форме зачета (6 семестр), часть 2 - в форме экзамена (7 семестр).
Часть 1.
1. Структурно-функциональные отличия растительной и животной клетки.
2. Основные группы химических веществ растительной клетки и их физиологическая роль.
3. Свойства и роль воды.
4. Свойства протоплазмы. Осмотические явления в растительной клетке.
5. Общая характеристика процессов поглощения. Пассивное и активное поглощение. Поглощение газов.
6. Поглощение воды растительной клеткой. Механизмы сосущей силы.
7. Поглощение веществ через клеточную стенку. Свободное пространство ткани. Понятие об апопласте и симпласте.
8. Поглощение веществ через плазмолемму. ЭХП, ПП и ПД: механизмы возникновения и физиологическая роль.
9. Транспирация: общая характеристика, влияние внешних факторов, краевое испарение.
10. Устьичная и кутикулярная регуляция транспирации.
11. Засухоустойчивость и жаростойкость растений. Морфолого-анатомическая и физиолого-биохимическая характеристика экологических групп растений по водному режиму.
12. Почва как источник минерального питания растений. Характеристика почвенного раствора.
13. Физиологическая роль макроэлементов.
14. Физиологическая роль микроэлементов.
15. Азотный метаболизм растений. Усвоение нитратного и аммонийного азота.
16. Научные основы применения минеральных удобрений.
17. Солеустойчивость растений. Характеристика галофитов.
18. Общая характеристика ростовых процессов. Уровни роста.
19. Корневая система: физиологические особенности и роль в жизни растения.
20. Эндогенные факторы роста (экспрессия генома, регуляторы).
21. Влияние внешних факторов на рост.
22. Ростовые движения растений: классификация, механизмы, биологическое значение.
23. Покой растений, его виды, физиологические основы перехода к покою. Холодостойкость, зимостойкость и морозоустойчивость растений в период покоя.
24. Общая характеристика процессов развития.
25. Влияние света на развитие растений. Фотопериодизм. Гормональная теория развития растений М.Х. Чайлахяна.
26. Влияние температуры на развитие растений. Яровизация.
Часть 2.
1. Роль зеленых растений в биосфере и жизни человека. Растения и климат.
2. Общая характеристика, значение и масштабы процесса фотосинтеза.
3. Лист как орган фотосинтеза.
4. Хлоропласты: структурная и функциональная организация.
5. Зеленые пигменты: физико-химические свойства, значение.
6. Биосинтез хлорофилла. Роль кислорода, света, минеральных элементов. С-2 и С-5 пути синтеза АЛК.
7. Дополнительные фотосинтетические пигменты: состав, физико-химические свойства, значение.
8. Фотофизическая фаза фотосинтеза. Разделение заряда в фотосинтетической мембране.
9. Организация и автономное функционирование фотосистемы 1. Циклическое фотофосфорилирование.
10. Фотоситема 11 и нециклическое ЭТЦ фотосинтеза. Накопление ассимиляционной силы.
11. Цикл Кальвина: химизм, энергетика.
12. Цикл Хэч-Слэка. Особенности С-4 растений. Химизм и энергетика С-4 фотосинтеза.
13. Фотосинтез суккулентов. Гетеротрофная фиксация СО2.
14. Влияние эндогенных факторов на фотосинтез.
15. Влияние на фотосинтез интенсивности и спектрального состава света. Световая кривая фотосинтеза. Минимальный квантовый расход фотосинтеза.
16. Эффект Варбурга. Влияние кислорода на фотохимические реакции фотосинтеза. Псевдоциклическое фотофосфорилирование.
17. Влияние кислорода на углеродный метаболизм фотосинтеза. Фотодыхание. Гликолатный метаболизм.
18. Влияние на фотосинтез влажности, температуры, концентрации СО2, минеральных солей, электрического состояние атмосферы. Действие экологических факторов в комплексе. Лимитирующий фактор.
19. Общая характеристика процессов дыхания. Субстраты дыхания, дыхательный коэффициент.
20. Митохондрии: структурная и функциональная организация.
21. Теория дыхания А.Н. Баха. Современное представление об активации кислорода при дыхании.
22. Теория дыхания В.И. Палладина. Современное представление об окислительных реакциях дыхания.
23. Ферменты дыхания. Митохондриальная ЭТЦ.
24. Теории В. Пфеффера и С.П. Костачева о связи брожения и дыхания. Сходства и отличия между брожением и дыханием.
25. Гликолиз: химизм, энергетика, физиологическое значение.
26. Цикл Кребса: химизм, энергетика, физиологическое значение.
27. Окисление глюкозы через окислительный пентозо-фосфатный цикл: химизм, энергетика, физиологическое значение.
28. Глиоксилатный цикл: химизм, физиологическое значение.
29. Влияние внешних факторов на дыхание. Непродуктивное дыхание.
30. Переносчики метаболической энергии. Роль АТФ в метаболизме. Регуляция синтеза АТФ.
31. Субстратное фосфорилирование.
32. Сопряженное фосфорилирование в ЭТЦ. Хемиосмотическая теория П. Митчела.
33. Типы трофики. Понятие о семах. Принцип преемственности в эволюции углеродного метаболизма.
34. Начальные этапы эволюции углеродного метаболизма: абиотический синтез, первичная гетеротрофия, гетеротрофный синтез.
35. Завершающий этап эволюции углеродного метаболизма: хемосинтез, фоторедукция, оксигенный фотосинтез, вторичная гетеротрофия.
36. Роль воды в эволюции углеродного метаболизма.
37. Коммуникационные и функциональные взаимосвязи органов растений.
38. Транспорт веществ по ксилеме. Анатомические элементы. Ксилемный сок. Движущие силы ксилемного транспорта; загрузка и разгрузка ксилемы.
39. Транспорт веществ по флоэме. Анатомические элементы. Движущие силы флоэмного транспорта; загрузка и разгрузка флоэмы.
40. Взаимоотношения фотосинтеза и дыхания.
41. Взаимосвязь дыхания с поглощением и транспортом веществ.
42. Регуляция активности ферментов и процессов развития через экспрессию генома.
43. Механизмы быстрой (метаболитной) регуляции активности изостерических и аллостерических ферментов.
|
|
|
