Transport in plants · ⁨Транспорт веществ в растениях⁩

A-Level Biology · ⁨A-Level Биология⁩ · Topic 7 · ⁨Тема 7⁩

View Slides · ⁨Просмотр слайдов⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

Video lesson for this topic · ⁨Видеоурок по этой теме⁩ Open the video page · ⁨Открыть страницу видео⁩

7.1

The two transport tissues · ⁨Два проводящих вещества⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

draw plan diagrams of transverse sections of stems, roots and leaves of herbaceous dicotyledonous plants from microscope slides and photomicrographs
describe the distribution of xylem and phloem in transverse sections of stems, roots and leaves of herbaceous dicotyledonous plants
draw and label xylem vessel elements, phloem sieve tube elements and companion cells from microscope slides, photomicrographs and electron micrographs
relate the structure of xylem vessel elements, phloem sieve tube elements and companion cells to their functions

Русский

начертите плановые схемы поперечных срезов стеблей, корней и листьев травянистых двудольных растений по препаратам под микроскопом и фото микропрепаратам
описывать распределение ксилемы и флоэмы в поперечных срезах стеблей, корней и листьев травянистых двудольных растений
рисовать и подписывать элементы сосудов ксилемы, элементы ситовидных трубок флоэмы и спутниковые клетки на препаратах для микроскопии, фото- и электронно-микроскопических снимках
связывать строение элементов сосудов ксилемы, ситовидных трубок флоэмы и спутниковых клеток с их функциями

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Plants move substances through two transport tissues 组织:

xylem 木质部 carries water and dissolved mineral ions 矿物离子 up from the roots.
phloem 韧皮部 carries dissolved foods (called assimilates 同化物, mainly sugars) to wherever they are needed.

In a transverse section 横切面 (a cut straight across) of a dicotyledonous plant 双子叶植物:

in the stem, xylem and phloem sit together in bundles near the outside, with xylem on the inside of each bundle.
in the root, the xylem is in the centre, often in a star shape, with phloem between the arms.
in the leaf, both are found in the veins.

When you draw a plan diagram, you draw only the outlines of the tissues, not the single cells.

Xylem vessels

Xylem water-carrying tubes are called vessels 导管. They are made of dead, empty cells joined end to end, with the end walls gone, so they form one long open pipe. Their walls are thickened and waterproofed with lignin 木质素. So the structure suits the job: the hollow, open tube with no contents lets water flow fast, and the lignin gives strength and support.

Phloem sieve tubes and companion cells

Phloem food-carrying tubes are called sieve tubes 筛管. They are living cells joined end to end, but their end walls are not gone — they become sieve plates 筛板 with many holes that sap flows through. To leave room for flow, a sieve tube cell loses most of its contents and has no nucleus.

Beside each sieve tube is a companion cell 伴胞. It keeps its nucleus 细胞核 and has many mitochondria 线粒体. It does the living work for the sieve tube and loads sugars into it.

This is what a real vascular bundle 维管束 looks like under the microscope, in a stained section of a young sunflower stem:

Русский

Растения перемещают вещества через два проводящих вещества:

ксилема переносит воду и растворенные минеральные ионы вверх от корней.
флоэма переносит растворенные питательные вещества (называемые ассимилятами, преимущественно сахарами) туда, где они необходимы.

При поперечном срезе (разрезе прямо поперек) дольчистого растения:

в стебле ксилема и флоэма расположены вместе в пучках ближе к наружной части, при этом ксилема находится внутри каждого пучка.
в корне ксилема расположена в центре, часто в форме звезды, с флоэмой между лучами.
в листе оба вещества находятся в жилках.

Когда вы рисуете плановую диаграмму, вы рисуете только контуры тканей, а не отдельные клетки.

Два поперечных среза: стебель с проводящими пучками в кольце у края, где ксилема расположена внутри каждого пучка, и корень, в котором ксилема образует центральную звезду, а флоэма — между лучами — Расположение тканей: проводящие пучки стебля образуют кольцо у периферии (ксилема внутри); в корне ксилема формирует центральную звезду

Ствол дерева, разрезанный поперек, демонстрирующий концентрические годичные кольца — Древесина ствола дерева — это ксилема; каждое кольцо соответствует одному году роста

Сосуды ксилемы

Водонесущие трубки ксилемы называются сосудами. Они образованы мертвыми полыми клетками, соединенными торец к торцу, при этом поперечные перегородки отсутствуют, что создает единую длинную открытую трубу. Их стенки утолщены и пропитаны лигнином для водонепроницаемости. Таким образом, строение идеально подходит для функции: полая открытая труба без содержимого обеспечивает быстрое движение воды, а лигнин придает прочность и опору.

Ситовидные трубки флоэмы и спутницы

Пищевые трубки флоэмы называются ситовидными трубками. Это живые клетки, соединенные торец к торцу, но их поперечные перегородки не исчезают полностью — они превращаются в ситовидные пластинки со множеством отверстий, через которые проходит сок. Чтобы освободить пространство для тока, клетка ситовидной трубки теряет большую часть содержимого и лишается ядра.

Рядом с каждой ситовидной трубкой находится клетка-спутница. Она сохраняет ядро и содержит множество митохондрий. Она выполняет метаболические функции за ситовидную трубку и загружает в нее сахара.

Сосуд ксилемы, изображенный как полая труба с толстыми лигнифицированными стенками, рядом с ситовидной трубкой флоэмы, имеющей ситовидные пластинки и прикрепленную клетку-спутницу — Ксилема — это мертвая открытая труба; флоэма — живые ситовидные трубки со ситовидными пластинками и клетками-спутницами

Так выглядит настоящий проводящий пучок под микроскопом на окрашенном срезе молодого стебля подсолнечника:

Окрашенный поперечный срез одного проводящего пучка двудольного стебля при высоком увеличении: группа крупных округлых сосудов ксилемы с толстыми стенками, окрашенных в красный цвет снизу, над ними скопление более мелких клеток флоэмы с тонкими стенками, окруженных упаковочными клетками — Настоящий проводящий пучок в срезе: крупные красные клетки — это сосуды ксилемы (толстые лигнифицированные стенки); мелкие клетки сверху — флоэма

Explore · ⁨Исследовать⁩

Xylem and phloem side by side · ⁨Ксилема и флоэма рядом друг с другом⁩

Tap each part. Xylem is a dead, hollow pipe for water; phloem is a living tube for sugars, helped by its companion cell. · ⁨Нажмите на каждую часть. Ксилема — мертвая полая трубка для воды; флоэма — живая трубка для сахаров, помогается ей спутниковой клеткой.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
tissue/ˈtɪʃuː/	ткани
xylem/ˈzaɪləm/	ксилема
mineral ion/ˈmɪnərəl ˈaɪɒn/	минеральный ион
phloem/ˈfləʊɪm/	флоэме
assimilate/əˈsɪmɪleɪt/	ассимилировать
transverse section/trænsˈvɜːs ˈsekʃn/	поперечный срез
dicotyledonous plant/ˌdɪkətɪˈliːdənəs plænt/	двудольное растение
vessel/ˈvesl/	сосуд
lignin/ˈlɪɡnɪn/	лигнина
sieve tube/sɪv tjuːb/	ситовидная трубка
sieve plate/sɪv pleɪt/	ситовидная пластинка
companion cell/kəmˈpænɪən sel/	клетка-спутница
nucleus/ˈnjuːklɪəs/	ядро
mitochondria/ˌmaɪtəˈkɒndrɪə/	митохондрия
vascular bundle/ˈvæskjʊlə ˈbʌndl/	сосудисто-проводящий пучок
root hair cell/ruːt heə sel/	корневой волосок
osmosis/ɒzˈməʊsɪs/	осмос
apoplast pathway/ˈæpəplæst ˈpæθweɪ/	апопластный путь
cell wall/sel wɔːl/	клеточная стенка
cellulose/ˈseljuːləʊs/	целлюлоза
symplast pathway/ˈsɪmplæst ˈpæθweɪ/	симпластный путь
plasmodesmata/ˌplæzməʊdˈsmɑːtə/	плазмодесмы
endodermis/ˈendəʊdəmɪs/	эндодерма
Casparian strip/kæˈspeərɪən strɪp/	Полоса Каспари
suberin/ˈsʌbərɪn/	суберин

7.2

Water from the soil to the xylem · ⁨Вода от почвы к ксилеме⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

state that some mineral ions and organic compounds can be transported within plants dissolved in water
describe the transport of water from the soil to the xylem through the: • apoplast pathway, including reference to lignin and cellulose • symplast pathway, including reference to the endodermis, Casparian strip and suberin
explain that transpiration involves the evaporation of water from the internal surfaces of leaves followed by diffusion of water vapour to the atmosphere
explain how hydrogen bonding of water molecules is involved with movement of water in the xylem by cohesion-tension in transpiration pull and by adhesion to cellulose in cell walls
make annotated drawings of transverse sections of leaves from xerophytic plants to explain how they are adapted to reduce water loss by transpiration
state that assimilates dissolved in water, such as sucrose and amino acids, move from sources to sinks in phloem sieve tubes
explain how companion cells transfer assimilates to phloem sieve tubes, with reference to proton pumps and cotransporter proteins
explain mass flow in phloem sieve tubes down a hydrostatic pressure gradient from source to sink

Русский

указывать, что некоторые минеральные ионы и органические соединения могут транспортироваться внутри растений, растворённые в воде
описывать транспорт воды из почвы в ксилему через: • апопластный путь, включая упоминание лигнина и целлюлозы • симпластный путь, включая упоминание эндодермы, каспариявых полосок и суберина
объяснять, что транспирация включает испарение воды с внутренних поверхностей листьев, за которым следует диффузия водяного пара в атмосферу
объяснять, как водородные связи между молекулами воды участвуют в движении воды в ксилеме благодаря ковалентно-натяжному механизму при транспирационном потяжении и благодаря адгезии к целлюлозе в клеточных стенках
делать размеченные рисунки поперечных срезов листьев ксерофитных растений, чтобы объяснить, как они адаптированы для снижения потери воды при транспирации
указывать, что ассимиляты, растворённые в воде, такие как сахароза и аминокислоты, перемещаются от источников к стокам по ситовидным трубкам флоэмы
объяснять, как спутниковые клетки передают ассимиляты в ситовидные трубки флоэмы, с указанием протонных насосов и котранспортёрных белков
объяснять массовый поток в ситовидных трубках флоэмы вдоль гидростатического градиента давления от источника к стоку

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Water enters a root hair cell 根毛细胞 by osmosis 渗透, because the root hair has a lower water potential than the soil water. Water then crosses the root to the xylem by two pathways:

the apoplast pathway 质外体途径 — water moves through the cell walls 细胞壁 (made of cellulose 纤维素) and the spaces between cells, without entering the cytoplasm. This is fast.
the symplast pathway 共质体途径 — water moves through the cytoplasm of cells, passing from cell to cell through the plasmodesmata 胞间连丝.

At a ring of cells called the endodermis 内皮层, the apoplast pathway is blocked by the Casparian strip 凯氏带, a waterproof band of suberin 木栓质. This forces all the water through the cell membranes, which lets the plant control what enters the xylem.

Русский

Вода проникает в корневой волосок путем осмоса, так как водный потенциал корневого волоска ниже, чем у почвенной воды. Затем вода пересекает корень к ксилеме двумя путями:

апoplastный путь — вода движется через клеточные стенки (состоящие из целлюлозы) и межклеточные пространства, не входя в цитоплазму. Это быстрый процесс.
симпластный путь — вода движется через цитоплазму клеток, переходя от клетки к клетке через плазмодесмы.

На кольце клеток, называемом эндодермой, апoplastный путь блокируется Каспаровой полоской — водонепроницаемой лентой из суберина. Это вынуждает всю воду проходить через клеточные мембраны, что позволяет растению контролировать поступление веществ в ксилему.

Прохождение воды через корень апoplastным путем через клеточные стенки и симпластным путем через цитоплазму; на эндодерме каспарова полоска блокирует апoplast — Апопласт проходит через стенки, симпласт — через цитоплазму; каспарова полоска блокирует апостлат на эндодерме

Explore · ⁨Исследовать⁩

Water from soil to xylem · ⁨Вода от почвы к ксилеме⁩

Follow water in from the soil. It crosses the root two ways, is forced through a membrane at the endodermis, then enters the xylem. · ⁨Отследите путь воды из почвы. Она проникает через корень двумя путями, вынуждена пройти через мембрану на эндодерме, затем попадает в ксилему.⁩

7.2

Transpiration and the movement of water up the xylem · ⁨Транспирация и движение воды вверх по ксилеме⁩

English

Transpiration 蒸腾作用 is the loss of water vapour from a plant. Water evaporates (turns to vapour) from the wet cell surfaces inside the leaf — this is evaporation 蒸发. The water vapour 水蒸气 then diffuses 扩散 out through the stomata 气孔 into the atmosphere 大气.

This loss at the top pulls water up the xylem in a continuous column. It works because of hydrogen bonding between water molecules:

water molecules attract each other through hydrogen bonds 氢键, so they stick together. This sticking is cohesion 内聚力, and it lets the whole column be pulled up under tension 张力 (the cohesion–tension idea).
water molecules also stick to the cellulose of the cell walls. This is adhesion 附着力, which helps hold the column in place.

Worked example. A plant cell with a water potential of $-800\ \text{kPa}$ is placed in a solution of water potential $-400\ \text{kPa}$. Which way does water move, and what happens to the cell? Water always moves down a water potential gradient - from the less negative (higher) value to the more negative (lower) one. The solution at $-400$ is higher than the cell at $-800$, so water moves into the cell. The cell swells, the protoplast presses on the cell wall, the pressure potential rises, and the cell becomes turgid. Two traps: $-400$ is greater than $-800$, which is the sign error that reverses half of all answers; and pure water is the maximum at 0, so every solution is negative and a water potential can never rise above zero.

Русский

Транспирация — это испарение водяного пара с растения. Вода испаряется (превращается в пар) с влажных поверхностей клеток внутри листа — это испарение. Затем водяной пар диффундирует наружу через устичные щели в атмосферу.

Это испарение сверху тянет воду вверх по ксилеме непрерывным столбом. Этот процесс возможен благодаря водородным связям между молекулами воды:

молекулы воды притягивают друг друга посредством водородных связей, поэтому они сцепляются вместе. Это сцепление называется когезией, и оно позволяет всему столбу подниматься вверх под действием натяжения (теория когезии–натяжения).
молекулы воды также прилипают к целлюлозе клеточных стенок. Это адгезия, которая помогает удерживать столб на месте.

Растение, в которое вода поступает в корни осмотически, поднимается вверх по ксилеме столбом стрелок, направленных вверх, и водяной пар выходит из листа сверху — Транспирация на листе тянет весь водный столб вверх по ксилеме; когезия (водородные связи) удерживает его целостность

Разбор примера. Клетку растения с водным потенциалом $-800\ \text{kPa}$ помещают в раствор с водным потенциалом $-400\ \text{kPa}$. В каком направлении движется вода и что происходит с клеткой? Вода всегда движется вниз по градиенту водного потенциала — от менее отрицательного (более высокого) значения к более отрицательному (более низкому). Раствор со значением $-400$ является более высоким, чем клетка со значением $-800$, поэтому вода движется внутрь клетки. Клетка набухает, протопласт давит на клеточную стенку, потенциал давления возрастает, и клетка становится тургорной. Два ловушки: $-400$ больше, чем $-800$, что является знаком ошибки, переворачивающей половину ответов; а чистая вода представляет максимум на уровне 0, поэтому любой раствор имеет отрицательное значение, и водный потенциал никогда не может подняться выше нуля.

Explore · ⁨Исследовать⁩

The transpiration stream · ⁨Транспирационный ток⁩

Step through how water is pulled up a tree — evaporation at the top creates a tension that drags the whole cohesive column upward. · ⁨Разберитесь, как вода поднимается по дереву — испарение наверху создает натяжение, которое тянет за собой весь когезионный столб вверх.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
transpiration/trænspəˈreɪʃn/	транспирация
evaporation/ɪˌvæpəˈreɪʃn/	испарение
water vapour/ˈwɔːtə ˈveɪpə/	водяной пар
diffuse/dɪˈfjuːz/	диффузия
stomata/ˈstəʊmətə/	устьица
atmosphere/ˈætməsfɪə/	атмосфера
hydrogen bond/ˈhaɪdrədʒn bɒnd/	водородная связь
cohesion/kəʊˈhiːʒn/	когезия
tension/ˈtenʃn/	натяжение
adhesion/ədˈhiːʒn/	адгезия

7.2

Xerophytes · ⁨Ксерофиты⁩

English

A xerophyte 旱生植物 is a plant adapted 适应 to live where water is scarce. Its leaves reduce water loss by transpiration in several ways: a thick waxy cuticle 角质层, stomata sunk in pits, hairs that trap moist air, and leaves that can roll up. You should be able to draw a labelled leaf section showing these features.

Русский

Ксерофит — это растение, адаптированное к жизни в условиях недостатка воды. Его листья снижают потерю воды при транспирации несколькими способами: толстый восковой кутикула, устичные щели, углубленные в ямки, волоски, задерживающие влажный воздух, и листья, способные сворачиваться. Вы должны уметь нарисовать помеченный срез листа, показывающий эти особенности.

Поперечный срез листа ксерофита, демонстрирующий толстую восковую кутикулу сверху, углубленные устьица, волоски, задерживающие влажный воздух, и примечание о способности листа сворачиваться — Листья ксерофитов сокращают потери воды: толстая кутикула, углубленные устьица, задержанный влажный воздух и сворачивание

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
xerophyte/ˈzɪərəfaɪt/	ксерофит
adapted/əˈdæptɪd/	адаптированный
cuticle/ˈkjuːtɪkl/	кутикула
sucrose/ˈsuːkrəʊs/	сахароза
amino acid/əˈmiːnəʊ ˈæsɪd/	аминокислота
source/sɔːs/	источник
sink/sɪŋk/	сток
proton pump/ˈprəʊtɒn pʌmp/	протонный насос
cotransporter protein/ˈkɒtrənspɔːtə ˈprəʊtiːn/	котранспортный белок
active transport/ˈæktɪv ˈtrænspɔːt/	активный транспорт
water potential/ˈwɔːtə pəˈtenʃl/	водный потенциал
hydrostatic pressure/ˌhaɪdrəˈstætɪk ˈpreʃə/	гидростатическое давление

7.2

Translocation: moving assimilates in the phloem · ⁨Транслокация: перемещение ассимилятов во флоэме⁩

English

Assimilates such as sucrose 蔗糖 and amino acids 氨基酸 are carried in the phloem from a source 源 to a sink 库.

a source is where the assimilate is made or released (for example a photosynthesising leaf).
a sink is where it is used or stored (for example a growing root).

Loading at the source

Companion cells load sucrose into the sieve tubes against its concentration gradient. They use proton pumps 质子泵 to pump hydrogen ions out, then cotransporter proteins 协同运输蛋白 bring sucrose back in together with those ions. This is a form of active transport 主动运输.

Loading sucrose lowers the water potential 水势 inside the sieve tube, so water follows by osmosis. This raises the hydrostatic pressure 静水压 there.

Mass flow

At the sink, sucrose is removed, so the water potential rises, water leaves, and the pressure falls. The result is a pressure difference between source (high) and sink (low). Sap flows from high to low pressure down this gradient. This pressure-driven flow is called mass flow 集流.

Русский

Ассимиляты, такие как сахароза и аминокислоты, транспортируются по флоэме от источника к стоку.

источник — это место, где образуется или высвобождается ассимилят (например, фотосинтезирующий лист).
сток — это место, где ассимилят используется или накапливается (например, растущий корень).

Погружение в источнике

Сопутствующие клетки загружают сахарозу в ситовидные трубки против градиента концентрации. Они используют протонные насосы для выкачивания ионов водорода наружу, а затем белки-котранспортеры возвращают сахарозу обратно вместе с этими ионами. Это форма активного транспорта.

Загрузка сахарозы снижает водный потенциал внутри ситовидной трубки, поэтому вода следует за ней осмосом. Это повышает гидростатическое давление в этом месте.

Массовый поток

В стоке сахароза удаляется, поэтому водный потенциал повышается, вода выходит, и давление падает. В результате возникает разность давлений между источником (высокое) и стоком (низкое). Сок течет от высокого давления к низкому вдоль этого градиента. Этот поток, вызванный давлением, называется массовым потоком.

Сахароза загружается в флоэму в источнике, что приводит к притоку воды и повышению давления, поэтому сок течет вниз к стоку, где сахароза удаляется, и вода выходит — Загрузка сахарозы в источнике повышает давление; затем сок движется массовым потоком к стоку

Explore · ⁨Исследовать⁩

Translocation by mass flow · ⁨Транслокация массовым потоком⁩

Step through how sugar moves. Loading at the source pulls water in and raises the pressure, pushing sap to the sink. · ⁨Разберитесь, как движется сахар. Загрузка на источнике втягивает воду и повышает давление, толкая соку к стоку.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
mass flow/mæs fləʊ/	массовый поток

7.2

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

State the tissue for each direction: xylem carries water up (dead, lignified), phloem carries assimilates both ways (living sieve tubes + companion cells).
Explain water movement by cohesion-tension: transpiration pulls a continuous water column held by cohesion (H-bonds) and adhesion.
List the factors affecting transpiration rate (light, temperature, humidity, air movement) and how a potometer measures uptake.
For xerophytes, link each adaptation (thick cuticle, sunken stomata, rolled leaves, hairs) to reduced water loss.

Русский

Укажите ткань для каждого направления: ксилема переносит воду вверх (мертвые, лигнифицированные), флоэма переносит ассимиляты в обоих направлениях (живые ситовидные трубки + сопутствующие клетки).
Объясните движение воды через когезию и натяжение: транспирация тянет непрерывный водяной столб, удерживаемый когезией (водородными связями) и адгезией.
Перечислите факторы, влияющие на скорость транспирации (свет, температура, влажность, движение воздуха), и то, как потометр измеряет поглощение.
Для ксерофитов свяжите каждую адаптацию (толстая кутикула, углубленные устьица, свернутые листья, волоски) со снижением потери воды.

Interactive lessons on this topic · ⁨Интерактивные уроки по этой теме⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.⁩

Past Papers · ⁨Архив экзаменационных работ⁩

More topics in A-Level Biology · ⁨A-Level Биология⁩ · ⁨Больше тем в A-Level Biology · ⁨A-Level Биология⁩⁩