دانلود تحقیق فیزیولوژی گیاهان زراعی

در عالم گیاهی مهمترین و اصلی ترین متابولیسم ها که اکثر واکنش در آن انجام می گیرد : آنزیم ها فتوسنتز تنفس .

اگر یک سلول زنده را به کارخانه تشبیه کنیم هزاران ترکیب و متابولیت در هر لحظه تولید میشود .

تنوع ترکیبات در عالم گیاهی خیلی بیشتر از عالم جانوری است .

احیاء کربن یعنی تثبیت فتوسنتز فقط در گیاهان وجود دارد و یا تثبیت ازت و گوگرد هم در گیاهان وجود دارد .

متابولیسم : مجموع تمام واکنش های شیمیایی حیات که در یک سلول انجام می گیرد را متابولیسم گویند .

آنابولیسم : واکنش هایی که در آن مولکولهای کوچکتر به هم می پیوندند و مولکولهای درشت را تشکیل می دهند را ترکیب یا آنابولیسم گویند مانند سنتز نشاسته که این واکنش انرژی گیر است .

کاتابولیسم : ترکیبات بزرگ تجزیه شده و مولکولهای کوچک را بوجود می آورند که آن را تجزیه و یا کاتابولیسم می گویند مانند تجزیه نشاسته که این واکنش انرژی زا است .

کاتالیزور ها و آنزیم ها تفاوت های زیادی با هم دارند :
1 .

آنزیم ها خیلی قوی تر عمل می کنند .

2 .

آنزیم ها خیلی سریع تر عمل می کنند .

3 .

آنزیم ها خیلی اختصاصی عمل می کنند .

4 .

آنزیم ها قابل انعطاف هستند و به تغییرات محیطی عکس العمل نشان می دهند .

عیب مهم آنزیم ها : آنزیم ها ساختار پروتینی دارند و یک سیستمی باید وجود داشته باشد که برای آنها پروتین تولید کند و به همین جهت برای گیاه هزینه بالایی دارد .

فعالیت آنزیم ها مانند کاتالیزورهای معدنی است و کار آنزیم ها تسریع واکنش های بیوشیمیایی می باشد .

محل قرار گرفتن آنزیم ها :
آنزیم ها در داخل سلول پراکنده نیستند و هر کدام جایگاه مشخصی دارند .

آنزیم ها را با توجه به کاری که انجام می دهند جداسازی می کنند .

در گیاهان پست (پروکاریوت) جداسازی آنزیم ها محدود انجام شده ولی در گیاهان عالی (یوکاریوت ها) جداسازی با توجه به کاری که انجام می دهند انجام شده است .

کارایی گیاهان عالی خیلی بیشتر از گیاهان پست است ویکی از مهمترین علت کارایی بالا در گیاهان عالی همین جداسازی آنزیم ها است .

یک یا چند آنزیمی که فرایند مشابهی را کاتالیز می کنند در یک ساختمان ویژه ای بنام اندامک یا ارگانول نگهداری میشوند .

آنزیم هایی که وظیفه آنها سنتز DNA و RNA و یا آنزیم هایی که وظیفه آنها تقسیم سلولی است در اندامی بنام هسته نگهداری میشوند و آنزیم های تنفس هوازی در میتوکندری نگهداری میشوند و آنزیم های فتوسنتز در کلروپلاست نگهداری میشوند و آنزیم های مربوط به تنفس نوری در اندامکی بنام پراکسیزوم نگهداری میشوند .

چرا جداسازی آنزیم ها باعث افزایش کارایی میشود :
1 .

غلظت کافی مواد ترکیب شونده در محلی که آنزیم ها باید روی آن تثبیت شوند وجود داشته باشد .

تضمین آن که واکنش در جهت تولید ترکیب مورد نیاز هدایت شود و به مسیرهای انحرافی کشیده نشود .

ویژگی های آنزیم ها :
1 .

اختصاصی عمل می کنند (هر آنزیمی فقط قادر است روی یک سوبسترا و یا روی سوبسترایی که گروه های فعال مشابهی دارند عمل می کند )
2 .

تعداد آنزیم ها خیلی زیاد است و تا حالا چیزی حدود 45000 آنزیم شناسایی شده است .

• هر آنزیم دو اسم دارد : اسم استاندارد اسم رایج .

• در اسم رایج هر آنزیم سه جزء وجود دارد :
1 .

نام سوبسترایی که آنزیم روی آن عمل می کند .

عملی که آنزیم انجام می دهد .

کلمه ase در آخر آن .

بعنوان مثال نام آنزیمی که از سیتوکروم یک الکترون می گیرد (سیتوکروم را اکسید می کند) به این صورت است : Cytochromeoxidase
نام آنزیمی که از مالیک اسید دو هیدروژن می گیرد بصورت زیر میباشد :
Malicacid deltydrgrgenase
نام آنزیمی که NO3- را به NO2- تبدیل می کند :Nitrat redoctase
3 .

برگشت پذیری آنزیم ها : آنزیم هیچ نقشی در تعیین جهت واکنش ندارد .

ترکیب شیمیایی آنزیم ها : جزء اصلی ساختمان تمام آنزیم ها پروتین است .

پروتین ها 4 وظیفه در یک سلول دارند :
1 .

بعضی ها نقش ساختمانی دارند .

بعضی ها نقش ذخیره ای دارند .

بعضی ها ناقل الکترون هستند مانند سیتوکروم ها .

بعضی ها نقش حمال را دارند و موارد مختلف را حمل می کنند .

گروه پروستاتیک :
بعضی از آنزیم ها هستند که می توانند به تنهایی فعالیت کاتالیکی انجام دهند مانند اکثر هیدرولیز کننده ها مانند پروتازها و آمیلاز ها و ...

بعضی از آنزیم ها برای این که فعالیت کاتالیکی انجام دهند علاوه بر بخش پروتین نیاز به یک ماده آلی غیر پروتینی هم دارند تا بتوانند به وظیفه خود عمل کنند که این ماده غیر آلی غیر پروتینی را گروه پروستاتیک می گویند که این گروه توسط پیوندهای کووالانسی به بخش پروتینی چسبیده است .

برخی از پروتینها هستند که یک گروه کربو هیدرات (قند) به آنها متصل شده است که به این ها گلایکو پروتین می گویند.وجود این کربو هیدرات ها مانع تجزیه شده پروتین ها در برابر پروتازها میشوند .

در تعداد دیگری از آنزیم ها ، آنزیم ها نیاز به ماده آلی یا معدنی دارند که به آنزیم ها پروتین نچسبیده بلکه فعالیت آنزیم ها در حظور این ماده انجام می گیرد به این ترکیبات کوآنزیم می گویند .

و تفاوتش با گروه پروستاتیک در این است که در پروستاتیک ماده ، آلی است و چسبیده به پروتین آنزیم می باشد ولی در کوآنزیم ماده ، آلی یا معدنی است و نچسبیده به پروتین آنزیم .

کوفاکتورها مانند کوآنزیم ها است با این تفاوت که اگر ماده مورد نظر همراه آنزیم معدنی باشد مانند مس به آن کوفاکتور گویند در گیاهان اکثر گروه های پروستاتیک ویتامینها هستند و به ندرت کوآنزیم هستند .

حرارت و دما باعث میشود که سرعت واکنش زیاد شود در واقع افزایش حرارت تعداد مولکولهای بیشتری را انرژیک می کند و در نتیجه تعداد بیشتری از مولکولها می توانند در واکنش شرکت کنند .

سرعت واکنش های شیمیایی به دو عامل بستگی دارد : 1 .

دما 2 .

انرژی اکتیواسیون حرارت انرژی اکتیواسیون را تغییر نمی دهد .

انرژی اکتیواسیون بطور مستقل از حرارت می تواند روی سرعت واکنش ها و مولکولها تاثیر بگذارد .

حرارت در داخل سلول نمی تواند منشا اثر باشد (به دو دلیل) الف ) اجزاء سلول حرارت را تحمل نمی کند .

ب ) تاثیر حرارت با تبعیض همراه نیست .

انرژیک شدن مولکولها در دنیای زیست نمی تواند از طریق حرارت باشد بلکه از طریق کنترل انرژی اکتیواسیون است .

آنزیم ها انژی اکتیواسیون را کم می کنند .

خود آنزیم ها تحت تاثیر عوامل مختلفی تغییر شکل می دهند این تغییر شکل را دناتوره شدن می گویند .

عوامل مختلفی در دناتوره شدن آنزیم ها موثر است : 1 .

حرارت که باعث شکسته شدن باندهای هیدروژنی میشود .

2 .

اکسید شدن .

3 .

یونهای فلزی سنگین مانند نقره و جیوه و ...

4 .

حلالهای آلی مانند استون ها و ...

در خصوص دناتوره شدن با حرارت این مطلب مهم است که آنزیم ها در شرایط خشک به حرارت تحمل بیشتری دارند .

عواملی که بر روی سرعت آنزیم ها موثر هستند : مهمترین علت عامل غلظت است .

وقتی که از غلظت صحبت میشود هم غلظت آنزیم مطرح میشود و هم غلظت سوبسترا .

رابطه غلظت سوبسترا و سرعت واکنش را میتوانیم به این شکل نمایش دهیم .

با افزایش غلظت سوبسترا سرعت واکنش زیاد میشود ولی این افزایش بصورت خطی نیست و تا اندازه ای افزایش غلظت روی سرعت واکنش اثر گذاشته و باعث میشود آن زیاد شود و بعد در یک غلظت مشخصی سرعت ثابت می ماند .

ضریب میکیالیس ـ منتن (Km) : عبارت است از غلظتی از سوبسترا که نصف سرعت Max را ایجاد می کند .

مقدار Km تقریباً ثابت است و فعالیتش مستقل از آنزیم است .

مقدار Km بستگی به عواملی متعدد از جمله PH ، دما ، نوع و مقدار آنزیم دارد .

هر گاه یک آنزیم واکنشی را بین دو یا چند سوبسترا کاتالیزور کند Km آنزیم برای هر سوبسترا متفاوت خواهد بود .

به سه دلیل از Km استفاده می کنیم : 1 .

هر گاه غلظت سوبسترا را در جایی از سلول که آنزیم فعالیت می کند اندازه گیری کنیم میتوانیم پیشگویی کنیم که این سلول نیاز به آنزیم بیشتری دارد یا سوبسترای بیشتری .

بعنوان مثال آنزیم های تنفسی از نظر سوبسترا اشباع نیستند یعنی در تنفس مشکل سوبسترا وجود دارد نه آنزیم .

Km میل ترکیبی آنزیم با سوبسترا را نشان می دهد .

بعبارت دیگر هر چه مقدار Km کوچک باشد میل ترکیبی آنزیم با سوبسترا بیشتر است .

Km یک تخمین تقریبی از غلظت سوبسترا و آنزیم در بخشی از سلول که واکنش صورت می گیرد بدست می آید .

آنزیم ها در PH خنثی فعالیت می کنند و هر گونه انحراف از این PH منجر به کاهش سرعت خواهد شد .

سرعت واکنش آنزیمی بستگی به سرعت محو شدن سوبسترا یا سرعت تولید ترکیب حاصل و یا هر دو بستگی دارد .

هر چه غلظت سوبسترا کم شود سرعت واکنش هم کاهش می یابد .

مواد بازدارنده : بعضی از مواد مانند کاتیون های فلزی واکنش آنزیم ها را مختل می کنند که به آنها مواد بازدارنده می گویند .

کشاورزی در واقع یک سیستم بهره برداری از انرژی خورشیدی است که این بهره برداری از طریق فتوسنتز انجام میشود و از این طریق منبع مهمی از انرژی برای انسان به دست می آید .

عملکرد گیاهان زراعی هم بستگی به سرعت و اندازه فتوسنتز دارد و بنابراین در راس عملکرد تاثیر نور روی فتوسنتز میتواند موثر باشد .

با توجه به این که نور مهمترین منبع انرژی در فتوسنتز است بنابراین مطالعه روی این منبع انرژی تشعشی و تاثیر آن روی دنیای زیست لازم است .

فتوسنتز چیزی نیست به جز تبدیل یک ماده آلی کم انرژی معدنی مانند co2 به یک ماده پر انرژی آلی بنام قند .

CO2 -CHO برای این که این تبدیل صورت بگیرد نیاز به انرژی است .

با توجه به مقدار فتوسنتزی که در جهان انجام میشود باید این انرژی پایان ناپذیر باشد و این انرژی چیزی نیست جز انرژی خورشیدی .

برای احیاء هر ماده نیاز به الکترون وجود دارد و برای احیاء CO2 هم باید الکتون وجود داشته باشد که تامین کننده این الکترون آب است .

در فتوسنتز از منابع بالقوه استفاده میشود و بالفعل میشوند و بصورت یک انرژی شیمیایی قابل استفاده میشوند .

برای اینکه فتوسنتز انجام گیرد در جریان فتوسنتز دو کار باید صورت گیرد : یکی از این کارها فراهم سازی منابع است که منابعی را که برای احیاء CO2 لازم است (ATP,NADPH2) را فراهم می کند .

دیگری واکنش های احیاء کربن یا ثبت کربن با واکنش های چرخه کالوین است که این واکنش ها با حظور آنزیم ها صورت می گیرد و بسیاری از این آنزیم ها در حظور نور فعالیت می کنند برای انجام این واکنش نور بعنوان تامین کننده انرژی لازم است .

یک فیزیولوژیست لازم است که در طبعیت انرژی خورشیدی را و تاثیر آن را بر روی گیاهان بررسی کند .

سه اثر کلی نور : 1 .

تاثیر مرگبار نور ، مانند ماورای بنفش .

نور محیطی است که به واسطه آن موجود میتواند اطلاعات را از اطراف خودش بگیرد و نور روی آرایش فضایی گیاهان و ساعت فیزیولوژی آن موثر است .

استفاده مستقیم از نور خورشید توسط گیاهان برای تولید زیست توده و بیوماس (عملکرد).

با توجه به این که خورشید مهمترین منبع تشعشعی است .

در دنیای حیات بررسی طیف خورشیدی که یک طیف پیوسته است ، لازم است .

نور مرئی (قابل رویت) بعنوان بخش کوچکی از طیف تابشی خورشیدی وجود دارد که مهمترین بخش در فتوسنتز است .

تئوری امواج الکترومانیتیک : می گوید که نور بصورت موج در فضا حرکت می کند .

تعداد امواجی که در یک زمان معین از یک نقطه معین عبور می کند را فرکانس یا تواتر گویند .

U = C /فرکانس یا تواتر (طول موج در ثانیه) C = 1010*3 سرعت نور سانتیمتر بر ثانیه = طول موج تئوری کوانتوم : نور در فضا بصورت بسته های پر انرژی بنام فوتون حرکت می کند .

هر فوتون حاوی مقداری انرژی است .

انرژی هر فوتون را کوانتوم انرژی می گویند .

E = U.h E = h .C/ انرژی فوتون (کوانتوم) h:662 .

10-27 بین انرژی و طول موج رابطه معکوس وجود دارد .

طیف خورشیدی : پنجره بیولوژیک : نوری که به زمین می رسد این قسمت است .

و همه این نورها به زمین نمی رسد و فقط نورهایی که بین 300 تا 1000 نانومتر طول موج دارد به زمین می رسد .

که در این قسمت یک طیفی وجود دارد که به نور مرئی معروف است و از 380 تا 760 نانومتر است .

واکنش نوری فتوسنتز نتیجه جذب نور توسط رنگریزه هایی مانند کلروفیل است .

تمام فوتون ها با طول موج هایی مختلف توانایی تحریک این رنگریزه را ندارند و تنها طیف محدودی از طیف گسترده تابشی خورشیدی توانایی تحریک رنگریزه را دارد .

گیاهان برای انجام فتوسنتز در دامنه نور مرئی فعالند .

البته این بدان معنا نیست که نورهای دیگر در فعالیت گیاهان دخیل نیستند .

در عالم گیاهان هزاران گیرنده نوری وجود دارد اما همه این گیرنده ها نمی توانند در ادامه فعالیت های زیستی نقش داشته باشند .

در فتوسنتز مهمترین گیرنده نوری کلروفیل است .

وقتی نور به رنگریزه برخورد میکند باعث تحریک آن میشود.طول موجهای خاصی باعث تحریک رنگریزه میشوند و برای این عمل طول موجهایی که از 400 تا 700 نانومتر قرار دارند مناسب هستند چون که انرژی مناسبی را برای تحریک رنگریزه ها دارند .

نورهایی با طول موج کمتر از 400 نانومتر انرژی زیادی دارند و باعث تخریب رنگریزه میشوند .

نورهایی با طول موج بیشتر از 700 نانومتر انرژی کمی دارند و نمی توانند منشأ اثر باشند .

تحریک رنگریزه ها در واقع واکنش یک فوتون با رنگریزه است بنابراین میزان نور مصرف شده در فتوسنتز را بر اساس غلظت جریان فوتون بیان می کنند نه بر اساس انرژی فوتون ها .

غلظت جریان فوتون : تعداد فوتون هایی که در واحد زمان از یک سطح معین عبور می کنند .

چون بیشترین بازده فتوسنتز در طول موج 400 تا 700 نانومتر حاصل میشود لذا اندازه گیری مقدار نور مورد استفاده در فتوسنتز بر اساس غلظت جریان فوتون در این طول موج ها انجام می گیرد مقدار نوری که بدین طریق اندازه گیری میشود را تشعشعات فتوسنتزی یا PAR میگویند .

واحد فوتون انیشتن (انیشتن یک مول فوتون است) است و اغلب بصورت میکروانیشتن استفاده می شود .

و واحد PAR میکروانیشتن بر متر مربع در ثانیه است .

عوامل محیطی که از چهار بعد بر روی گیاهان موثرند : کیفیت نور : رنگ ، طیف ، طول موج ، انرژی .

کمیت نور : مقدار انرژی تشعشی ، تعداد فوتون ها جهت نور : که به نور بعد مکانی می دهد (سمت و جهش تابش نور) طول دوره یا فتوپریود : که ممکن است کوتاه مدت و یا بلند مدت باشد .

اگر قرار بر این باشد که نور در فرآیندهای مختلف موثر باشد در اولین قدم باید نور جذب شود و برای جذب نور هم گیرنده های نوری وجود دارد .

در فتوسنتز دو سیستم نوری وجود دارد : 1 .

سیستم نوری یک p.sI(p700) 2 .

سیستم نوری دو p.sII(p680) هر سیستم نوری شامل سه جزء است : 1 .

دریافت کننده است ( همان بخش گیرنده نوری است که طول موجهای مشخص و معینی توسط این گیرنده ها جذب میشودکه این گیرنده ها می توانند بعد از جذب نور یک تغییر شیمیایی و یا فتوشیمیایی ایجادکنند) 2 .

انتقال (تغییر شیمیایی ایجاد شده را منتقل می کند و به یک فرم نسبتاً فعال تری تبدیل می کند ) 3 .

واکنش (در این مرحله انرژی تبدیلی در انجام یک عمل متابولیکی که نهایتاً در سطح فیزیولوژیک قابل ملاحظه باشد این واکنش را انجام می دهد) عملکرد کوانتومی () : شاخصی است که برای بیان بازده فوتون ها بکار می رود .

بازده نشان دهنده این است که چه مقدار مصرف کردیم و چه مقدار بدست آوردیم = M / q M = تعداد مولکولهای عملکرده (مقدار فتوسنتز انجام شده) q= تعداد فوتون های جذب شده این فرمول را شخصی بنام امرسون ارائه کرد و به عقیده امرسون عملکرد کوانتومی در طول موجهای مختلف یک خط مستقیم است .

نور آبی و قرمز بیشترین عملکرد را در فتوسنتز دارند و بقیه نورها چون جذب نمی شوند در فتوسنتز نقشی ندارند .

در نورهای کمتر از 680 نانومتر هر دو سیستم فعالند ( p.sIو p.sII) اگر طول موج بیشتر از 680 نانومتر باشدسیستم از نوع p.sI است .

اگر طول موج 680 نانومتر باشد سیستم از نوع p.sII است .

مکانیسم های جذب و بازتابهای تشعشع : هر ماده ای که نور جذب کند را ماده تحریک شده یا برانگیخته شده می گویند و این بدان علت است که هنگامی که فوتون ها به یک ماده برخورد می کنند انرژی خود را به آن فوتون می دهند و آن ماده از یک سطح پایدار به یک سطح ناپایدار می رسد .

هر ماده ای که نور خورشید را جذب کند را رنگریزه یا گیرنده نوری میگویند .

بر انگیختگی یک حالت ناپایدار است و بر اساس قانون طبعیت هر ماده ای می خواهد در حالت پایدار باشد .

رنگریزه ها وقتی که برانگیخته می شوند فقط دو حالت ناپایدار برای آنها وجود دارد : 1 .

حالت ناپایدار اول 2 .

حالت ناپایدار دوم در حالت اول مدت زمانی که الکترون به حالت ناپایدار باقی می ماند 9-10 ثانیه است و در حالت دوم 12-10 ثانیه طول می کشد .

برای بررسی جذب تشعشع توسط مواد و مولکولهای مختلف دو قانون وجود دارد .

قانون استارک انیشتن : هنگامی که یک فوتون به یک الکترون برخورد میکند تمام انرژی خودش را به آن الکترون واگذار می کند .

بعبارت دیگر ، زمانی انرژی به الکترون واگذار میشود که مقدرا انرژی آن فوتون متناسب و اندازه باشد .

پس هر فوتونی نمی تواند انرژی مناسب داشته باشد و جذب شود .

انرژی متناسب هم انرژیی است که بتواند الکترون را به حالت ناپایدار اول یا دوم برساند .

دلیل موثر بودن نور آبی و قرمز همین است که نور قرمز الکترون را به حالت ناپایدار اول می رساند و نور آبی الکترون را تا حالت ناپایدار دوم می رساند .