植物水分關系測定法《高級植物生理實驗技術》（理論部分之一）幾種常用水分指標的測定

植物組織含水量的測定

植物組織中自由水和束縛水含量的測定

植物組織滲透勢的測定

植物組織水勢的測定

植物細胞壓力勢的測定第一節植物組織含水量測定測定原理：水分遇熱蒸發，可用加熱烘干的方法測定。表示指標：鮮重％＝((FW–DW)/FW)×100％干重％＝((FW–DW)/DW)×100％相對含水量％=(FW-DW)/(SW-DW)×100％式中：FW—鮮重；DW—干重；

SW—水飽和鮮重（植物材料吸水飽和后的重量）

一、植物組織含水量的測定

測定方法：取下的植物材料立即稱重得鮮重（freshweight,FW）；將植物材料放入水中，吸水飽和后稱重得飽和鮮重（saturatedweight,SW）；將植物材料用105℃5～10分鐘殺死，80℃烘干，稱重，得干重（dryweight,DW）。1-RWC（％）=水分飽和虧（%）二、植物組織中自由水和束縛水含量的測定

基本原理：

植物組織中的水分是由自由水與束縛水兩部分組成的。束縛水不易蒸發和結冰，不能作為溶劑，也不易被奪取。所以，當植物組織被浸入較濃的糖溶液中脫水時，一定時間后,未被奪取的水分即為束縛水，而被奪取的水分作為自由水。自由水的量可根據糖溶液濃度的降低量來計算。

束縛水含量％＝組織含水量％－組織自由水含量％

第二節植物組織水勢的測定測定方法液相平衡法,如小液流法和稱重法

氣相平衡法,如露點法、蒸氣壓滲透壓計法

壓力平衡法，如壓力室法一、液相平衡法測定水勢的基本原理

（如小液流法和稱重法）

當植物組織與外液接觸時，如果植物組織的水勢低于外液的滲透勢（溶質勢），組織吸水，重量增大而使外液濃度變大；反之，則組織失水，重量減小而外液濃度變?。蝗魞烧呦嗟龋瑒t水分交換保持動態平衡，組織重量及外液濃度保持不變。將植物組織浸在不同濃度（滲透勢）的溶液中，達到水分平衡后，根據組織重量和外液濃度的變化情況，即可確定與植物組織等水勢的溶液濃度。然后根據公式計算出溶液的滲透勢，即為植物組織的水勢。溶液滲透勢的計算：ψS=-iCRT式中：ψS—溶液的滲透勢，以MPa為單位；

R—氣體常數，為0.008314MPa·L·mol-1·K-1；

T—絕對溫度。即273+t℃；

C—溶液的質量摩爾濃度，以mol·kg–1·H2O為單位，用m表示；

i－為溶液的等滲系數，如CaCl2可用2.6。

iC稱為滲摩爾濃度，指溶液中各種顆粒濃度之和。二、壓力室法測定植物組織水勢（后面詳細講測定技術）

植物葉片通過蒸騰作用不斷地向周圍環境散失水分，產生蒸騰拉力。導管中的水分由于“內聚力”的作用而形成連續的水柱。因此，對于蒸騰著的植物，其導管中的水柱由于蒸騰拉力的作用，承受著一定的張力或負壓，使水分連貫地向上運輸。當葉片或枝條被切斷時，木質部中的液流由于張力解除迅速縮回木質部。將葉片裝入壓力室鋼筒，葉柄切口朝外，逐漸加壓，直到導管中的液流恰好在切口處顯露時，所施加的壓力正好抵償了完整植株導管中的原始負壓。這時所施加的壓力值（通常稱為“平衡壓”）將葉片中的水勢提高到相當于開放大氣中的導管中液體滲透勢ψs（sap）的水平。由于通過導管汁液的滲透勢常接近于零（活性溶質含量很低），因此，有下式成立：基本原理式中：

P:平衡壓（正值）；

ψw:葉片或枝條的水勢（負值）；

ψs:木質部汁液的滲透勢。P+ψw=ψs≈0→ψw=-P基本原理（續）WebFigure3.5.C

Thepressurechambermethodformeasuringplantwaterpotential.Thediagramatleftshowsashootsealedintoachamber,whichmaybepressurizedwithcompressedgas.Thediagramsatrightshowthestateofthewatercolumnswithinthexylematthreepointsintime:(A)Thexylemisuncutandunderanegativepressure,ortension.(B)Theshootiscut,causingthewatertopullbackintothetissue,awayfromthecutsurface,inresponsetothetensioninthexylem.(C)Thechamberispressurized,bringingthexylemsapbacktothecutsurface.第三節細胞壓力勢的測定

利用微氣壓計（micromanometer）技術，美國賓夕法尼亞大學的PaulGreen首先發明了一種直接檢測植物細胞膨壓的技術。

用一個充滿空氣的玻璃管，一端密封，插入到細胞中。細胞中的高壓(膨壓)壓縮玻璃管中截留的空氣。根據體積的變化，通過理想氣體常數，可以很容易計算細胞的壓力（壓力×體積＝常數）。

這種方法適用于體積較大的細胞，如綠藻的巨型細胞。對于小的細胞，細胞汁液從細胞流向玻璃管后足以使細胞收縮，從而造成人為的壓力降低。WebFigure3.5.E

Useofthemicromanometer,apressureprobe,tomeasurecellturgorpressure.Nitellacells(whichareparticularlylarge—about100mmindiameterandmanycentimeterslong)wereusedforthesemeasurements.壓力探針法(Pressureprobe)測定細胞的壓力勢

對于高等植物，細胞的體積比綠藻要小幾個數量級，德國的ErnestSteudle發明一種更加實用的裝置——壓力探針。這種裝置比微型注射器小。用一根玻璃毛細管拉成很小的一個尖端，插入一個細胞。毛細管中充滿硅油，它是一種相對非壓縮的液體，這種液體在顯微鏡下很容易與細胞液分辨開來。WebFigure3.5.F

Diagramofthesimplestpressureprobe(nottoscale).TheprimaryadvantageofthismethodovertheoneshowninWebFigure3.5.Eisthatcellvolumeisminimallydisturbed.Minimaldisturbanceisofgreatimportanceforthetinycellsthataretypicalofhigherplants,inwhichlossofevenafewpicoliters(10–12L)offluidcansubstantiallyreduceturgorpressure.壓力探針法(Pressureprobe)測定細胞的壓力勢

當玻璃毛細管的尖端插入到細胞中時，細胞汁液開始流向毛細管，因為開始時毛細管中為低壓，在顯微鏡下可以觀察到這一現象。通過推動活塞施加一種壓力，使細胞汁液返回細胞，來阻止這一現象。通過這種方式，油與細胞汁液的分界線可以退回到毛細管的尖端。當邊界退回到毛細管尖端，并且保持穩定后，細胞的原始體積恢復，細胞內部的壓力正好平衡毛細管的壓力。

這種壓力通過壓力檢測探頭檢測，這樣直接測定單個細胞的靜水壓力。

這種方法可以用于檢測各種植物的離體和連體組織的壓力勢以及多種水分參數。這一方法的限制因素是：（1）一些細胞太小不容易檢測。（2）另外，一些細胞在毛細管穿刺后發生滲漏，還有的發生毛細管尖端的阻塞，影響正常測定。（3）但是，關鍵的技術問題的氣穴現象限制負壓力勢的測定。

這種壓力探針還可以測定木質部的壓力勢正值或者負值。壓力探針法測定細胞的壓力勢第四節植物組織滲透勢的測定測定方法質壁分離法測定基態滲透勢冰點降低法測定滲透勢蒸汽壓滲透壓計測定水勢與滲透勢露點微伏壓計測定組織水勢與滲透勢植物組織滲透勢的測定溶液依數性平衡法（一）質壁分離法測定細胞基態滲透勢基本原理：

將植物組織放入一系列不同濃度的蔗糖溶液中，經過一段時間，植物細胞與蔗糖溶液間將達到滲透平衡狀態。如果在某一溶液中細胞脫水達到平衡時，剛好處于臨界質壁分離狀態，則細胞的壓力勢ψp下降為零。此時細胞液的滲透勢ψs等于外液的滲透勢ψs0，即ψs=ψs0，此溶液稱為該組織的等滲溶液，其濃度稱為該組織的等滲濃度。因此，只要測出植物組織的等滲濃度，即可計算出細胞液的滲透勢ψs。（一）質壁分離法測定細胞基態滲透勢基本原理（續）：

實際測定時，由于臨界質壁分離狀態難以在顯微鏡下直接觀察到，故通常以初始質壁分離作為判斷等滲濃度的標準。處于初始質壁分離狀態的細胞體積比吸水飽和時略小，故細胞液濃縮，而滲透勢略低于吸水飽和時的滲透勢，此種狀態下的滲透勢稱基態滲透勢。溶液的依數性（colligativeproperties）

溶液的依數性（colligative）是指這種特性依賴于溶解在溶液中的粒子數量，而與各種溶質的性質無關。例如，由于溶質的存在，使溶液的蒸汽壓、冰點和露點降低，而沸點提高。溶液越濃，這種變化越大。這些特性與溶質的特異性無關。如：一個小金屬離子與一個大糖分子的依數性相同。冰點是溶液的依數性之一，隨著溶質的濃度增加冰點降低。例如，濃度（iC）為1mol/Kg的溶液，其冰點為-1.86℃，而純水的冰點為0℃。

1.86為水的摩爾冰點下降常數。（二）冰點下降法測定組織汁液滲透勢（二）冰點下降法測定組織汁液滲透勢基本原理：

根據拉烏爾冰點下降原理，任何溶液，如果其單位體積中溶解的溶質顆粒（分子和離子）總數目相同時，則引起溶液冰點下降的數值也相同。1mol的任何非電解質溶解于1000g水中，則使水的冰點由0℃下降至–1.857℃；而1mol的電解質溶于1000g水中，其冰點下降值為離解離子與未離解的總物質的量(mol)乘以1.857。因此，欲求某一溶液的溶質顆粒濃度（iC），可先測其冰點下降值，然后按式算出：OS=Δt/1.857.式中：

OS—1000g水中所溶解的溶質顆粒數目，即質量滲（透）摩爾濃度（iC）；

Δt—冰點下降值（℃）；

1.857—水的摩爾冰點下降常數。（二）冰點下降法測定組織汁液滲透勢基本原理（續）：

溶液的冰點下降值可用冰點滲透壓計測定。該儀器以高靈敏度感溫元件測量冰點，并轉換為滲透摩爾濃度單位（OSmol＝iC）輸出。冰點是指溶液的固態和液態處于平衡狀態下的溫度。但是，通常水溶液從液態向固態冷卻變化的過程中，溫度雖已達到甚至低于冰點,而不發生結冰的現象，這稱之為“過冷現象”。處于過冷狀態下的液體極不穩定，任一擾動便可“觸發”其立刻結晶而變為固態，釋放出“晶化熱”，這種熱量會使過冷的溶液在冰晶形成瞬間產生溫度回升現象。（二）冰點下降法測定組織汁液滲透勢基本原理（續）：上述過程，可用“結冰曲線”來描述（二）冰點下降法測定組織汁液滲透勢基本原理（續）：

從結冰曲線可以看出，過冷的溶液在結冰釋熱后，有一段溫度平穩的時間，這段較平穩的溫度即為溶液的冰點。

冰點滲透壓計可以測量冰點溫度，并將冰點下降值換算成溶液的滲透摩爾濃度單位（iC）輸出。OS=Δt/1.857

然后，根據公式（ψs=–iCRT）便可計算出溶液(細胞汁液)的滲透勢。三、露點法測定植物組織水勢和滲透勢（氣相平衡法測定水勢）基本原理：

將植物組織或者汁液密閉在體積很小的樣品室內，經過一定時間后，樣品室內的空氣和植物樣品將達到溫度和水分的動態平衡狀態。此時，氣體的水勢（以蒸汽壓表示，蒸汽壓與水勢有定量關系）與葉片的水勢（或者組織汁液的滲透勢）相等。因此，只要測定出樣品室內的水蒸氣壓降低值，便可以知道植物組織的水勢（或者汁液的滲透勢）。由于空氣的蒸汽壓與其露點溫度具有嚴格的定量關系，儀器便可以通過測定樣品室內的露點溫度而得知其蒸汽壓。

測定時，首先給熱電偶施加一個反向電流，使樣品室內的熱電偶結點降溫（Peltier效應），當結點溫度降至露點溫度以下時，將有少量水凝結在結點表面，此時切斷反向電流，記錄熱電偶結點溫度變化（根據熱電偶的輸出電位）。開始時，結點溫度因熱交換平衡而很快上升；隨后，因表面水分蒸發帶走熱量，而使溫度保持在露點溫度，呈現短時間的恒穩狀態；待結點表面水分蒸發完畢后，溫度將再次上升，直到恢復原來的溫度平衡。記錄恒穩狀態的溫度（露點），便可將其換算成待測樣品的水勢或者滲透勢。露點微伏壓計測定露點溫度的工作原理：WebFigure3.5.A

Diagramillustratingtheuseofisopiesticpsychrometrytomeasurethewaterpotentialofaplanttissue.

基本原理：

當植物組織放在空氣中，并與氣相達成動態水分交換平衡時，組織的水勢與氣體的水勢相等，氣相水勢與空氣相對濕度（或者相對水蒸汽壓）的關系如下：

式中：R為氣體常數，T為絕對溫度，VW是水的偏摩爾體積，P是系統的實際蒸汽壓，P0是純水的蒸汽壓。

將植物組織（或者細胞液）放在密閉小室中，平衡后，測定密閉系統中的RH，根據公式即可計算組織的水勢。ψW=lnaw=ln=lnRHRTVWRTVWpp0四、蒸汽壓滲透壓計測定組織水勢和滲透勢RTVW四、蒸汽壓滲透壓計測定組織水勢和滲透勢（續）

蒸汽壓方法的最大優點是它不需要改變樣品的物理狀態。隨之而來的優點還有：1、樣品用量少（10μl體積）；2、任何生物液體均可進行常規測定，如血液、血清、血漿、尿、汗以及復雜的組織樣品等；3、樣品的物理特性，如粘度、粒子質量、非勻相狀態等，在冰點下降法測定過程中都會引起早凍現象，但這些因素對蒸汽壓滲透壓計不會造成影響4、由于儀器的機械復雜程度小，測定具有很好的可靠性。注:儀器采用標準的國際單位：mmol/kg第五節滲透勢與水勢測定在逆境生理學中的應用

（一）滲透調節能力的測定

在干旱、鹽漬、寒冷等條件下，植物細胞內部主動積累一些小分子物質，從而降低細胞液的滲透勢，降低水勢，增強吸水能力，保持膨壓和氣孔開放，維持光合作用。這種現象叫做滲透調節作用。積累的物質叫做滲透調節物質，主要有可溶性糖、游離氨基酸、K+、脯氨酸、甜菜堿等。研究發現，抗旱（抗冷、抗鹽）性不同的植物品種的滲透調節能力有差異，植物滲透調節能力的高低是鑒定植物抗旱性強弱的重要指標。滲透調節能力強的植物或者品種抗旱性強。（一）滲透調節能力的測定（續）

測定細胞滲透調節能力的方法常用水飽和滲透勢法。進行水飽和的目的，是為了消除在干旱過程中細胞體積變小造成的細胞液濃度升高。榨取汁液之前首先對干旱與正常條件下的細胞進行水分飽和，然后榨取汁液，分別測定細胞液的飽和滲透勢，按下式計算滲透調節能力（osmoticadjustment,OA）：OA=ψ100S(T)-ψ100S(CK)

取細胞液時需要將細胞膜冰凍破損，然后榨取汁液。操作過程中，保證細胞液濃度不發生改變，是保證數據準確性的關鍵。組織表面水分的存在是影響測定結果的關鍵因素。！?。。ǘ毫κ襊-V技術的應用

用壓力室測定組織水勢，以每次施加的壓力為縱坐標，以相應的體積為橫坐標，制作的曲線即壓力－容積曲線（P-V曲線）。通過P-V曲線可以求得多種水分參數，利用這些參數可以推斷植物的水分關系狀況。這種技術稱為P-V技術。1.P-V曲線的基本原理（續）

具有大液泡的植物組織的水勢可用下式表示：ψW=ψS+ψP。當植物組織因失水而發生萎蔫時，細胞的膨壓消失（ψP=0），這時細胞的水勢等于滲透勢（ψW=ψS）。

測定P-V曲線時，首先將植物材料進行水飽和，稱鮮重（SW），以后在逐漸增大平衡壓力的過程中，將植物材料中的水分逐漸壓出來，并將水分稱重（FW＝SW－水重量）。這種情況類似于水飽和的植物組織因失水而轉向萎蔫狀態（壓力勢消失），直至嚴重脫水狀態。當溶液中物質顆粒數目（Ns）不發生變化時。體積與滲透勢之間的關系：

ψS1V1＝ψS2V2

實驗證明，從木質部壓出的植物汁液幾乎都是純凈的水。這表明植物細胞膜的半透性并未因加壓而受損，細胞中的溶質也沒有隨水分的外滲而損失.1.P-V曲線的基本原理（續）?1.P-V曲線的基本原理（續）

根據Van’tHoff定律，溶液的滲透勢與溶解一定量溶質的體積成反比。ψS＝－iCRTiC

=

Ns（1/V）ψS＝－RTNs（1/V）（1）式中：ψS

－溶液的滲透勢

V－溶液體積

T－絕對溫度

Ns－溶質的滲摩爾數，操作適當時應保持不變。1.P-V曲線的基本原理（續）每次加壓過程中Ns不變。由（1）式得：ψSV＝－RTNs（2）由于R、T、Ns均為常數，三者的乘積也為常數，用K表示，這樣公式可以變為:ψS=K?(1/V)于是有：ψS1V1＝ψS2

V2

（3）

在水勢測定中，每次加壓測出的壓力值等于水勢的絕對值，即ψW＝-P，當膨壓消失后，ψP＝0，所以，ψW＝ψS＝K?（1/V）（4）可見，當植物組織發生萎蔫時，ψW與1/V的關系為直線關系。1.P-V曲線的基本原理（續）

實際應用中，V常用相對含水量（RWC）來表示。充分飽和時RWC＝1，這樣，以RWC-1（=1/V）為橫坐標，ψW為縱坐標作圖，在膨壓消失后，ψW與RWC-1是一條直線。

在膨壓未消失前（ψP>0），隨著RWC的降低，ψW急劇降低，ψW與RWC-1不符合上述直線關系，因為ψW=ψS+ψP，故：ψS＝ψW－ψP＝K?（1/V）（5）

ψW＝＝K?（1/V）＋ψP

（6）1.P-V曲線的基本原理（續）

由于ψP不是常數，它隨著RWC的增大急劇增大，因此，ψW