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第4节　环境因素参与调节植物的生命活动
【学习目标】
1.通过资料分析,归纳光、温度、重力与植物生长发育调节的关系。(生命观念、科学思维)
2.基于光在植物生长发育全程中的调节作用,理解环境因素的调节与植物的适应性之间的关系,并能结合生活实例说明植物生命活动调节的复杂性和整体性。(生命观念、科学思维)
3.通过红光与红外光对莴苣种子萌发的实验探究,培养实验设计和分析实验结果的能力。(科学探究)
【自主预习】
一、光对植物生长发育的调节
1.光在植物生长发育中的作用
(1)光是植物进行　光合作用　的能量来源。
(2)光作为一种　信号　,影响、调控植物生长、发育的全过程。
在自然界中,种子萌发,植株生长、开花、衰老,等等,都会受到光的　调控　。植物的向光性生长,实际上也是植物对光刺激的反应。
2.植物能够对光作出反应的原因
(1)植物可以感知　光信号　。
(2)植物具有能接受　光信号　的分子,光敏色素是其中的一种。
(3)光敏色素是一类　蛋白质(色素—蛋白复合体)　,分布在植物的各个部位,其中在　分生组织　的细胞内比较丰富。
3.光调控植物生长发育的反应机制
阳光照射→　光敏色素　被激活,　结构　发生变化→信号经过　信息传递系统　传递到细胞核内→细胞核内　特定基因　的转录变化(表达)→转录形成RNA→蛋白质→表现出生物学效应。
二、参与调节植物生命活动的其他环境因素
1.温度
(1)春化作用:有些植物在生长期需要经历一段时期的　低温　诱导才能促使植物　开花　的作用。例如冬小麦、冬大麦、蕙兰等,如果不经过一定时间的低温,它们就会一直保持营养状态或很晚才能开花。
(2)温度对植物生活的影响:
a.生命活动的节奏随　季节　变化。
b.昼夜温差影响植物　代谢　。
c.植物的所有生理活动都在一定的　温度范围　内进行。
d.决定植物分布的　地域性　。
2.重力
(1)重力是调节植物　生长发育　和形态建成的重要环境因素。
根的　向地性　、茎的　背地性　→具有感受重力的物质和细胞,将　重力信号　转换成运输生长素的信号→造成　生长素　分布不均衡,从而调节植物的生长方向。
(2)淀粉—平衡石假说:植物对重力的感受是通过体内一类富含“淀粉体”的细胞,即　平衡石细胞　来实现的。重力方向发生改变→平衡石细胞中的“　淀粉体　”会沿着　重力方向　沉降→引起一系列　信号分子　的改变→影响植物生长。
三、植物生长发育的整体调控
1.植物生长发育的调控,是由　基因表达调控　、　激素调节　和　环境因素调节　共同完成的。
2.植物的生长、发育、繁殖、休眠,都处在　基因适时选择性表达　的调控之下。
3.激素作为　信息分子　,会影响细胞的　基因表达　,从而起到调节作用。
4.激素的产生和分布是　基因表达调控　的结果,也受到　环境因素　的影响。
【合作探究】
任务　探究环境因素对植物生命活动的影响
活动1　探究环境因素对植物生命活动的影响
1.根据下图回答问题:
(1)光敏色素是一类蛋白质(色素—蛋白复合体),受到光照时结构会发生变化。这一变化的实质可能是什么
(2)据图描述红光和远红光影响植物代谢,产生效应分为哪几个阶段 其具体过程是怎样的 (用箭头和文字进行表述)
(3)对植物来说,光只是参与光合作用吗
(4)菊花为短日照植物,在五一劳动节时需要摆放菊花花坛,欲使菊花在五一劳动节时开花,应对其进行怎样的处理
(5)种子发芽、植株生长和开花都受光的调控,它们是如何体现植物对环境的适应的
　　【提示】　(1)蛋白质的空间结构发生变化。
(2)光对植物代谢的影响分为感受信号、传导信号和发生反应三个阶段。红光和远红光→光敏色素被激活,结构发生变化→信号经过转导,传递到细胞核内→影响细胞核内特定基因的转录和翻译→表现出生物学效应。
(3)不是,光作为一种信号,影响植物生长、发育的全过程。
(4)菊花的花期一般为9~11月,因此应提前对其进行短日照处理。
(5)萌发需要光照的种子一般较小,这是对环境的适应——萌发后能立即进行光合作用,从而避免在无光条件下萌发后“饿死”;植株在生长和开花过程中,跟随着光照的节奏,能保证生命活动正常进行,能保证正常地繁衍后代,这也是植物对环境的适应。
2.阅读课本P107“思考·讨论”中的相关资料,回答下列问题:
(1)有的植物需要经过春化作用才能开花,这对于它们适应所生存的环境有什么意义
(2)春化作用过程中,感受低温的部位——分生组织中的RNA和蛋白质含量增加,说明低温通过什么机制影响植物的开花
　　【提示】　(1)这样可以避免出现在冬季来临之前开花而无法正常结果的情况。
(2)通过影响基因的转录和翻译影响基因的表达。
3.种子萌发后,根向地生长,茎背地生长;水平放置的幼苗,根也会向地生长,茎则弯曲向上生长,试叙述其原因。根的向地生长和茎的背地生长有什么意义呢
　　【提示】　根向地生长,可以深扎根,能更好地利用水分和无机盐;茎背地生长,可以将枝条伸向天空,能更好地利用阳光进行光合作用。
认知生成
环境因素对植物生长发育的调控
1.光既能作为植物细胞的能量来源,又能通过影响光敏色素等蛋白质的结构,引起光信号传导,改变植物激素水平和基因表达水平。光对植物生长发育的调控:种子萌发,植株生长、开花和衰老等。光敏色素的本质是一类蛋白质(色素—蛋白复合体),光敏色素主要吸收红光、远红光,分布在植物的各个部位,其中在分生组织的细胞内含量比较丰富。
2.温度对植物生长发育的调控:种子萌发,植株生长、开花、结果和叶的衰老、脱落等。
3.重力对植物生长发育的调控:影响激素的运输和分布。
例1　(2023·威海月考)光、温度、重力等环境因素可参与调节植物的生命活动,下列有关叙述错误的是(　　)。
A.光敏色素是植物细胞内能接受光信号的蛋白质
B.光敏色素结构的改变可影响细胞核中特定基因的表达
C.年轮的形成与春夏季细胞分裂快、细胞体积大有关
D.根部感受重力的物质和细胞可将重力信号转换成合成生长素的信号
　　【答案】　 D
【解析】　 光敏色素是一种接受光信号的分子,化学本质是色素—蛋白复合体,分布在植物的各个器官中,A正确;光敏色素主要吸收红光和远红光,吸收的红光和远红光能使光敏色素结构发生变化,影响细胞核中特定基因的表达进而调控植物生长发育,B正确;年轮是树木在生长过程中,受到季节变化过程中的温度影响后,细胞分裂速度产生变化导致的结果,春夏季细胞分裂快,细胞体积大,在树干上形成颜色较浅的带,秋冬季细胞分裂慢,细胞体积小,在树干上形成颜色较深的带,C正确;植物根中具有感受重力的物质和细胞,可将重力信号转换成运输生长素的信号,D错误。
【知识拓展】　　光对植物生长发育的调节
1.光对植物颜色的影响
叶绿素的形成需要光。种子在黑暗中萌发,长成的幼苗叶片中缺乏叶绿素,表现为“黄化苗”。
2.光对植物形态的影响
植物的向光性:单侧光照使向光侧的生长素向背光侧转移,导致背光侧生长较快,从而使植物向光生长。
对点练1　(2022·长沙联考)下列关于温度对植物生命活动调节的叙述,错误的是(　　)。
A.年轮是由不同季节的温度不同引起植物细胞分裂快慢和细胞体积大小不同而产生的
B.光作为一种信号,参与调控植物生长、发育的全过程,植物分布的地域性也由光照决定
C.温度可以通过影响种子萌发,植株生长、开花、结果等生命活动参与调节植物的生长发育
D.重力可以调节植物的生长方向,植物的根、茎中具有感受重力的物质和细胞
　　【答案】　B
【解析】　年轮形成的原因:在春夏季细胞分裂快、细胞体积大,在树干上形成颜色较浅的带;在秋冬季细胞分裂慢、细胞体积小,在树干上形成颜色较深的带,A正确。光作为一种信号,参与调控植物生长、发育的全过程,植物分布的地域性很大程度上是由温度决定的,B错误。温度可以通过影响种子萌发,植株生长、开花、结果和叶的衰老、脱落等生命活动,从而参与调节植物的生长发育,C正确。植物的根、茎中具有感受重力的物质和细胞,可以将重力信号转换成运输生长素的信号,造成生长素分布不均衡,从而调节植物的生长方向,D正确。
素能提升　光对植物开花的影响(实验推理能力突破)
1.长日照植物
(1)概念:只有当日照长度超过临界日长,或者说暗期必须短于某一时数才能形成花芽的植物。否则不能形成花芽,只停留在营养生长阶段。
(2)实例:冬小麦、大麦、油菜、萝卜等,纬度超过60°的地区,多数植物是长日照植物。
2.短日照植物
(1)概念:只有当日照长度短于其临界日长时才能开花的植物。在一定范围内,暗期越长,开花越早,若在长日照下则只进行营养生长而不能开花。
(2)实例:许多热带、亚热带和温带春秋季开花的植物大多属于短日照植物,如大豆、玉米、水稻、紫花地丁等。
【疑难辨析】　　长日照植物与短日照植物的区分
1.长日照植物和短日照植物的开花与日照时长并无直接关系,连续的黑暗时长会直接决定其开花与否。即促进长日照植物的开花并不需要延长日照时长,只要在连续的黑暗中给予短时间的光照,将连续的黑暗时长缩短至某一临界值以下就可以了;而对于短日照植物,只需延长连续黑暗的时间即可。所以长日照植物也叫短夜植物,短日照植物也叫长夜植物。
2.长日照植物和短日照植物的临界日长(夜长)根据物种不同而不同,并不是严格的12小时。
　　光不仅是植物光合作用的能量来源,还能调节其生命活动。很多植物的开花与昼夜长短有关。例如,菠菜只有白天长度超过13 h才开花,苍耳只有白天长度短于15.5 h才开花。但也有植物的开花与昼夜长短没有关系,如黄瓜、棉花、向日葵等。长日照植物是指在24 h昼夜周期中,日照长度必须长于一定时间(L)才能开花的植物;短日照植物是指在24 h昼夜周期中,日照长度短于一定时间(S)才能开花的植物。这里的“一定时间(L)”和“一定时间(S)”称为临界日长(临界值)。
(1)长日照植物的临界日长(L)　　　　　(填“可能”或“不可能”)小于短日照植物的临界日长(S)。
(2)为了研究光照和黑暗时间与植物开花的具体关系,科研工作者用某短日照植物和某长日照植物做了如下研究,所得结果如下:
注:图1和图2中的开花情况均为连续处理数个周期后的结果。图2中短日照植物的临界日长为ab,长日照植物的临界日长为ac。
根据图1结果推测:短日照植物开花,每个周期(24 h)必须经过　　　　　(填“长于”或“短于”)某个时间的连续　　　　　　(填“光照”或“黑暗”),且处理数个周期。
(3)图1中长日照植物的开花条件,有两种推测。推测A:取决于每个周期该条件的连续时长;推测B:取决于每个周期光照总时长。
科学家继续用上述两种植物做了相关实验,据图2结果推测B不合理,理由是 　(用文字和图中字母回答)。
按照推测A,从开花的条件分析,图2第Ⅴ组实验中长日照植物能开花的原因是 　(用文字和图中字母回答)。
(4)根据以上结果推测,在某地某短日照植物临近开花季节,夜间照明会使开花时间　　　　　(填“提前”或“推迟”)。
　　【答案】　(1)可能　(2)长于　黑暗　(3)图2中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ组每个周期光照总时长均短于临界值ac,但长日照植物都开花了　第Ⅴ组的每个周期中的连续黑暗时长小于cd,满足推测A中的开花条件　(4)推迟
【解析】　(1)长日照植物是指日照长度必须长于一定时间(L)才能开花的植物,而短日照植物指在24 h昼夜周期中,日照长度短于一定时间(S)才能开花的植物,两者的临界日长可能是不相等的,所以长日照植物的临界日长(L)可能小于短日照植物的临界日长(S)。(2)根据图1结果推测:短日照植物开花,则每个周期(24 h)中,黑暗时间需要足够长,必须长于某个时数,而且不能间歇性地给予光照,即必须连续黑暗,且处理数个周期,才可以开花。(3)科学家继续用上述两种植物做了相关实验,据图2结果推测B不合理,理由是图2中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ组每个周期光照总时长均短于临界值ac,但长日照植物都开花了,说明开花条件并非取决于每个周期光照的总时长。按照推测A,从开花的条件分析,取决于每个周期该条件的连续时长,图2第Ⅴ组实验中长日照植物能开花的原因是第Ⅴ组虽然每个周期光照总时长均短于临界值ac,但每个周期中的连续黑暗时长小于cd,满足推测A中的开花条件。(4)根据以上结果推测,在某地某短日照植物临近开花季节,夜间照明会导致没有满足连续的黑暗时间,导致无法开花,即开花时间会推迟。
活动2　植物生长发育的整体调控
1.植物生长发育调节的网络是什么
　　【提示】　基因表达调控、激素调节和环境因素调节共同构成的网络。
2.如何理解基因表达、环境因素、激素调节三者之间的关系
　　【提示】　环境因素和激素都能作为信息影响基因的表达;基因表达和环境因素能影响激素的产生和分布。
3.植物生长、发育、繁殖、休眠的实质是什么
　　【提示】　植物响应环境变化,调控基因表达和激素的产生、分布,从而引起器官和个体水平的变化。
认知生成
植物生长发育调节的网络图
例2　(2023·重庆调研)植物生长发育的调控,是由基因表达调控、激素调节和环境因素调节共同完成的(三者关系如下图)。下列说法不正确的是(　　)。
A.图中a、b、c依次代表植物激素、基因和环境因素
B.单侧光照可以影响生长素在胚芽鞘伸长区的横向运输体现c改变a的分布
C.赤霉素调控萌发大麦种子α-淀粉酶基因表达体现a对b的影响
D.a的产生和分布是b调控的结果,也受到c的影响
　　【答案】　 B
【解析】　 环境因素和植物激素都能影响基因的表达,环境因素可改变激素的分布情况,因此图中a、b、c依次代表植物激素、基因和环境因素,A正确;单侧光可改变生长素在胚芽鞘尖端的分布,即横向运输发生在胚芽鞘尖端,而不是在胚芽鞘伸长区,B不正确;a、b、c依次代表植物激素、基因和环境因素,因此赤霉素调控萌发大麦种子α-淀粉酶基因表达体现a对b的影响,C正确;激素的产生和分布是基因表达的结果,也受到环境的影响,D正确。
对点练2　(不定项)下列有关植物生长发育的叙述,正确的是(　　)。
A.植物的生长发育都处在基因表达调控之下
B.植物的生长发育不仅仅受植物激素调控
C.激素属于调节植物生长发育的内部信号
D.调节植物生长发育的环境因素主要有光、温度、重力等
　　【答案】　ABCD
【解析】　激素调节能影响基因调控,是影响植物生长发育的内部信号,基因调控能影响激素的产生和分布等,从而影响激素调节。
【随堂检测】
课堂小结 课堂小测
判断下列关于植物生命活动调节的正误。 (1)植物的开花会受光的调控,衰老不受光的调控。 (×) (2)植物对重力的感受是通过平衡石细胞来实现的。 (√) (3)光作为一种信息,影响调控植物生长、发育的全过程,植物种子的萌发都需要在有光的条件下才能发生。 (×) (4)光敏色素是一类蛋白质,分布在植物的各个部位,在叶肉细胞内比较丰富。 (×) (5)在受到光照射时,光敏色素的结构会发生变化,这一变化的信息会传导到细胞核内,影响特定基因的表达。 (√) (6)能说明重力调控植物生命活动的实例有根的向地性、茎的背地性和顶端优势等。 (×)
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