فیزیولوژی گیاهان زراعی

فیزیولوژی گیاهان زراعی

• فیزیولوژی گیاهی علمی است که فعالیت‌های داخلی گیاه را مورد مطالعه و بررسی قرار می‌دهد.
• این علم از سلول‌ها آغاز می‌شود و واکنش‌های فیزیولوژیکی درون سلول‌ها را بررسی می‌کند.
• واکنش‌های مهم فیزیولوژیکی، مانند فتوسنتز و تنفس، در درون سلول انجام می‌شوند.
• فتوسنتز در اندامک کلروپلاست (که شامل گرانا و استروما است) انجام می‌شود.
• تنفس هوازی در اندامک میتوکندری انجام می‌شود که اکسیژن مصرف و انرژی تولید می‌شود.
• میتوکندری به عنوان موتورخانه سلول شناخته می‌شود.
• فعالیت‌های فیزیولوژیکی در بافت‌های مختلف و در بعضی موارد اندام‌ها نیز بررسی می‌شوند.
• فیزیولوژی گیاهی درسی مقدماتی است که واکنش‌های فیزیولوژیکی را در پایه بررسی می‌کند.
• در این درس به گیاهان خاص پرداخته نمی‌شود.
• رابطه واکنش‌های فیزیولوژیکی در انواع مختلف گیاهان (گیاهان زراعی، درختان، و...) مورد بررسی قرار می‌گیرد.
• فیزیولوژی گیاهان زراعی یا فیزیولوژی اجتماعات زراعی، واکنش‌های فیزیولوژیکی گیاهان زراعی در مزرعه را مطالعه و بررسی می‌کند.
• این علم، اجتماع گیاهان زراعی (به جای سلول‌های جداگانه) را مورد بررسی قرار می‌دهد.
• بررسی‌های crop physiology شامل غلات، چغندرقند، نیشکر، حبوبات، آفتابگردان، و پنبه است.

انرژی و منبع انرژی در فتوسنتز

• منبع انرژی در فتوسنتز، نور خورشید است.
• اتم‌های هیدروژن در خورشید به هلیوم تبدیل شده و انرژی فراوانی تولید می‌کنند.
• انرژی متصاعد شده توسط خورشید در هر ثانیه، یک میلیون برابر تمام انرژی تولید شده در سطح زمین است.
• میزان انرژی رسانده شده به زمین به دلیل فاصله زیاد زمین از خورشید اندک است.
• دو فرضیه الکترومغناطیسی و کوانتوم برای بررسی این تشعشعات وجود دارد.
• فرضیه الکترومغناطیسی: تشعشعات خورشید به صورت امواج حرکت می کنند و تعداد موج در واحد زمان (فرکانس) متناسب با انرژی تشعشع است.
• فرضیه کوانتوم: تشعشعات به صورت ذراتی (فوتون یا کوانتا) حرکت می کنند و در برخورد با ماده، انرژی خود را آزاد می‌کنند.
• انرژی = فرکانس × ثابت پلانک

پرتوبیولوژیکی

• محدوده طول موج بین 1000 تا 700nm (قرمز دور) افزایش فاصله گره ها، کم‌رنگ شدن گیاه، کم شدن کلروفیل سازی
• طول موج بین 700 تا 610nm (قرمز) کلروفیل فعال و فتوسنتز ماکزیمم
• طول موج بین 610 و 510nm (زرد و سبز) کمترین اثر در رشد
• طول موج بین 510 تا 400nm (آبی) فتوسنتز توسط کلروفیل بخصوص نوعی فعالیت maximum
• طول موج کمتر از 400 nm (UV) برگ‌ها ضخیم و فشرده، با کرک زیاد و کوتاهی قد گیاه.
• طول موج کمتر از280 nm (UV کوتاه) خطرناک برای اکثر موجودات زنده.

تاثیرات انرژی تابشی بر ماده

• برخورد اشعه با اتم سبب آزاد شدن الکترون، تغییر جهت چرخش الکترون، یا رفتن الکترون به مدار بالا (تحریک اتم) می‌شود.
• اشعه‌های گاما، ایکس، و کیهانی باعث شکسته شدن پیوندهای شیمیایی و تولید رادیکال‌های آزاد (مولکول‌های ناپایدار و بسیار فعال) می‌شوند.
• تشکیل رادیکال‌های آزاد در آب سلول موجب اثرات مخرب رادیو ایزوتوپ‌ها و دستگاه‌های اشعه ایکس بر روی ترکیبات بیولوژیکی می‌شود.

طیف عمل

• هر رنگدانه (پیگمان) دارای یک طیف جذبی مشخص است.
• می‌توان با مقایسه طیف جذبی با طیف عمل فتوفیزیولوژیک، رنگدانه‌های مسئول را شناسایی کرد.
• به عنوان مثال، طیف عمل بیوژنز کلروفیل A در حدود 650 نانومتر و برای کلروفیل B در حدود 400 نانومتر میباشد.

فتوتروپیسم یا نورگرایی

• ساقه فتوتروپیسم مثبت و ریشه فتوتروپیسم منفی دارد.
• کاروتن و ریبوفلاوین، در نورهای آبی، نقش مهمی در فتوتروپیسم دارند.
• نور قرمز تاثیری جزئی بر فتوتروپیسم دارد.
• انحنا و رشد کولئوپتیل گیاهان به وسیله طیف عمل بررسی میشود.

فایتوکروم

• فایتوکروم دو نوع است: قرمز (PR) و قرمز دور (PFR)
• فایتوکروم قرمز پایدار و غیرفعال و فایتوکروم قرمز دور ناپایدار و فعال است.
• این دو فرم به یکدیگر قابل تبدیل هستند
• فایتوکروم قرمز دور با ماده فرضی X (که ممکن است ADP، ATP، پروتئین، NDP، سایتوکروم باشند) ترکیب شده و به حالت پایدار تبدیل می شود (pfrX).
• کمپلکس pfrX منجر به فعال شدن یا عدم فعال شدن آنزیمهای خاص میشود.
• گیاهان روز بلند در طول روزهای بلند، گل می‌دهند.
• گیاه روز کوتاه در طول روزهای کوتاه、گل می‌دهند.

فتومورفوژنز

• فتومورفوژنز تمام فرایندهای رشد و نمو مرتبط با نور است (مثل جوانه‌زنی، رویش، گلدهی و...).
• برخی بذرها در تاریکی و برخی در روشنایی بهتر جوانه میزنند.
• GDD (Growth Degree Day) میزان رشد را نشان می‌دهد.
• تغییر ناگهانی طول روز می‌تواند سبب تحریک و شروع گلدهی شود.

چرخه C3 و C4

• در گیاهان C3 (مانند گندم و برنج)، Co2 با ریبولوز دی فسفات (RuBP) ترکیب شده و تولید اسید ۳ کربنه (PGA) می‌کند.
• در گیاهان C4 (مانند ذرت و نیشکر)، Co2 ابتدا به یک ترکیب چهارکربنه (مانند اسید اگزالواستیک) تبدیل شده، سپس در سلول‌های غلاف آوندی آزاد و در چرخه کالوین مورد استفاده قرار میگیرد.

فتوسنتز

• فتوسنتز تبدیل انرژی نورانی به انرژی شیمیایی است.
• راندمان تبدیل انرژی از تقسیم انرژی موجود در ماده گیاهی به انرژی خورشیدی قابل استفاده بدست می آید.
• گیاهان عالی و باکتری‌های فتوسنتزی با جذب آب و Co2 قند تولید می کنند.
• در باکتری‌های فتوسنتزی به جای آب، H2S هیدروژن دهنده است

چرخه C3

• آنزیم RuDPcase موجب ترکیب ریبولوز دی فسفات (RuBP) با CO2 برای تولید PGA می شود.
• آنزیم های مانند فسفوگلیسریک اسید کیناز) PGA کیناز)، تریوز فسفات دی هیدروژناز و ... در چرخه C3 شرکت دارند.

چرخه C4

• ابتدا اسید فسفوانول پیروئیک (PEP) با CO2 ترکیب می شود و اسید اگزالواستیک تولید می شود.
• اسید اگزالواستیک برای ایجاد اسید مالیک تبدیل می‌شود و در سلول های غلاف آوندی آزاد می‌شود.
• Co2 آزاد شده، توسط Rubpcase در چرخه کالوین مورد استفاده قرار میگیرد.

گیاهان CAM

• این گیاهان در شب روزنه های برگ خود را باز و در روز بسته نگه میدارند تا از اتلاف آب جلوگیری کنند.
• چرخه C4 و C3 در گیاهان CAM همزمان در سلولهای مزوفیل انجام می‌شود، لکن چرخه C4 در شب و C3 در روز.
• به علت این مکانیسم در این گیاهان غلظت اسیدهای آلی در شب زیاد، pH پایین و هیدرات کربن ها کم و برعکس در روز.

شاخص‌های رشد

• رشد گیاه عبارت است از افزایش وزن خشک
• CGR سرعت رشد محصول، NAR سرعت رشد نسبی، LAR نسبت سطح برگ، SLA سطح ویژه برگ، LWR نسبت وزن برگ، LAI شاخص سطح برگ و GDD درجه روز رشد
• انواع مختلف این معادلات و محاسبات برای کاربرد در تجزیه و تحلیل کشاورزی مهم است.

تنظیم کننده های رشد

• این تنظیم کننده ها شامل اکسین، جیبرلین، سیتوکینین، بازدارنده های رشد و اتیلن هستند
• هر گروه تنظیم کننده رشد بر جنبه های مختلف رشد و نمو گیاه تاثیر می گذارد.

تنفس

• طی تنفس کربوهیدرات به Co2 و H2O تبدیل می‌شود.
• در تنفس از انرژی ذخیره شده در کربوهیدرات برای فعالیت‌های سلولی استفاده می‌شود.
• تنفس در سه مرحله گلیکولیز، چرخه کربس و زنجیره انتقال الکترون انجام می‌شود.
• گلیکولیز در سیتوپلاسم، چرخه کربس در میتوکندری و زنجیره انتقال الکترون در غشا درونی میتوکندری اتفاق می افتد.

تثبیت بیولوژیکی ازت

• بسیاری از باکتریها (به صورت همزیست یا غیرهمزیست) قادر به انجام تثبیت بیولوژیکی ازت هستند.
• این باکتریها از انرژی حاصل از فتوسنتز یا اکسیداسیون برای احیای نیتروژن هوا استفاده میکنند.
• باکتری های همزیست مثل ریزوبیوم با ریشه برخی از گیاهان بقولات همزیستی می‌کنند و غده های ریزوبیوم ها را تشکیل می‌دهند.

عوامل موثر بر رشد

• عوامل خارجی مثل اقلیم و عوامل خاکی و عوامل داخلی مثل ژنوتیپ (و توالی DNA).
• قانون مینیمم، قانون بلاک من، قانون بازده نزولی و قانون میسی از جمله قانون های مهمی هستند که عوامل محدود کننده رشد را توضیح میدهند.
• برای تجزیه و تحلیل رشد گیاهان زراعی، شاخص های رشد برای نمایش کمیت رشد مورد استفاده قرار میگیرند.

روابط بین شاخص های رشد

• روابط ریاضی بین شاخص های CGR, NAR, LAR, SLA, LWR, و LAI میتواند در فهم مکانیسم های رشد و نمو و تولید در گیاهان مختلف کاربرد داشته باشد.

استهلاک نور در اجتماع گیاهی

• میزان نور مستقیم و پراکنده در کانوپی به سمت پایین تغییر می‌یابد.
• میزان تشعشع فعال فتوسنتزی (PAR) در پایین کانوپی کمتر است ولی PAR در سطح زمین بالاتر است.
• برگهای بالایی گیاه بیشتر از برگهای پایین نور مستقیم دریافت می‌کنند.