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最新研究,栅栏层与海绵组织数量,哪个决定光合效率?

这是一个非常好的植物学问题!答案是:对于绝大多数植物来说,栅栏组织比海绵组织多。

最新研究,栅栏层与海绵组织数量,哪个决定光合效率?-图1

但这并不是一个绝对的定律,我们可以从以下几个方面来详细解释:

栅栏组织更多

在典型的、适应强光照环境的植物叶片中,栅栏组织的数量和体积通常都远大于海绵组织。


为什么栅栏组织更多?—— 功能决定结构

这要从两种组织的功能说起,这也就是为什么它们在叶片中的位置和数量如此不同。

栅栏组织

  • 位置:位于叶片上表皮(靠近阳光的一面)之下,像栅栏一样整齐地排列成一至多层。
  • 细胞特点
    • 细胞呈圆柱形,排列紧密。
    • 细胞质浓厚,含有大量的叶绿体
    • 细胞间隙很小。
  • 主要功能高效地进行光合作用
    • 紧密排列和大量的叶绿体,使其像一个“太阳能电池板”,最大限度地吸收和捕获光能。
    • 位于叶片上层,能优先接触到最强的阳光。
  • 好比:叶片中的“主力军”或“精英部队”,专门负责生产能量。

海绵组织

  • 位置:位于栅栏组织和下表皮之间,像海绵一样排列疏松,细胞间隙非常大。
  • 细胞特点
    • 细胞形状不规则,排列疏松。
    • 也含有叶绿体,但数量通常比栅栏组织少。
    • 细胞间隙发达,形成了巨大的通气组织,内部充满空气。
  • 主要功能
    • 气体交换:通过巨大的细胞间隙,让二氧化碳(CO₂)能够从气孔进入,到达内部的叶绿体;同时让光合作用产生的氧气(O₂)和蒸腾作用产生的水蒸气(H₂O)能够顺利排出。
    • 辅助光合作用:虽然叶绿体较少,但仍能进行一部分光合作用。
    • 运输和支持:疏松的结构有利于水分和养分的运输。
  • 好比:叶片中的“后勤部队”和“交通网络”,负责运输、通风和辅助生产。

决定两者比例的关键因素

虽然栅栏组织通常更多,但两者的比例会因环境条件和植物种类而变化,这体现了植物对环境的适应性。

光照强度(最主要因素)

  • 强光照环境(如向阳处的植物)

    • 为了最大化利用光能,植物会发展出发达的栅栏组织,甚至有多层。
    • 海绵组织相对较少,因为不需要太多用于气体交换的空间,光合作用效率是主要矛盾。
    • 典型代表:常见的绿化植物如女贞、黄杨、夹竹桃等,它们的叶片非常厚实,栅栏组织非常明显。
  • 弱光照环境(如阴生植物、水生植物)

    • 光照是限制因素,不需要那么多“精英部队”去抢夺有限的光。
    • 植物会把更多的资源用于构建发达的海绵组织,以利于气体交换和吸收水中的溶解气体。
    • 栅栏组织变得很薄,甚至只有一层,有时不明显。
    • 典型代表阴生植物(如绿萝、吊兰)的叶片通常较薄,海绵组织发达;水生植物(如眼子菜)的叶片结构更接近海绵组织,以保证在水中进行气体交换。

植物种类

  • 双子叶植物:通常具有明显的栅栏组织和海绵组织的分化,栅栏组织更常见。
  • 单子叶植物(如水稻、小麦、玉米):
    • 它们的叶片没有栅栏组织和海绵组织的明确分化。
    • 叶肉细胞排列疏松,叶绿体分布均匀,功能上兼具了两种组织的特点,这个问题主要适用于双子叶植物。

总结表格

特征 栅栏组织 海绵组织
位置 上表皮下方 栅栏组织与下表皮之间
细胞排列 整齐、紧密、呈栅栏状 疏松、不规则、像海绵
细胞间隙 大,形成通气组织
叶绿体数量
主要功能 高效光合作用(生产能量) 气体交换、运输、辅助光合作用
在典型叶片中的比例 通常更多 通常较少
适应环境 强光照 弱光照、水生环境

一句话总结:

为了适应强光环境,植物的叶片中负责高效光合作用的“主力军”——栅栏组织,通常比负责气体交换和运输的“后勤部队”——海绵组织,数量更多、更发达,但在阴生或水生环境中,这个比例会发生变化,海绵组织会变得更重要。

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