自然科学基础：植物构成与功能

（一）被子植物的营养器官——根、茎和叶

1.根

根是指植物在地下的部位，主要功能为固持植物体、吸收水分和无机盐、将水与无机盐输导到茎以及储藏养分。

（1）根系

植物根的总和称为根系，分为直根系和须根系。直根系是指植物的根系由一明显的主根（由胚根形成）和各级侧根组成。大部分双子叶植物都具有直根系，如陆地棉、大豆等。大多乔木、灌木以及某些草本植物，例如石榴、蚕豆、蒲公英、萝卜等植物的根系是直根系。须根系是指植物的根系由许多粗细不定的根组成。在须根系中不能明显地区分出主根（这是由于胚根形成主根生长一段时间后，停止生长或生长缓慢造成的）。大部分单子叶植物都为须根系，如高粱等。禾本科植物如稻、麦、各种杂草、苜蓿以及葱、蒜、百合、玉米、水仙等的根系都是须根系。

（2）根的结构组成

根最重要的部位是根尖，根尖是主根或侧根尖端，是根的最幼嫩、生命活动最旺盛的部分，也是根的生长、延长及吸收水分的主要部分。根尖包含根冠、分生区、伸长区和成熟区（图4-2-1）。根冠是包围在分生区外的帽状结构，由许多薄壁细胞组成，起保护分生区的作用，并可分泌黏液，有利于根尖推进生长。分生区是根的顶端分生组织，前端为原分生组织，后部为初生分生组织。分生区细胞持续分裂活动，增加根的细胞数目。伸长区的细胞逐渐停止分裂，迅速伸长生长，产生大液泡。后部分化出最早的导管和筛管，是分生区与成熟区的过渡区域。根毛区的内部组织全部分化成熟，故也称成熟区。根毛区最显著的特征是表面密被根毛。根毛是表皮细胞向外突出形成的顶端密闭的管状结构。根毛的形成大大地扩大了根表皮的吸收面积，因此，根毛区是根行使吸收功能的主要区域。

（3）根的生理功能

根是在长期进化过程中适应陆地生活发展起来的器官，它的功能是吸收水分和无机盐。根系从土壤中吸收水分最活跃的部位是根尖的根毛区。通常仅由根系的活动而引起的吸水现象，称为主动吸水，而把由地上部分的蒸腾作用所产生的吸水过程，称为被动吸水。根系从土壤中吸收矿物质是一个主动的生理过程，它与水分的吸收之间，各自保持着相对的独立性。根部吸收矿物质元素最活跃的区域是根冠与顶端分生组织，以及根毛发生区。此外，根的生理功能还有固着和支持功能、有机化合物的合成转化功能、贮藏功能以及输导功能等。

图4-2-1　根尖的结构示意图

2.茎

茎是指植物地上部分的骨干，上面着生叶、花和果实。茎上着生叶的位置叫节，两节之间的部分叫节间。茎顶端和节上叶腋处都生有芽，当叶子脱落后，节上留有的痕迹叫作叶痕。这些茎的形态特征可与根进行区别。茎具有输导营养物质和水分以及支持叶、花和果实在一定空间的作用。有的茎还具有光合作用、贮藏营养物质和繁殖的功能。

（1）茎的生长方式

不同植物的茎在适应外界环境上，有各自的生长方式，使叶能在空间展开，获得充分的阳光，制造营养物质，并完成繁殖后代的作用。茎主要的生长方式有直立茎、缠绕茎（如牵牛花）、攀缘茎（如丝瓜、葡萄）、匍匐茎（如番薯）。

（2）茎的变态

有些植物的茎在长期适应某种特殊环境的过程中，逐步改变了它原来的功能，同时也改变了原来的形态，这种和一般形态不同的茎的变化称为茎的变态。按照茎的变态来分有茎卷须、茎刺、根状茎、块茎、鳞茎、球茎等。

茎卷须是在植物的茎节上，不是长出正常的枝条，而是长出由枝条变化成可攀缘的卷须，这种器官称为茎卷须，如葡萄茎上即生有茎卷须。茎刺是在植物的茎节上，长出的枝条发育成刺状，称为茎刺，如皂荚、枸杞、山楂。根状茎是某些多年生植物地下茎的变态，其形状如根，也称为根状茎，如芦苇、莲、毛竹都有发达的根状茎。藕就是莲的根状茎，竹鞭就是竹的根状茎。在根状茎上可以看到茎的基本形态特征，就是有节和节间，在节上也长叶，在叶腋中同样也生有侧芽（这便是区分茎和根的最基本方法）。块茎是某些植物的地下茎的末端膨大，形成一块状体，这种生长在地下呈块状的变态茎称为块茎，如马铃薯的薯块。在块茎上同样可能看到茎的特点，如有节、节间、退化的小叶，以及顶芽、侧芽等。鳞茎是某些植物的茎变得非常之短，呈扁圆盘状，外面包有多片变态了的叶，这种变态的茎称为鳞茎，如洋葱、大蒜、百合等。球茎是某些植物的地下茎先端膨大成球形，称为球茎，如荸荠、慈姑、芋头。

图4-2-2　木本植物茎的结构示意图

（3）茎的结构及生理功能

木本植物的茎由树皮（内含韧皮部）、形成层、木质部和髓部四大部分组成（图4-2-2）。茎的生理功能包括支持、输导、贮存营养、繁殖等功能。最主要的是输导作用，将根吸收的水、无机盐，以及叶制造的有机物进行输导，送到植物体的各部分。水和无机盐的输导是由茎的导管完成的。导管由木质部中一串高度特化的管状死细胞所组成，由于上、下相接处的细胞壁消失，形成了中空管道。水分和无机盐的输导方向是自下而上。叶制造的有机物，主要是通过茎韧皮部的筛管向植物体的各个器官输送的。筛管也呈管状，但为活细胞，具有细胞质，细胞上、下相接处的细胞壁上有许多小孔（筛孔），故称为筛管。筛管内有机物的输导方向是自上而下的。

3.叶

（1）叶的组成及分类

一个典型的叶主要由叶片、叶柄、托叶三部分组成。同时具备此三个部分的叶称为完全叶，缺乏其中任意一或两个组成的则称为不完全叶。叶片是叶的主要部分。叶片的形状，即叶形，类型极多。叶柄为着生于茎上以支持叶片的柄状物。托叶为叶柄基部或叶柄两侧或腋部所着生的细小绿色或膜质片状物。托叶通常先于叶片长出，并于早期起着保护幼叶和芽的作用。

叶柄上只着生一个叶片的称为单叶，叶柄上着生多个叶片的称为复叶。复叶上的各个叶片，称为小叶。复叶的种类很多，常见的有三初复叶、掌状复叶、羽状复叶等。

（2）叶的变态

植物的叶因种类不同与受外界环境的影响，常产生很多变态，常见的变态有刺状叶（即整个叶片变态为棘刺状的叶，如仙人掌）、鳞叶（即叶的托叶、叶柄完全不发育，叶片呈鳞片状的叶，如贝母和大蒜）、卷须叶（即叶片先端或部分小叶变成卷须状的叶，如野豌豆）、捕虫叶（即叶片形成掌状或瓶状等捕虫结构，有感应性，遇昆虫触动，能自动闭合，同时，表面有大量能分泌消化液的腺毛或腺体，如茅膏菜）。

（3）叶的组织结构

自叶片做一横切片，自外而内可见如下构造：

①表皮

表皮为叶片表面的一层初生保护组织，通常有上表皮和下表皮之分，上表皮位于腹面，下表皮位于背面。表皮细胞扁平，排列紧密，通常不含叶绿体，外表常有一层角质层。有些表皮细胞常分化形成气孔或向外突出形成毛茸。

②叶肉

叶肉为表皮内的同化薄壁组织，通常有栅栏组织和海绵组织两种组织形式。栅栏组织紧靠上表皮下方，细胞通常为一至数层，长圆柱状，垂直于表皮细胞，并紧密排列呈栅状，内含较多的叶绿体。海绵组织的细胞形状多不规则，内含较少的叶绿体，位于栅栏组织下方，层次不清，排列疏松，状如海绵（图4-2-3）。

③叶脉

叶脉为贯穿于叶肉间的组织，起支持和输导作用。叶中央的一条粗大叶脉称为主脉（或中脉），其分支称侧脉，侧脉的分支称细脉，细脉的末梢称脉梢。

（4）叶的生理功能

叶的主要生理功能是进行光合作用合成有机物，并有蒸腾作用提供根系从外界吸收水和矿质营养的动力。

①光合作用

绿色植物在阳光照射下，将外界吸收来的二氧化碳和水分，在叶绿体内，利用光能制造出以碳水化合物为主的有机物，并放出氧气。同时，将光能转化成化学能储藏在制造成的有机物中，这个过程叫作光合作用。光合作用产生碳水化合物、蛋白质和脂肪等有机物，除一部分用来建造植物体和呼吸消耗外，大部分被输送到植物体的储藏器官储存起来，我们吃的粮食和蔬菜就是这些被储存起来的有机物。光合作用还能消耗大气中的二氧化碳、制造出新鲜的氧气，调节大气中氧气和二氧化碳浓度的平衡。

②蒸腾作用

根从土壤里吸收到植物体内的水分，除一小部分供给植物生活和光合作用制造有机物外，大部分都变成水蒸气，通过叶片上的气孔蒸发到空气中去，这种现象叫作蒸腾作用。在进行蒸腾作用时，叶里的大量水分不断化为蒸气，这样就带走了大量的热，从而降低了植物的体温，保证了植物的正常生活。此外，叶内水分的蒸腾还有促进植物内水分和溶解在水中的无机盐上升的作用。

图4-2-3　叶的纵切面结构示意图

（二）被子植物的繁殖器官——花、果实和种子

1.花

花是被子植物的有性繁殖器官。一朵完整的花包括了六个基本部分，即花柄、花托、花萼、花冠、雄蕊群和雌蕊群（图4-2-4）。

图4-2-4　花的结构示意图

花柄，又叫花梗，是连接茎和花的部分。它一方面支持花，使花各向展开；另一方面将各种物质由茎运至花中。花托是花柄或小梗的顶端部分，一般略呈膨大状，花的其他各部分按一定的方式排列在上面，由外到内（或由下至上）依次为花萼、花冠、雄蕊群和雌蕊群。位于花冠外面的绿色被片是花萼，它在花朵尚未开放时，起着保护花蕾的作用。花冠是一朵花中所有花瓣的总称，位于花萼的上方或内部，排列成一轮或多轮，多具有鲜亮的色彩。花瓣的表皮细胞内常含有挥发油，使花发出各种特殊的香气。花瓣基部常有蜜腺存在，可以分泌蜜汁以吸引昆虫。花萼和花冠合称花被。雄蕊是被子植物花的雄性生殖器，其作用是产生花粉，由花丝（支持着花药）和花药（里面有花粉）两部分组成。雌蕊是被子植物的雌性繁殖器官，位于花的中央部分，由1至多个具繁殖功能的变态叶——心皮卷合而成。由1个心皮组成的雌蕊称单雌蕊，如豆类、桃等；由数个彼此分离的心皮形成的雌蕊称离心皮雌蕊，如草莓、芍药等；由2个以上心皮合生的雌蕊称复雌蕊或合心皮雌蕊，如棉、瓜类等。

雌蕊常呈瓶状，由柱头、花柱、子房三部分组成。一朵花中全部雌蕊总称雌蕊群。柱头是雌蕊顶端接受花粉的部分，通常膨大成球状、圆盘状或分枝羽状，常具乳头状突起或短毛，利于接受花粉。有的柱头，表面分泌有黏液，适于花粉固着和萌发。花柱是雌蕊柱头和子房之间的部分，连接柱头和子房，是花粉管进入子房的通道。当花粉管沿着花柱生长并伸向子房时，花柱能为其提供营养和某些趋化物质。子房是被子植物生长种子的器官，位于花的雌蕊下面，一般略为膨大。子房由子房壁和胚珠组成。胚珠受精后可以发育为种子，子房壁发育成果皮，包裹种子，整个子房发育成果实。

传粉是成熟花粉从雄蕊花药中散出后，传送到雌蕊柱头上的过程。在自然条件下，传粉包括自花传粉和异花传粉两种形式。传粉媒介主要有昆虫（包括蜜蜂、甲虫、蝇类和蛾类等）、风和水。此外，蜂鸟、蝙蝠和蜗牛等也能传粉。

2.果实

受精完成后，花瓣、雄蕊以及柱头和花柱都完成了“历史使命”，因而纷纷凋落。唯有子房继续发育，最终成为果实，其中子房壁发育成果皮，子房里面的胚珠发育成种子，珠被发育成种皮，受精卵发育成胚，受精极核发育成胚乳。有些果实除子房外，还有花的其他部分（如花托、花萼等）共同参与发育形成果实。果实一般包括果皮和种子两部分，起传播与繁殖的作用。在自然条件下，也有不经传粉受精而结实的，这种果实没有种子或种子不育，故称无子果实，如无核蜜橘、香蕉等。此外，未经传粉受精的子房，由于某种刺激（如萘乙酸或赤霉素等处理）形成果实，如番茄、葡萄，也可以形成无种子的果实。

果实的种类繁多，有的果实成熟后果皮肥厚多汁，称为肉果；常见的肉果有核果（如桃）、梨果（如梨）、柑果（如柑橘）和瓠果（如南瓜）。而有的果实成熟后果皮干燥，称为干果。常见的干果有荚果（如豌豆）、角果（如荠菜）、坚果（如板栗）、翅果（如榆、臭椿）、瘦果（如蒲公英）、颖果（如小麦）、蒴果（如牵牛）、双悬果（如小菌香）。

3.种子

种子是裸子植物和被子植物特有的繁殖体，它由胚珠经过传粉受精形成。种子一般由种皮、胚和胚乳三部分组成，有的植物成熟的种子只有种皮和胚两部分。

种皮由珠被发育而来，具有保护胚与胚乳的功能。种皮的结构与种子休眠密切相关。有的植物种皮中含有萌发抑制剂，因此，除掉这类植物的种皮，对种子萌发有刺激效应。

胚是由受精卵（合子）发育而成的新一代植物体的雏形（即原始体），是种子最重要的组成部分。在种子中，胚是唯一具有生命的部分，已有初步的器官分化，包括胚芽、胚轴、胚根和子叶四部分。胚芽位于胚的顶端，是未来植物茎叶系统的原始体，将来发育成为植物的地上部分。胚轴位于胚芽和胚根之间，并与子叶相连，以后形成根茎相连的部分。在种子萌发时，胚轴的生长对某些种子的子叶出土有很大的帮助。胚根位于胚轴之下，为胚提供营养，呈圆锥状，是种子内主根的雏形，将来可发育成植物的主根，并形成植株的根系。子叶是胚的叶，一般为1或2片，位于胚轴的侧方。被子植物中，胚具有1片子叶的，称单子叶植物；胚具2片子叶的，称双子叶植物。子叶为无胚乳的种子提供营养，或给有胚乳的种子运输营养。

绝大多数的被子植物在种子发育过程中都有胚乳形成，但在成熟种子中有的种类没有或只有很少的胚乳，这是由于它们的胚乳在发育过程中被胚分解吸收了。一般常把成熟的种子分为有胚乳种子和无胚乳种子两大类。胚乳的主要功能是为发育中的胚提供营养。

种子的传播方式多种多样，常见的传播方式有自体传播、风传播、水传播和动物传播等。自体传播就是靠植物体本身传播，并不依赖其他的传播媒介。有些果实成熟开裂之际会产生弹射的力量，将种子弹射出去，例如乌心石。风传播就是有些种子会长出形状如翅膀或羽毛状的附属物，乘风飞行，把种子散播远方，例如蒲公英、柳树的种子。水传播是靠水传播的种子，其表面蜡质不沾水（如睡莲）、果皮含有气室、相对密度较水小，可以浮在水面上，经由溪流或是洋流传播。此类种子的种皮常具有丰厚的纤维质，可防止种子因浸泡、吸水而腐烂或下沉。海滨植物，如棋盘脚、莲叶桐及榄仁，就是典型的靠水传播的种子。鸟类、蚂蚁、哺乳动物的活动也能传播种子，称为动物传播，例如大部分肉质的果实；还有具有钩刺或是黏液，能附着在动物的身上来传播的种子。