本文目录
√Phloem and xylem structure
1.1 Phloem
1.2 Xylem
1.3 Stem and root
√Uptake of mineral ions
√Uptake of water
√Xylem transport
√Phloem transport
01Xylem and phloem structure
在进入正题之前，让我们先快速复习一遍叶子的大致结构：
(Source: Google)
| Cuticle | 叶子最上层的蜡防止过多水分流失 |
| Upper epidermis | 和cuticle一样帮助防止水分流失 |
| Palisade mesophyll | 有很多chloroplasts负责进行光合作用 |
| Spongy mesophyll | 腾出空间进行气体交换 |
| Stomata | 换气孔 |
| Guard cells | 控制着换气孔的闭合 |
以上是MYP生物会覆盖的内容，接下来的vascular bundle才是重点： Vascular bundle可以理解为两组挨在一起装着不同东西的管子的集合体，一组是xylem，一组是phloem。
1.1 Phloem
- 负责双向（向上&下）传送养分也就是所需要的organic compounds比如糖和氨基酸
- 有着连接着两壁的sieve plates（可以理解为平的大漏勺），起到支撑和分流的作用
- 两个sieve plates之间有着companion cell，有着很多mitochondria来生产ATP并负责储存营养再传送至phloem
Phloem的大致示意图⬆ (Source: Google)
1.2 Xylem
- 负责将水和矿物质单方向向上从根部输送到叶部
- 有着螺旋或圆环结构的lignin（可以理解为一种坚硬的结构材料）来支撑着xylem防止内部压力过大而导致变形
- Xylem wall为了能够将水分传输到叶子中有着一些衔接的小缺口所以不是完全闭合的
这边给大家整理了一下phloem和xylem的区别⬇
| Xylem | Phloem | |
| Transport | Water & Mineral | Organic compounds(e.g. sugar/amino acid) |
| Direction | Unidirectional | Bidirectional |
| Wall | Contains gaps/pits | Complete |
| Structural charac-teristic | Helical/ring-shaped Lignin | Sieve plate & companion cells |
| Tissue | Dead | Alive |
Phloem和xylem的对比图⬆ (Source: BioNinja)
1.3 Stem and root
刚才在叶子的横截面示意图中我们看到xylem的位置是在phloem之上的，但其实在stem和root的位置也是不一样的。IB要求我们能够分清楚哪个是stem哪个是root：
大致示意图：左边stem右边root (Source: Google)
显微镜照片：上边stem下边root(Source: IB Study Guide)
很多同学会觉得root中的xylem更好记一些因为x的形状更容易联想到xylem 。
02Uptake of mineral ions
植物的所有养分都是通过根部的root hair cell进行active transport吸收，再被传输到需要的地方。
是root hair cell ⬆不是根哦 (Source: Google) 用active transport的原因之一，是因为在一般情况下root hair cell内的mineral ions的浓度是大于土壤中的浓度的，所以为了将更多的mineral ions吸收进植物就只能通过active transport而不是diffusion。 第二个原因是因为组成cell membrane的phospholipid bilayer有polarity，所以任何polar molecules（包括mineral ions）都无法直接通过，而是需要channel proteins的帮助。
整体过程只有两步：
a. Use of proton pump to create a proton gradient
Proton pump是一种active transport的手段，在这里会用ATP把储存在root hair cell的vacuole中的protons也就是H+ ions泵出细胞外。这样做会产生一种外高内低的proton gradient，让mineral ions顺着gradient进入细胞内。
b. Use of channel proteins to take in the mineral ions
但就像我们刚才提到过的那样，mineral ions are polar molecules，所以需要channel proteins。H+ ions会和其他的mineral ions一同通过channel proteins回到细胞内。
03Uptake of water
当越来越多的mineral ions涌入细胞内，细胞内的ion concentration会变得比细胞外的高，换句话说就是water potential变低，导致水分子通过osmosis进入细胞内。水会向着high solute concentration的区域移动。
水流向示意图⬆(Source: Google)
一旦进入根部后会通过两种方式进入xylem：
a. Symplastic route
通过cytoplasm和连接着两个细胞的小通道plasmodesmata进入xylem
b. Apoplastic route
通过cell wall和cytoplasm进入xylem
水无法通过casparian strip所以会回到endodermis的cytoplasm中
根部细胞横截面示意图⬆ (Source: Britannica)
根部水流动的整体顺序为：Root hair → Epidermis → Cortex → Endodermis → Pericycle → Xylem
*挡住水分的casparian strip在endodermis中
【历年真题1】2016 NOV P1
【答案&解析】
我们可以先把给出的四个选项根据内容分为两组：
A&C → Decrease/Increase movement of water from soil into the root
B&D → Absorption of water with a lower/higher solute concentration
B&D讲的是根部细胞内的变化，但土壤中盐分的增加并不会导致细胞内solute concentration有变化所以可以排除掉。
水会从low solute concentration流向high solute concentration的地方，所以当土壤中的盐分浓度增加后，流向根部的水不但不会增加，甚至可能会从根部流回土中。 所以这道题应该选A。
04Xylem transport
植物在白天进行光合作用时会将二氧化碳吸收并排出氧气。我们将这种气体的交换称之为gas exchange，而transpiration（蒸腾作用）是gas exchange的必然结果。
Transpiration指的是水分子从植物茎叶中流失的过程：The loss of water vapour from the stems and leaves of plants(IB原话)。
在解释transpiration之前让我们再来简单复习一下我们学这段需要的chapter2中提到过的水的特性:
水分子就是这样的⬆(Source: BioNinja)
水分子具有polarity(极性)，就像和磁铁一样有着两极(+)(-)，会吸引极性分子，所以会很容易和水分子以及其他分子“粘”在一起。
Cohesion：
- 相同的分子粘在一起
- 水分子之间会形成hydrogen bond
Adhesion：
- 不同的分子粘在一起
- 水分子会和其他polar molecules (极性分子)粘在一起
大概就像这种感觉：
(Source: Google)
植物在进行光合作用时，光能被叶子吸收后转化为热量从而提升叶子内部的温度，将水变成水蒸气。交换气体时为了保证气体的进出，叶子上的stomata(气孔)会打开，也就造成了水蒸气的流失。 随着叶子的水分流失，更多水会从根部被吸收并通过xylem被吸上去以补充被蒸发的水分。
因为根部的水一直都会多于叶子的水，所以会形成一个pressure gradient：根部压力>叶部压力。
因为水有着adhesive和cohesive properties，所以水分子会随着这个gradient被不断往上拉： Adhesion → 水分子粘着植物细胞中的celluloseCohesion → 水分子粘着水分子
Transpiration整体流程⬆ (Source: Google)
植物的transpiration经常出现在p2 part B大题中：
【历年真题2】
2020 NOV P2
【答案&解析】
这道题有4分，所以只要写出相关的四点就可以。重点：processes 回答所有part B问题的时候我们可以按照where how why这三点进行回答：下横线代表着特定的词，如果没有写出下横线上的词的话就拿不到这一分哦。
Where:
- In xylem vessels [1]
How:
- Transpiration generates pulling forces [1]
- Transpiration is loss of water vapour from leaf [1]
- Tension generated when water evaporates from cell walls [1]
- Flows from roots to leaves [1]
Why:
- Cohesion in water due to hydrogen bonding [1]
- Cohesion remains continuous [1]
【历年真题3】
2017 NOV P2
【答案&解析】
这是一个8分的大题所以只要回答出相关的八点就可以。 根据题目我们可以把答题的重点分为两大块：
Water uptake [4]Where :
- Root hair cells absorb water [1]
How:
- It is absorbed by osmosis [1]
Why :
- Solute concentration inside the root is higher / water potential is lower than in the soil [1]
- Due to active transport of mineral ions into the root [1]
Water transport [4]Where:
- In xylem vessels [1]
How:
- Flows from roots to leaves [1]
Why:
-
Due to pulling force/transpiration pull [1]
-
Cohesion/hydrogen bonds between water molecules [1]
-
Evaporation of water from leaf cell walls [1]
-
Adhesion of water to leaf cell walls/cellulose creates tension [1]
✨注意：在这道题中如果想要通过adhesion得分的话，必须要将其与creating tension联系起来，不然不算分 除此之外还有两个得分点是：
-
Lignin in xylem walls resist tension [1]
-
Movement of water in xylem is a passive process [1]
05Phloem transport
就像刚才提到过的一样，phloem是营养物质的传输。在这个过程中，营养物质会从生产的地方被运送到需要的地方，我们管植物中的这两块区域叫sources和sinks。
Sources有机物比如糖和氨基酸从sources通过active transport进入phloem sieve tubes。 Sources的其中一个例子就是叶子，因为叶子中的绿叶素会进行光合作用而产生糖。
Sinks有机物会从phloem sieve tubes进入sinks，也就是需要营养的地方，比如根部。 运输机制可以理解为由营养物质浓度的增减而造成的hydrostatic pressure(静水压力)的变化：
Phloem transportation整体流程⬆ (Source: Google)
a. Active transport of organic molecules from source to phloem
- companion cells的作用是辅助物质的运输
- 有机物进入phloem的顺序：source → companion cell → phloem
- phloem中的有机物浓度比source中的高所以需要active transport
b. Water potential in phloem decreases causing water to be drawn from xylem which increases hydrostatic pressure
-
Solute concentration increase = water potential decrease
- 水会流向水少的地方
- 所以xylem中的水分会自然而然通过osmosis进入phloem
- 更多的水进入phloem后hydrostatic pressure会增加，导致液体流向sink
c. Active transport of organic molecules from phloem to sink
- Sink作为储存营养的地方浓度比phloem高所以需要active transport
d. Water potential in phloem increases causing water to move back into the xylem
- 和刚才的同一个道理：compound concentration decreases = water potential increases
- 所以水又回到xylem去了
【历年真题4】
2018 MAY TZ2 P2
这里增加一个新的知识点：Phloem loading = 有机物从source到phloem的过程
和刚才根部water uptake的方法很像，都分为两条不同的路线，但是这次没有casparian strip的阻碍而且不是在根部⬇
(Source: Oxford IB textbook)
【答案&解析】
不同植物会根据自身条件而选择不同的进入方法所以回答这道题时这两种route都要写：
How：
- Active transport [1]
- Organic molecules e.g. sucrose moves by apoplastic/symplastic routes [1]
- Movement through plasmodesmata [1]
- Loading at source into companion cells [1]
Extra：
- High solute concentration in phloem leads to water movement by osmosis [1]
【历年真题5】
2018 MAY P1
【答案&解析】
题目中的重点是sucrose transport，也就是有机物而不是水。根据此条线索我们可以把xylem和cortex给排除掉，所以最终答案为D。
最后的小总结
本次推文带着大家过了一遍IB 生物chapter 9中xylem和phloem相关的内容和一些历年真题！
水分和养分的传输经常出现于paper 2中的part B。Part B中有很大一部分是流程题，要求我们不仅要把某一个流程写出来，还要解释其背后的原理（比如这次的transpiration）。
在时间充足的情况下，建议把所有和题目相关的知识全部写上去，写多总比写少好！（orz你永远不知道做rubric的考官会不会突然心情好觉得你有踩到分）
另外要注意的是刚才在历年真题中出现的command terms，比如explain，outline，describe等词。每个command terms所对应的得分都不同，所需要写的内容会按照这个顺序逐渐增加 ：outline<describe<explain。
很多时候定义也算分数所以一定要给出题目中出现的专业用语的定义！
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