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1、植物生理学,主讲:李玲单位：合肥师范学院 手机：,植物生理学,plant physiology,我们为什么要学习植物生理学？,嗯，让我想想.,卫星图片中国地图,环境危机,江山多娇,植物的有趣性,猪笼草Nepenthes mirabilis(Lour.)Druce,猪笼草在自然界猪笼草常常平卧生长，叶的构造复杂，分叶柄，叶身和卷须，卷须尾部扩大并反卷形成瓶状，可捕食昆虫。猪笼草具有总状花序，开绿色或紫色小花。猪笼草叶顶的瓶状体是捕食昆虫的工具。瓶状体开口边缘和瓶盖复面能分泌蜜汁，引诱昆虫。瓶口光滑，待昆虫滑落瓶内，被瓶底分泌的液体淹死，并分解虫体营养物质，逐渐消化吸收。,吃荤的植物,会运动的植物
2、,白睡莲Nymphaea alba Linn 随着太阳落下花朵会渐渐关闭,含羞草Mimosa pudica Linn 含羞草在受到外界触动时，叶会下垂，小叶片合闭,舞 草Desmodium gyrans(Linn.)DC舞草属豆科，舞草属当人们对它讲话或唱歌，小叶片会左右舞动，宛如小草听到你的声音翩翩起舞,植物的化学武器,生物防治,次生代谢,你现在知道了吗？,绪 论,一、植物生理学的定义与内容二、植物生理学的任务三、植物生理学的产生与发展四、植物生理学与农业生产 五、植物生理学研究的发展趋势或动向 六、植物生理学的学习方法,一、植物生理学的定义与内容(一)植物生理学的定义 植物生理学(plan
3、t physiology)是研究植物生命活动规律（、揭示植物生命现象本质，及其与环境相互关系）的科学。,(二)植物生理学的研究内容（植物生命活动的组成）,1.生长发育与形态建成2.物质与能量转化3.信息传递和信号转导,1生长发育与形态建成,生长发育（growth and development）是植物生命活动的外在表现，它主要包括了两个方面：一是由于细胞数目的增加、细胞体积的扩大而导致的植物体积和重量的增加生长 growth；二是细胞不断分化，形成新组织、新器官，带来的一系列肉眼可见的形态变化，即形态建成(morphogenesis），包括从种子萌发，根、茎、叶的生长，直到开花、结实、衰老、死
4、亡的全过程发育development。人类对植物生命活动的认识正是从对其生长发育的观察和描述开始的，所谓“春华秋实”，“春发、夏长、秋收、冬藏”等等，便是人类对植物生长发育规律直观认识的写照。,2物质与能量转化,物质与能量转化是生长发育的基础。在植物形态变化的背后，是肉眼难以观察到的物质和能量转化过程，而物质转化与能量转化又紧密联系，构成统一的整体，统称为代谢(metabolism)。植物的代谢活动包括 水分的吸收、运输与散失；矿质营养的吸收、同化与利用；光合作用；呼吸作用；有机物的转化、运输与分配等方面。代谢过程归根结底是运行于植物体内的一系列生物化学和生物物理的变化。,生长发育则是代谢作用
5、的综合表现和最终结果。代谢作用是生命的基础，代谢一旦停止，生命也就不复存在，生长发育更无从谈起。某些代谢环节如果发生重大变化或遭到破坏，也必然会影响到生长发育。,3信息传递和信号转导,信号：感受器官“感知”环境条件的物理或化学信号开始传递：在许多情况下，感知信息的部位与发生反应的部位往往不是同一器官，信息传递到反应器官反应：反应器官发生反应。,信息传递（message transportation）和信号转导（signal transduction）,植物无发达的神经系统，如何面对复杂多变的环境？,信息传递（message transportation）:植物感知环境信息的部位将信息传递到发生
6、反应部位的过程称信息传递。信号转导（signal transduction）：单个细胞水平上，信号与受体结合后，通过信号转导系统，产生生理反应。简言之信息传递是指环境的物理或化学信号在器官或组织上的传递，而信号转导是指细胞水平上的传递。,各种外部信号影响植物的生长发育,返回,二、植物生理学的任务,植物生理学的任务是研究和了解植物在各种环境条件下进行生命活动规律和机制，并将这些研究成果应用于一切利用植物生产的事业中。,三、植物生理学的产生和发展,第一阶段：植物生理学的孕育阶段第二阶段：植物生理学诞生与成长 的阶段第三阶段：植物生理学发展、分化 与壮大阶段,第一阶段：植物生理学的孕育阶段,这一阶段
7、从1627年荷兰人凡海尔蒙（J.B.van Helmont）做“柳枝实验”开始，探索植物长大的物质来源 直 到 19世纪40年代德国化学家李比希（J.von Liebig）创立“植物矿质营养”(minerral nutrient)学说为止，共经历了200多年的时间。,增加的重量来源于何处？,英国的J.Priestle（普里斯特列）（1733-1804）进行的试验发现氧气,Why?,第二阶段：植物生理学诞生与成长的阶段,这一阶段从1840年李比希矿质营养学说的建立到19世纪末德国植物生理学家萨克斯(J.Sachs)1882年编写的植物生理学讲义和他的学生费弗尔(W.Pfeffer)1904年出版
8、的植物生理学两部植物生理学专著问世为止，经过了约半个世纪的时间。,萨克斯，J.von Julius von 费弗尔（W.Pfeffer）Sachs(18321897),萨克斯和费弗尔在全面总结了植物生理学以往的研究成果的基础上，分别写成了植物生理学讲义(J.Sachs,1882)和三卷本的专著植物生理学(W.Pfeffer,1897),成为影响达数十年之久的植物生理学经典著作和植物生理学发展史中的重要里程碑。这两部著作的问世，意味着植物生理学终于从它的母体植物学中脱胎而出，独立成为一门新兴的学科。,第三阶段：植物生理学发展、分化与壮大阶段,20世纪是科学技术突飞猛进的世纪，也是植物生理学快速壮
9、大发展的世纪。20世纪以来，特别是50年代以来，植物生理学的研究在微观、个体、宏观三个层次上都发生了巨大的变化，获得了许多重大突破。微观方面：生物膜结构与功能的研究，提出并确定了膜的“流动镶嵌”模型：以类脂为主要成分构成的双层膜上镶嵌着各种功能蛋白，执行着诸如电子传递、能量转换、离子吸收、信号转导 等重要生理功能。,在光合作用研究中,卡尔文(M.Calvin)于50年代利用14C示踪和纸上层析两种技术，揭示了光合作用中CO2 同化的历程,提出了著名的卡尔文循环，即“光合碳循环”；60年代以后，又陆续发现了C4途径、景天科酸代谢(CAM)、光呼吸作用；由于快速荧光光谱技术和激光技术的应用,将光合
10、作用原初反应研究的时间跨度从毫秒级(ms,10-3s)一直缩短为皮秒(ps,10-12s)和飞秒(fs,10-15s)级；在空间跨度上，电子显微镜和X-射线衍射技术的应用，使人们的视野逐步从细胞水平深入到亚细胞水平，进而深入到生物膜和生物大分子空间三维结构的水平，分辨率达到1010m(1/10nm)级，弄清了光合膜上许多功能性色素蛋白复合体的三维立体结构，将结构与功能的研究推向了微观世界。,卡尔文及其同时用来研究光合藻类CO2固定的仪器装置,在植物生长发育生理方面，成功地使植物组织、细胞和原生质体在离体培养条件下通过脱分化和再分化成长为新的植物个体。这一成就的重大意义不但在于证明了植物细胞的“
11、全能性”，而且为植物细胞工程和基因工程的大力发展创造了条件。,植物组织培养流程示意图,菠萝愈伤组织（callus）,水稻愈伤组织再生苗,香蕉试管苗工厂化生产,人 工 种 子体细胞胚胎（胚状体）+人工种皮,莴苣种子萌发实验,自40年代至50年代末相继发现了植物光周期现象和控制光周期现象的色素蛋白复合体光敏色素(phytochrome)。目前已知受光敏色素控制的生理过程不下几十种。,两种类型光敏素及其相互转换,关于植物生长物质的研究，从30年代首次确定生长素的分子结构以来，已陆续确定了5种公认的植物激素和10余种内源生长物质，植物激素的测定方法则由最初的生物鉴定法发展到现在的高效液相色谱技术(HP
12、LC)和酶联免疫技术(ELISA)，后者的灵敏度可达到1012g。,GA处理显著促进植株茎的伸长生长,返回,紫外可见光分光光度计,我国的植物生理学的发展20世纪20年代开始，钱崇澍（植物生理学创始人）、李继侗、罗宗洛、汤佩松（我国植物生理学3位奠基人）讲授植物生理学、建立了植物生理实验室。,1949年以后，植物生理的研究和教学工作发展很快,在有关植物生理学的各个领域里,都取得重要进展。现在我国植物生理学研究成果逐渐接近国际水平并在某些领域处于领先水平。,钱崇澍,稳压稳流电泳仪,小型垂直电泳槽,高压液相色谱仪High Performance Liquid Chromatography,四、植物生
13、理学与农业生产,植物生理学是合理农业的基础植物激素的发现导致了植物生长调节剂和除草剂的普遍应用“绿色革命”，使稻麦产量获得了新的突破,植物细胞全能性理论的确立，组织培养技术迅猛发展为植物基因工程的开展和新种质的创造提供了条件。,组织培养,以下几方面可能成为今后与农业生产相结合的重要研究领域：,（一）作物产量形成与高产理论（二）环境生理与作物抗逆性（三）设施农业中的作物生理（四）植物生理学与育种学相结合作物生理育种,工厂化育苗,世界上最大的人工气候室-Monsanto生命科学研究中心,返回,五、植物生理学研究的发展趋势或动向,（一）植物生理学近三十年的发展特点1.研究层次越来越广（微观；宏观）2
14、.学科间的相互渗透3.理论联系实际4.研究手段现代化,返回,（二）植物生理学研究的发展趋势或动向,1、从生物大分子到复杂生命活动基因组学和基因结构与功能研究,植物生理学的研究整体也呈现这样的研究趋势，在强调植物分子生理学的同时，也在注重植物生理学与农业和生态学的结合。在已经完成的构建水稻基因物理图谱和遗传图谱的基础上，水稻基因组计划的实施，已进入国际分工基因全序列的测定阶段，同时开展功能基因组的研究。包括水稻和拟南芥在内的多种模式植物突变库的建立，为基因的功能研究奠定了坚实的基础。,2、生命的能量和物质基础代谢及调节,光合作用在植物以至在地球能量和物质循环中占据极重要的地位，因而对它的研究总处
15、于十分重要的位置。当前光合作用的研究热点主要集中在氧的释放和反应机理，以及光合膜四大复合体的结构和功能上。对人类来说，植物次生代谢涉及许多有实用价值的天然产物，对植物来说，次生代谢涉及众多的代谢调节、信号转导和防卫物质，所以植物次生代谢研究正在受到极大的关注。在美国植物生理学会组织的“植物生理2000”年会上就有“次生代谢”专题，涉及植物的次生代谢产物，以及植物次生代谢的分子生物学和分子遗传学等内容。,信号转导是生物与外界、生物体细胞间相互沟通的一种高度复杂的网络状态系统。生物具有多样性，但同样有许多共同点，信号转导就是其中之一。当然，生物界信号转导的具体细节，有许多不同之处，这方面的研究主要
16、涉及化学和物理信号感受、胞内第二信使系统、胞间信号传递等方面。植物激素、病原体和保卫细胞是当前十分活跃的信号转导研究系统。,3、生命整体性的实现信号转导,对植物与环境的研究，也有一个从宏观到微观的发展过程。植物对非生物胁迫的反应和适应，一直受到研究者的关注，在“植物生理2000”年会上有数篇该领域的论文。但在植物整体中，这是一个十分复杂的过程，需要进行深入研究。德国马普学会新建了化学生态研究所，下设三个研究室：遗传和进化研究室，研究形成植物/草食性昆虫之间化学相互作用的进化动力；植物生物化学和分子生物学研究室，研究植物重要防卫化合物的生物合成；分子生态研究室，研究生态上重要的防卫机制的遗传学基
17、础。研究所的整体任务是从实验和理论的角度，研究形成化学介导生态相互作用进化动力的功能基础。,4、植物与环境协同进化和适应,六、植物生理学的学习方法,1、坚持辩证唯物主义世界观 避免唯心主义或形而上学倾向。2、理论联系实际 提高动手能力和综合实践能力。3、学会透过现象看本质 去粗取精，去伪存真，由表及里。4、课前预习，课后复习。加强自学能力培养。,主要参考资料,1.潘瑞炽，董愚得.植物生理学（第五版）.北京：高等教育出版社，2004 2.曹仪植，宋占午.植物生理学.兰州：兰州大学出版社，1998 3.李合生 主编.现代植物生理学，高等教育出版社，2002.1 4.期刊：植物生理学通讯、植物生理学与分子生物学学报5.网站：徐州师范大学 华中农业大学 Plant Anatomy and Physiology Plant Physiology Online,
