生物科学前沿

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—— 植物具有非常复杂的传粉机制和繁育系统,可借助昆虫、风等外力 被动地实现异花或自花传粉,如果所处的环境没有昆虫、风,植物又将如何 繁育后代?最近在姜科植物中发现了自然界全新的主动自花授粉机制。
黄花大苞姜(Caulokaempferia coenobialis)是我国特有的姜科多年生 宿根草本植物,因分布广东、广西等高度潮湿的林内石壁或山沟瀑布边 石壁上等高度潮湿缺乏传粉昆虫的生境,而形成了另类传粉机制——花 粉滑动授粉。
生命科学研究新进展
The Progress of Life Science Rresearch
2020/4/29
——当今,在人类社会经济快速发展和高度繁荣的同时, 也使人类面临着诸多严峻问题与隐患:人口问题、生存问题、 健康问题、粮食问题、资源问题、生态环境保护问题等.
这些问题均与生命科学有着密切的关系,在某种程度上都 依赖生命科学的发展或生命科学技术的进步加以解决。
芒草
紫穗槐
旱柳
(1)能源植物类型
北方提取生物柴油的最佳木本原料植物——文冠果
文冠果(Xanthoceras sorbifolia )种子含油量30%一36%,种
仁含油量55%一66%。作为生产生物柴油的原料,文冠果具有其生 物学和生态学上的优势。首先,文冠果原产于中国,适生区域大, 可在我国北方大部分地区生长。
毛瓣杓兰的花发出似腐 败叶子的气味,其中的 异戊醇、2-乙基己醇和 正己醇普遍存在于枝孢 菌的挥发物成分中,异 戊醇为典型霉菌的气味 成分。
植物与传粉者协同进化关系
无论是普通的虫媒传粉方式还是欺骗行传粉,植物和传 粉者之间最终趋于协同进化。
榕树与榕小蜂间形成了生物界典型 的专一性共生关系,一种榕树仅仅 依赖于一种榕小蜂为其传粉,相应 地,榕小蜂也只仰仗一种榕树为其 提供繁殖后代的场所和食物。共生 作用中协同进化、协同成种,一个 物种的某个特征因响应另一个物种 对应特征的变化而进化, 而这一进 化改变又导致后一物种对应特征的 进一步变化。
达尔文在其经典著作《兰花的传粉》中描述了许多兰花与昆虫 精巧的传粉系统,但并未发现欺骗性传粉的存在。但近三分之一的 兰科植物都依赖于欺骗性传粉
兰科植物中普遍存在欺骗性传粉方式为拟交配(某些花的结构形
似雌性昆虫,当雄性蜜蜂、黄蜂、蝇类同这些花交配时,便沾附上花粉块,花粉便通
过昆虫传给另一朵花 ),但目前发现了一种全新的欺骗性传粉方式。
欺骗性传粉——拟态
生任宗昕等(中国科学院昆明植物研究所博士)通过对我国特
有珍稀濒危植物毛瓣杓兰(Cypripedium fargesii)的传粉机制 的研究,确定了扁足蝇(Agathomyia sp.)为其传粉昆虫;毛瓣
杓兰通过带斑点的叶片和花气味,拟态被枝孢菌感染的叶片,从而 达到诱骗扁足蝇传粉的目的,是有花植物传粉中一种全新的拟态方 式。
…….
2.植物传粉机制研究进展
传粉(pollination):成熟花粉从雄蕊花药或小孢子囊中散。 出后,传送到 雌蕊柱头或胚珠上的过程。 高等维管植物的特有现象
传粉形式: 自花传粉 异花传粉
传粉媒介有:虫媒(蜜蜂、甲虫、蝇类、蛾等) 风媒 鸟媒(画眉、乌鸦、蜂鸟等) 水媒
自花授粉新机制——花粉滑动授粉
访花忠实性是植物及其传粉者在长期互作进化过程中形成的,对花型 和结构的突然改变会干扰传粉者对花的认知,降低传粉效率(尽管这种 改变被认为是对传粉者“有益的”,例如减少传粉通道上的障碍)。
3.能源植物利用与开发
能源植物——广义的能源植物几乎可以包括所有植物(通过光合作用
将太阳能转化为化学能)。但以目前的技术水平,还不 能将所有植物都用于能源开发。为此, 能源植物通常指 利用光能效率高,具有合成较高还原性烃的能力,可产生 接近石油成分和可替代石油使用的产品的植物以及富含 油脂、糖类淀粉类、纤维素等的植物。
课程内容:
生物科学研究进展
专题 1 植物学研究进展 专题 2 遗传学研究进展 专题 3 生理学研究进展 专题 4 生态学研究进展 专题 5 微生物研究进展 专题 6 神经生物学研究进展 专题 7 动物学研究进展 专题 8 发育生物学研究进展 专题 9 细胞生物学研究进展 专题10 生物化学与分子生物学进展 专题11 生物物理学研究进展 专题12 水生生物学研究进展
包括12个主要等级(阶元)(Category)即:
门 纲 目 科 族 属 组 系 种 变种 变型
Divisio或(Phylum) Classis (class) Ordo (order) Familia (Family) Tribus(Tribe) Genus (Genus) Sectio(Section) Series(Series) Species(Species) Varietas(Variety) Forma(Form
花粉滑动授粉:黄花大苞姜花开放时,花药的花粉囊同时开裂,刚 开裂时,油质液浆状的花粉从花粉囊溢出成球形,然后很快铺满于花药 面,慢慢流向柱头,花粉陆续流到柱头的喇叭口,实现自花传粉。
黄花大苞姜适应于花粉流动的自花授 粉机制在花的形态和开花特征上都有 所变化。花粉成油质粘液浆状,由粘 丝连接成链珠状。花粉粒表面光滑并 延长成长椭圆球形。柱头呈扁喇叭形, 其中与花药紧贴面凹陷,较其他地方 位置低,有助于花粉浆团流入其中。 柱头上和花药面均长有毛,朝向柱头 方向,有助于引导花粉浆团流向柱头。
推荐学习网站:
生物谷——报道生命科学研 究最新进展及成果
普兰塔——报道生态学与生 物多样性最新观点及进展
国内外权威期刊及杂志:
①《ANNUAL REVIEW OF PLANT BIOLOGY 》 ② 《PLANT CELL 》 ③《 PLANT JOURNAL 》 ④ 《TRENDS IN PLANT SCIENCE 》 ⑤ 《PLANT PHYSIOLOGY 》 ⑥《NEW PHYTOLOGIST 》 ⑦ 《 PLANT BIOTECHNOLOGY JOURNAL》 ⑧ 《植物学报》 ⑨ 《生态学报》 ⑩ 《遗传学报》 ⑩ 《动物学报》 ⑩ 《生理学报》
许多研究表明,植物可采取多种策略,例如进化出不同的花型和 花序展示,以操控传粉者的访花行为,提高其传粉效率,从而实现植 物自身雌、雄性功能表达的最大化。
中科院西双版纳热带植物园张勃等通过对圆苞鼠尾草(Salvia cyclostegia)通过剪除杠杆状雄蕊下臂使杠杆功能失效以及去雄处理等花 设计操控,研究了花设计改变和杠杆功能丧失对传粉者访花行为以及繁 殖成功的影响。发现:通过花设计后可缩短传粉熊蜂对该植物的访花时 间,有利于传粉熊蜂访花,但设计后熊蜂访花的频次却显著下降,表明 花设计(自身结构)与其传粉者访花忠实性(floral constancy)的之 间有密切关系。
1.植物系统进化与分类 2.植物传粉机制
3.能源植物利用与开发 …….
1.植物系统进化Classification) 鉴定(Identification & determination) 命名(nomenclature)
(2)植物分类阶元
按照国际植物命名法规(ICBN)植物命名(包括真菌)共
专题 一 植物学研究新进展
植物学研究趋势与进展
植物通过提供基本的营养、能量等维持人类的健康,是 人类赖以生存的根本。
面对世界人口的日趋增长(2050年,世界人口的数量 将从目前的60亿增加到90亿),日益增长的世界需求,深 入地了解植物的发育和生长对世界的未来至关重要。
植物学研究内容包括植物的形态、分类、生理、生态、 分布、发生、遗传、进化等。经典植物学以研究植物起源, 亲缘关系,以及演化过程和演化趋势即研究植物分类为主, 但目前植物学研究在某些领域取得进展更加备受关注。
毛瓣杓兰传粉过程揭示了一种新的欺骗性传粉机制,其拟态方 式可能在兰科植物的食物拟态和真菌拟态中架起一座桥梁。
毛瓣杓兰传粉过程
扁足蝇卵和幼虫在大 型真菌的子实体上发 育,幼虫以子实体为 食,成虫以真菌孢子 为食。
毛瓣杓兰叶片表面具有深褐色斑 点,形似受真菌感染的霉斑。斑 点中央的毛状体由多细胞组成, 与枝孢菌串珠状的孢子相似,从 而在视觉上吸引扁足蝇的访问。
中科院华南植物园罗世孝博士等等首次发现有昆虫(甚至 可以说动物)能分解孢粉素和融解花粉。
罗世孝博士等等首次发现:两种未被描述的角麦蛾(Deltophora)
sp.1和sp.2分别是越南叶下珠和水油甘的唯一传粉昆虫。两种叶下珠属植物 与传粉角麦蛾之间形成了两对专性互利传粉关系。角麦蛾在访问植物雄花 时吸取花蜜及收集花粉,在访问雌花时会为植物完成传粉。角麦蛾成虫以 寄主植物的花蜜和花粉为食,并产卵于寄主植物上,其幼虫以取食寄主植 物嫩叶为发育营养,而寄主植物依赖其唯一的传粉昆虫来完成传粉,传粉 者与寄主植物间形成了一对一互利共生关系。
境等问题
微观: 从分子水平研究生物大分子的结构 与功能以及细胞活动、发育、遗传 和进化等生命现象本质的探索
当今生物科学研究的前沿领域及问题
最活跃的前沿领域: 细胞与分子生物学、神经与认知科学、系统生物学与组学、
计算生物学等。
核心前沿问题: 干细胞的多能性与分化、小分子RNA的功能与作用机制、
肿瘤的发生与转移、认知的生物学机制、生物大分子计算模拟 及计算机辅助药物设计等。
研究成果报 导于nature
Wang YQ, Zhang DX, Renner SS., Chen ZY. 2004. A new self-pollination mechanism. Nature 431 (2 Sept): 39 -40
虫媒传粉传粉新机制——欺骗性传粉
欺骗性传粉: 不为传粉昆虫提供任何形式的报酬,而通过精巧 的花部结构设计和花气味等拟态有报酬的花、雌性昆虫、昆虫栖息 地、产卵地和大型真菌等,从而诱骗昆虫为其传粉 .
角麦蛾不但具有特殊的访花行为,而且具有独特的口器结构。角麦蛾 特殊的访花行为和独特的昆虫口器结构,为专性互利共生物种间往往演化 出独特的行为与特殊的适应结构又提供了一个新的案例,也是植物与传粉 昆虫协同进化研究方面的又一重要发现。
A.角麦蛾访雄花
B.角麦蛾访雌花
C.角麦蛾幼虫取食寄主 嫩叶
D.角麦蛾口器上携带寄主 植物花粉
生物科学发展趋势
20世纪50年代以来,随着数学、物理、信息科学等向生命科学 的交叉和渗透以及一些先进的仪器设备和研究技术的问世,生物科学 已经从静态的、以形态描述与分析为主演化发展成动态的、以对分子、 细胞、组织、器官全方位综合研究为主。生命科学正向微观、宏观两 个方向纵深发展。
生物科学
宏观: 整个生物圈范畴研究全球生态、环
(3)植物分类方法
植物分类法
形态分类法
实验法分类法
染色体分类 染色体计数
核型分析 分裂分析 染色体分带
生化标记分类 分子标记分类
同工酶
贮藏蛋白
(4)目前植物系统进化与分类热门议题:
(1)植物分类,资源采集和数据库建立; (2)系统发育学,系统发育基因组学; (3)生物地理学和谱系地理学; (4)物种形成,杂交和适应进化; (5)分子进化,进化遗传学,进化基因组学和进化发育。
E.角麦蛾独特口器上完整的 花粉和分解的花粉块
花结构与传粉忠实性研究新进展
植物与传粉者的互作关系一直是植物界研究的一个热点,普遍被认 为植物与传粉者的互作关系体现了双方的利益冲突。传粉者的进化方向 是力图通过最经济的方式,即在最短时间内消耗最少的体能获取最大的 回报;而被传粉植物的进化动力则是通过最低的代价,有效地接受和输 出花粉,即尽可能提高其异交率和繁殖成功。
鸡嗉子榕 Ficus semicordata 鸡嗉子榕小蜂Ceratosolen gravelyi
专性传粉昆虫能分解孢粉素
孢粉素(sporonpollenin)是孢子和花粉外壁的主要成分,主要由脂 肪酸及碳水化合物构成,但是其准确的结构尚不清楚。孢粉素的性质坚 固,能抗化学及生物分解,同时也不溶于无机和有机溶剂,这种特性也 是孢粉化石能保存上百万年的主要原因。虽然许多昆虫取食花粉表面的 脂类或通过花粉萌发孔获得花粉内的营养成分,但是到目前为止没有任 何动物能破坏孢粉壁。
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