植物生理学绪论.ppt

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(plant physiology) 是研究植物生命活动规律（、揭
(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
• 含羞草
• 白睡莲
Mimosa pudica
Nymphaea alba Linn
Linn
• 随着太阳落下花朵会渐渐
• 含羞草在受到外界
关闭
触动时，叶会下垂，
小叶片合闭
植物的化学武器
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。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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”；
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 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。
• 生长发育则是代谢作用的综合表现和最 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
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）和信号转导 （signal transduction）
• （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.学科间的相互渗透 • 3.理论联系实际 • 4.研究手段现代化
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（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。
3、生命整体性的实现——信号转导
• 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。
• 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。
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。
植物生理学
plant physiology
嗯，让我想 想……….
我们为什么要学习植 物生理学？
环境危机 卫星图片－－中国地图
江山多娇
吃荤的植物
植物的有趣性
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。
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
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。
萨克斯，J.von Julius von Sachs (1832～1897)
费弗尔（W. Pfeffer）
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。
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。
•
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
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。
猪笼草 Nepenthes mirabilis (Lour.) Druce
会运动的植物
• 舞草
Desmodium gyrans
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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。
钱崇澍 ➢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。
4、植物与环境——协同进化和适应
• 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。
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）: 植物感知环境信息的部位将信息传递到 发生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。
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“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
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
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10－ 10m(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。
光合作用的光 光形态建成的光
温度 风
病原体
重力
光周期 湿度
草食动物 乙烯
土壤微生物 有毒物质
寄生虫
土壤质地 水分状况 矿质营养
各种外部信号影响植物的生长发育
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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。
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。
生长调节剂
激素 膨压 电信号 多肽
未知发育信号
温度
糖、氨基酸
转播
病原体(真菌、 细菌、病毒)
壁断片 壁的机械压力 矿质
伤害
光
放大
发散到多个目标
改变离 子流
调节代 谢途径
基因表 达调节
细胞骨 架改变
改变细胞生长和代谢
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。
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(HPLC)和酶联免疫技术 (ELISA)，后者的灵敏度可达到10－12g。
GA处理显著促进植株茎的伸长生长