植物营养与分子生物学.ppt

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1、植物营养学植物营养学 与现代生物技术与现代生物技术徐芳森植物营养学植物营养学 研究植物营养原理与施肥的科学。研究植物营养原理与施肥的科学。植物营养原理植物营养原理 研究植物对营养元素的吸收、运转、研究植物对营养元素的吸收、运转、分配和利用，以及植物体与环境之间营养分配和利用，以及植物体与环境之间营养物质和能量转化过程及其调控的科学。物质和能量转化过程及其调控的科学。123土壤土壤根根地上部地上部BAP TX(P)(T)利用转移运输吸收养分营养利用转移运输吸收养分营养植物必需营养元素（定义，分类，植物必需营养元素（定义，分类，种类）？种类）？有益元素？有益元素？每个必需营养元素的吸收（代谢每个必

2、需营养元素的吸收（代谢与同化）、体内含量、分配、营与同化）、体内含量、分配、营养功能、缺乏（或中毒）症状养功能、缺乏（或中毒）症状（诊断）？（诊断）？每个必需营养元素所对应的肥料（种类、性质和施用技每个必需营养元素所对应的肥料（种类、性质和施用技术等）？术等）？N,P,K 肥料三要素肥料三要素?微肥？单质肥料与复合肥料？有机微肥？单质肥料与复合肥料？有机与无机肥？含与无机肥？含Cl-肥料与含肥料与含SO4 2-肥料？肥料？施肥与环境？施肥与环境？配方施肥？配方施肥？尤尤李比西李比西(1803-1873)Liebig(1840)“Organic chemistry in its applicat

3、ion to agriculture and physiology”A:Mineral Element Theory(矿质营养学说）矿质营养学说）B:Nutrient Return Theory（归还学说）（归还学说）C：Minimum Nutrient Law（最小养分律）（最小养分律）Macroelement C,H,O,N,P,K,Ca,Mg,SMicroelement Fe,Mn,Cu,Zn,B,Mo,Cl Beneficial element Na,Si,I,V,Co,NiCOCO2 2Uptake and distribution of boron at flowering sta

4、ge(g)B-ineffi.B-effi.-B +B -B +BOldest leaf 11.02 17.27 7.70 13.70Youngest leaf 0.024 0.15 0.245 0.586 Main stem 10.55 28.72 23.73 26.68Flower 1.23 5.67 3.46 7.85Bud 1.84 11.48 1.96 7.00 Total 32.85 89.37 45.63 78.21EnzymologyIsotope trace techniqueSoil ScienceAgronomyTraditional Understanding on Pl

5、ant NutritionPlant Nutrition Plant PhysiologyPlant PhysiologySoil ScienceSoil ScienceCrop Plant Soil Fertilizer Soil ScienceSoil SciencePlant Nutriology Plant Physiol.Plant Physiol.Molecular BiologyMolecular BiologyAgronomyAgronomyGeneticsGeneticsMolecular Molecular GeneticsGeneticsEnviron.Environ.E

6、cologyEcologyModern Discipline of Plant NutritionMedical Medical ScienceScienceqGenomicsqProteomicsqMetabomicsqPlant NutriomicsqIonomicsSignal Signal transduction transduction Rec.Rec.Plant Plant NutriomicsNutriomicsSignal Signal transduction transduction Rec.Rec.Plant Plant NutriomicsNutriomicsMlle

7、randKersten,2003NRT1 family of nitrate transportersTwofamiliesofnitratetransportergeneshavebeenidentifiedtodate:theNRT1andNRT2families.CHL1 participates in both low and high affinity uptake.N NRT2 family of nitrate transporters The NRT2 family of genes encode nitrate-inducible,high affinity nitrate

8、transporters.AMT1 family of NH4+transporters Model for the feedback regulation of the AtAMT1.1 gene by N metabolites.A model for secondary Pi transport across the plasma membrane.PThese nine Pht1 genes are located on chromosomes 1,2,3,and 5,respectively.The diagram depicts introns(thin lines)and exo

9、ns(black boxes).Phylogenetic analysis of Arabidopsis phosphate transporter protein sequences.Citrate,acetatePhosphateFe-phosphateATPADP+PiH+-ATPaseH+H+H+Phosphate-H+cotransportCitrate,acetatePhosphateFe-acetateH+H+Fe-citrateFe3+reductaseFe2+Fe2+channelCitrateFe2+CytosolSoilThe first high-affinity K+

10、transporter,HKT1,was cloned by complementation of yeast trk1trk2 K+transport mutant with a cDNA library a mass of 59 kDa and contain 12 membrane-spanning domainsExpression of HKT1 in Xenopus oocytes gave rise to large inward currents in the present of K+.K克隆到的编码克隆到的编码K+转运蛋白的植物基因转运蛋白的植物基因基因基因 物种物种 定位

11、定位KAT1 拟南芥拟南芥 保卫细胞和维管组织保卫细胞和维管组织KST1 马铃薯马铃薯 保卫细胞和花芽保卫细胞和花芽AKT1 拟南芥拟南芥 表皮和皮层根组织表皮和皮层根组织AKT2/13 拟南芥拟南芥 叶叶SKT1 马铃薯马铃薯 根、叶的表皮组织根、叶的表皮组织SKT2 马铃薯马铃薯？SKT3 马铃薯马铃薯？KCO1 拟南芥拟南芥 花，全株小苗，叶花，全株小苗，叶SKOR 拟南芥拟南芥 根星型细胞根星型细胞HKT1 小麦小麦 根内皮层、根维管结构根内皮层、根维管结构AtKUP1 拟南芥拟南芥 根、叶、花根、叶、花AtKUP2 拟南芥拟南芥 根、叶、花根、叶、花HvHAK1 大麦大麦 根根 H+

12、/Ca 2+反向转运子反向转运子主要功能是主要功能是维持细胞原维持细胞原生质膜保持生质膜保持较低的较低的Ca 2+浓度。浓度。Ca Ca通道通道(主要通过与主要通过与3-磷酸肌醇（磷酸肌醇（IP3）或）或ADP-核核糖作用糖作用)维持细胞原生质膜的维持细胞原生质膜的Ca 2+浓度。浓度。植物中广泛的代谢和发育信号都可以引发植物中广泛的代谢和发育信号都可以引发胞质中游离胞质中游离Ca 2+的提高。的提高。游离游离Ca 2+提高的直接作用目标包括离子通道，提高的直接作用目标包括离子通道，转运子，还包括钙调蛋白、含有钙调蛋白域的转运子，还包括钙调蛋白、含有钙调蛋白域的蛋白激酶等。蛋白激酶等。Over

13、view of sulfur uptake,reduction,and transport in plantsAPS:5-腺苷酰硫酸PAPS:3磷酸腺苷5-磷酰硫酸SModel of a Plant S transporter with 12 regions spanning the plasma membraneEpidermisEndodermisCortexBar=50 m.(Casparian strip)BOR1 promoter-GFPBAt1g15460 At1g74810 At2g47160 At3g06450At3g62270 At4g32510 At5g25430 双子叶植

14、双子叶植物和非禾物和非禾本科单子本科单子叶植物铁叶植物铁吸收模式吸收模式图图Fe 从拟南芥中分离到根三价铁还原酶基因从拟南芥中分离到根三价铁还原酶基因FRO2。它负它负责电子跨膜转运的黄色细胞色素超家族中的一员。责电子跨膜转运的黄色细胞色素超家族中的一员。拟南芥中分离到铁转运蛋白拟南芥中分离到铁转运蛋白IRT1。IRT1WTIRT1-WTZIP微量元素转运基因小结微量元素转运基因小结基因基因 物种物种 克隆方法克隆方法 定位定位 IRT1RIT1ZIP1ZIP2ZIP3ZIP4ZNT1拟南芥拟南芥豌豆豌豆拟南芥拟南芥拟南芥拟南芥拟南芥拟南芥拟南芥拟南芥天蓝菥蓂天蓝菥蓂Fe2+吸收吸收Fe2+/

15、Zn2+/Cd2+吸收吸收Zn2+吸收吸收Zn2+吸收吸收Zn2+吸收吸收？Zn2+/Cd2+吸收吸收根根根根根根？根和苗根和苗根和苗根和苗根和苗根和苗 抗盐性一般是多基因控制的，具有数量遗传性状的复杂性，抗盐性一般是多基因控制的，具有数量遗传性状的复杂性，呈呈“多因一效多因一效”的模式。的模式。Numberofgenesinduced(A)orrepressed(B)inlowPi.Comparisonofshort-term(diamonds，3，6，12h),medium-term(squares,1,2d),andlong-term(circles,5M)experiments.Jul

16、ieetal,PNAS,2005,102:11934-11939Invariousmetabolicpathways:iontransport,signaltransduction,transcriptionalregulation,andotherprocessesrelatedtogrowthanddevelopment.TransgenicWT导入柠檬酸合成酶提高导入柠檬酸合成酶提高Papaya耐铝毒能力耐铝毒能力 (Fuente JM et al 1997)转转基因植株和基因植株和对对照的田照的田间间表表现现。A 至至D,盆盆载载,E:水培，水培，F、G和和 H分分别为别为低氮低磷和低

17、氮低磷和正常正常营营养条件下田养条件下田间间的的结结果果A：0 毫克磷每公斤土毫克磷每公斤土,B和和D：30 毫克磷每公斤毫克磷每公斤土土,C：200 毫克磷每公斤土毫克磷每公斤土,(From Lian 2005)UBI启动子Extensin 信号肽 植酸酶基因 终止子植酸酶基因表达盒植酸酶基因表达盒（FromChen2005）(A)WT plants in the presence of 5 mM NaCl.(B)Transgenic plants in the presence of 5 mM NaCl.(C)(D)WT plants grown in the presence of 20

18、0 mM NaCl.(E)Transgenic plants in the presence of 200 mM NaCl.2001,19:765-768nature biotechnologyFocus on genes that control uptake and accumulation of solutes,including Ca,K,Mg,P(plant macronutrients),Co,Cu,Fe,Li,B,Mn,Mo,Ni,Se,Zn(micronutrients of significance to plant and human health As,Cd,Na and Pb(elements causing agricultural or environmental problems)Plant IonomicsDavid E.Salt.Plant Physiology,2004 Thanks