植物生理学研究动态.pptx

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1、一、植物科学一、植物科学6 6个分支学科个分支学科 发育植物学发育植物学发育植物学发育植物学 系统与演化植物学系统与演化植物学系统与演化植物学系统与演化植物学 结构植物学结构植物学结构植物学结构植物学 代谢植物学代谢植物学代谢植物学代谢植物学 环境植物学环境植物学环境植物学环境植物学 资源植物学资源植物学资源植物学资源植物学第1页/共34页分枝学科分枝学科论文累计数论文累计数 百分比（）百分比（）代谢植物学代谢植物学924089240837.137.1结构植物学结构植物学18825188257.57.5发育植物学发育植物学15756157566.36.3系统与演化植物学系统与演化植物学 493

2、07 49307 19.819.8环境植物学环境植物学425844258417.117.1资源植物学资源植物学425844258412.212.2总数总数249114249114100100 二十世纪末后15年现代植物学研究成果 （论文）统计第2页/共34页二、植物科学近期发展的前沿课题 结构、发育及其生殖过程的研究结构、发育及其生殖过程的研究 6.6.植物细胞全能性的机制植物细胞全能性的机制 7.7.种子植物受精作用的研究种子植物受精作用的研究第3页/共34页 8.8.植物系统泛化的研究植物系统泛化的研究 9.9.植物多样性保护植物多样性保护 10.10.陆地生态系统和水生生态系统陆地生态系

3、统和水生生态系统 中植物群落结构、功能和动态中植物群落结构、功能和动态 11.11.药用植物传统经验的调查、整药用植物传统经验的调查、整 理和综合研究理和综合研究 12.12.重要植物资源的有用物质基础重要植物资源的有用物质基础 13.“13.“植物志植物志”的编写的编写 第4页/共34页三、与植物生理学密切相关的分枝学科 1 代谢植物学：广义:指研究植物生命活动基本过程的指研究植物生命活动基本过程的领域，可以把光合、呼吸、植物生物化学领域，可以把光合、呼吸、植物生物化学及分子生物学、代谢、酶、营养、水分、及分子生物学、代谢、酶、营养、水分、运输、衰老、细胞及组织培养、光形态建运输、衰老、细胞

4、及组织培养、光形态建成及光周期、生长调节物质、向性及感应成及光周期、生长调节物质、向性及感应性、逆境生理及辐射效应等等都包括在代性、逆境生理及辐射效应等等都包括在代谢植物学这一大类中。谢植物学这一大类中。第5页/共34页2 发育生物学：研究从合子形成、经种子、幼研究从合子形成、经种子、幼苗、营养体生长直至开花、结果的整苗、营养体生长直至开花、结果的整个生活周期中植物体在遗传因子控制个生活周期中植物体在遗传因子控制和外界环境影响下如何通过物质代谢，和外界环境影响下如何通过物质代谢，能量转化和信息传递而在一定的时间、能量转化和信息传递而在一定的时间、空间有序地进行生长发育的规律和机空间有序地进行生

5、长发育的规律和机理。理。第6页/共34页3 资源植物学：主要研究次生代谢物。次生主要研究次生代谢物。次生代谢物的合成，环境和其他生理代谢物的合成，环境和其他生理条件对次生代谢物合成和积累的条件对次生代谢物合成和积累的影响等。影响等。第7页/共34页4 环境植物学：主要研究环境对植物生理过程的影响（逆境生理）、植物的共生生物（微生物等）、植物之间的相互作用。第8页/共34页 四四 植物生理学范畴的研究成果统计及植物生理学范畴的研究成果统计及动态动态1 1 研究成果统计研究成果统计:植物生物化学及分子生物学、植物生物化学及分子生物学、光合作用、代谢、生长调节物质及光合作用、代谢、生长调节物质及逆境

6、生理是比较活跃的研究领域。逆境生理是比较活跃的研究领域。植物生物化学（分子生物学）植物生物化学（分子生物学）的内容占整个代谢植物学论文总数的内容占整个代谢植物学论文总数的的20.320.3，占第一位。，占第一位。酶单独为一项，论文数量占酶单独为一项，论文数量占第二位，为论文总数的第二位，为论文总数的15.615.6，以，以上两项达论文总数的上两项达论文总数的1/31/3。第9页/共34页 植物细胞中的大分子，特别是植物细胞中的大分子，特别是蛋白质、核酸的基本特征以及它们合蛋白质、核酸的基本特征以及它们合成和分解的催化剂酶，是认识生命成和分解的催化剂酶，是认识生命的基础，加上近年来对基因结构、调

7、的基础，加上近年来对基因结构、调节和功能、转录及植物病毒分子生物节和功能、转录及植物病毒分子生物学等大量研究工作的开展，估计在今学等大量研究工作的开展，估计在今后相当一个时期仍会保持这种发展优后相当一个时期仍会保持这种发展优势。势。第三位是光合作用，为第三位是光合作用，为14.414.4。植物代谢包括植物代谢包括N N代谢和一般代代谢和一般代谢占谢占10.710.7。第10页/共34页 生长调节物质为生长调节物质为8.58.5。包括五。包括五大激素，甾类、多胺及其他人工合大激素，甾类、多胺及其他人工合成化合物，这里既有理论问题，又成化合物，这里既有理论问题，又有广泛的应用价值，加上目前在分有广

8、泛的应用价值，加上目前在分子水平的研究和涉及多种生理活动子水平的研究和涉及多种生理活动的调节，今后仍会持续。的调节，今后仍会持续。逆境生理：逆境生理：5.55.5。植物细胞和组织培养：植物细胞和组织培养：8.48.4。这是一个涉及多学科广泛应用。这是一个涉及多学科广泛应用的，偏于技术性的课题。的，偏于技术性的课题。第11页/共34页 2 2 植物生理学范畴的热点研究领域：植物生理学范畴的热点研究领域：植物光合作用：植物光合作用：目前已在光合作用机制方面取得一系列重要突破，其中较突出的有：目前已在光合作用机制方面取得一系列重要突破，其中较突出的有：获得细菌光合作用反应中心的结晶及用获得细菌光合作

9、用反应中心的结晶及用X X射线衍射方法对其三维空间结构的测射线衍射方法对其三维空间结构的测定，加深了人们在分子水平对光合反应中心的理解，认识了蛋白质分子有关区定，加深了人们在分子水平对光合反应中心的理解，认识了蛋白质分子有关区域在光吸收和电子传递过程中的特殊重要性，开拓了获得完整膜蛋白结晶来研域在光吸收和电子传递过程中的特殊重要性，开拓了获得完整膜蛋白结晶来研究光合反应中心的新途径，该项研究已经获究光合反应中心的新途径，该项研究已经获19881988年诺贝尔化学奖（它们是静态年诺贝尔化学奖（它们是静态的）。的）。第12页/共34页 现在正在用高分辨率核磁共现在正在用高分辨率核磁共振（振（NMR

10、NMR）技术以研究光合膜上技术以研究光合膜上蛋白的动态信息，研究高度移动蛋白的动态信息，研究高度移动的，带电氨基酸侧链伸入水介质的，带电氨基酸侧链伸入水介质中对光合作用的意义、对其他光中对光合作用的意义、对其他光合膜蛋白克隆的分离及其一级结合膜蛋白克隆的分离及其一级结构的测定，预测这些膜蛋白的二构的测定，预测这些膜蛋白的二相折叠模式，以进一步搞清光合相折叠模式，以进一步搞清光合蛋白复合体的作用机制。蛋白复合体的作用机制。第13页/共34页 对核酮糖二磷酸羧化酶对核酮糖二磷酸羧化酶（RuBPCRuBPC）结晶的研究和分子遗传结晶的研究和分子遗传学的研究也对此酶的催化中心和作学的研究也对此酶的催化

11、中心和作用机制的认识、可能的应用展示了用机制的认识、可能的应用展示了新的前景。新的前景。C4C4植物植物PEPCPEPC基因导入小麦、水稻基因导入小麦、水稻等主要作物的工作也是农学植生研等主要作物的工作也是农学植生研究领域关注的。有报道究领域关注的。有报道PEPCPEPC成功导成功导入小麦使产量增加入小麦使产量增加1010。第14页/共34页 生物固氮：对固氮酶的研究有重大突破，已对固氮酶的研究有重大突破，已了解固氮酶的空间结构及其各种复合了解固氮酶的空间结构及其各种复合蛋白的功能和活性中心，它的合成调蛋白的功能和活性中心，它的合成调节及其调节蛋白的分子机制，并认识节及其调节蛋白的分子机制，并

12、认识了多达三套固氮酶系统以及它们的反了多达三套固氮酶系统以及它们的反应特征，开展了分子遗传学的工作，应特征，开展了分子遗传学的工作，已知固氮基因多达已知固氮基因多达19192121个，并完成个，并完成全部测序，对该基因的调节机制也做全部测序，对该基因的调节机制也做了不少工作。了不少工作。第15页/共34页 共生固氮生物和寄主的关系上主要共生固氮生物和寄主的关系上主要研究豆科植物根瘤菌及其寄主结瘤固研究豆科植物根瘤菌及其寄主结瘤固氮的关系及对固氮菌与寄主识别、入氮的关系及对固氮菌与寄主识别、入侵机制。侵机制。今后要将固氮基因引入非豆科植物今后要将固氮基因引入非豆科植物的重要农作物以期自我供氮，还

13、要研的重要农作物以期自我供氮，还要研究生物固氮的化学模拟，最终实现在究生物固氮的化学模拟，最终实现在常温常压下将常温常压下将N2N2转变转变NH3NH3，这两个目这两个目标都是非常艰巨的任务。标都是非常艰巨的任务。第16页/共34页 植物的内源生长物质：当前用分子生物学方法揭当前用分子生物学方法揭示植物生长物质的作用机制是植示植物生长物质的作用机制是植物生长物质研究的前沿。大量工物生长物质研究的前沿。大量工作表明植物生长物质的基本工作作表明植物生长物质的基本工作方式是诱导方式是诱导RNARNA和蛋白质的合成和蛋白质的合成及调节专一基因的表达。及调节专一基因的表达。过去曾错误认为植物激素本过去曾

14、错误认为植物激素本身可直接作用于身可直接作用于DNADNA，导致特定导致特定基因活化，从而引起生理反应。基因活化，从而引起生理反应。第17页/共34页 从现代生物学研究成果看，植物五大类从现代生物学研究成果看，植物五大类激素分子量都不大，激素分子和激素分子量都不大，激素分子和DNADNA上的上的碱基和碱基某些基团的反应并非专一性的，碱基和碱基某些基团的反应并非专一性的，不可能直接导致特定基因的表达，激素必不可能直接导致特定基因的表达，激素必须与某些受体相结合，使受体蛋白激活，须与某些受体相结合，使受体蛋白激活，激活可能是构象或其他形式的改变，激活激活可能是构象或其他形式的改变，激活的受体会引起

15、某些特定反应，如某些离子的受体会引起某些特定反应，如某些离子吸收或释放。特定蛋白的磷酸化和去磷酸吸收或释放。特定蛋白的磷酸化和去磷酸化，从而引起一系列的连锁反应，最终导化，从而引起一系列的连锁反应，最终导致特定的基因表达，这个激素的信号传导致特定的基因表达，这个激素的信号传导过程许多证据人们在关注和探讨。过程许多证据人们在关注和探讨。第18页/共34页 人工合成的生长物质，包括各人工合成的生长物质，包括各种除草剂，在生产应用的基础性种除草剂，在生产应用的基础性工作，仍将引起人们的关注。工作，仍将引起人们的关注。第19页/共34页 逆境生理：包括水涝、干旱、盐碱、低温、污包括水涝、干旱、盐碱、低

16、温、污染、辐射及病虫害等不良环境对植物的伤染、辐射及病虫害等不良环境对植物的伤害及植物对不良环境的反应和抗御，对农害及植物对不良环境的反应和抗御，对农业生产和环境保护都有实际意义。业生产和环境保护都有实际意义。第20页/共34页近年来发现逆境可诱导特异蛋白的近年来发现逆境可诱导特异蛋白的合成，即诱导这种特异蛋白基因表合成，即诱导这种特异蛋白基因表达，温度逆境会诱导植物形成抗冻达，温度逆境会诱导植物形成抗冻蛋白、类脂转移蛋白激酶调节蛋白、蛋白、类脂转移蛋白激酶调节蛋白、热激蛋白、同工蛋白等，盐胁迫会热激蛋白、同工蛋白等，盐胁迫会激活渗调蛋白基因的表达；逆境造激活渗调蛋白基因的表达；逆境造成活性氧

17、伤害；环境信息的接受和成活性氧伤害；环境信息的接受和传递、逆境的信号传导，基因表达传递、逆境的信号传导，基因表达的转导控制及转录后的调节等都是的转导控制及转录后的调节等都是有待深入研究的问题。有待深入研究的问题。第21页/共34页 植物代谢和营养：目前这个领域的核心问题是生物对目前这个领域的核心问题是生物对离子和分子的吸收，转运和调节的机制。离子和分子的吸收，转运和调节的机制。其中其中HH（H H pH pH）为为 离子出入细胞的驱动力，膜上的离子出入细胞的驱动力，膜上的H H+ATPaseATPase及与及与H H+偶联的溶质转运系统（共偶联的溶质转运系统（共向传递体，反向传递体）为媒介膜运

18、转向传递体，反向传递体）为媒介膜运转（mediated membrane transportmediated membrane transport）。）。近近年来应用分子遗传技术直接证明质膜上存年来应用分子遗传技术直接证明质膜上存在次级共运转系统，在次级共运转系统，SchachtmanSchachtman等在缺等在缺钾培养的小麦根的钾培养的小麦根的cDNAcDNA文库中分离得到文库中分离得到高亲和高亲和K K+吸收运转体的吸收运转体的cNDA cNDA HKT1HKT1。第22页/共34页在纯化的质膜表面或膜内有氧化还原酶、在纯化的质膜表面或膜内有氧化还原酶、黄素、黄素、CytbCytb、醌等

19、，有人提出为膜上的的醌等，有人提出为膜上的的氧化还原系统，但该系统能否直接起到质氧化还原系统，但该系统能否直接起到质子泵的作用，还是促进子泵的作用，还是促进H H+ATPaseATPase的活的活性间接增加性间接增加H H+的泵出，在膜内外的泵出，在膜内外HH该该系统分泌的系统分泌的H H+占多少份额，都是人们关注占多少份额，都是人们关注的问题。的问题。第23页/共34页植物的氧代谢 自自19691969年年McCordMcCord和和FridovichFridovich发现发现超氧物歧化酶之后，促进了氧代谢的深入超氧物歧化酶之后，促进了氧代谢的深入系统研究。目前，氧代谢研究不仅与本学系统研究

20、。目前，氧代谢研究不仅与本学科中的许多重大领域，如光合作用、呼吸科中的许多重大领域，如光合作用、呼吸作用、植物衰老、激素形成和抗逆生理等作用、植物衰老、激素形成和抗逆生理等相互渗透，相互发展；而且，辐射到植物相互渗透，相互发展；而且，辐射到植物分类与演化、遗传语种、生态环境等学科分类与演化、遗传语种、生态环境等学科研究，为认识植物生命本质和人类从事植研究，为认识植物生命本质和人类从事植物生产发挥更大作用。物生产发挥更大作用。第24页/共34页 目前在植物体内活性氧的产生目前在植物体内活性氧的产生与转化，活性氧对植物的伤害作用，与转化，活性氧对植物的伤害作用，植物体内活性氧的清除系统，包括酶植物

21、体内活性氧的清除系统，包括酶系统和非酶系统及这部分的协调作用，系统和非酶系统及这部分的协调作用，活性氧在植物生命活动中的必要性等活性氧在植物生命活动中的必要性等等很多方面都是目前人们关注的问题等很多方面都是目前人们关注的问题第25页/共34页。还涉及到还涉及到SODSOD水平与类型在植物亲缘关系和演化的关系，氧自由基清除剂对水平与类型在植物亲缘关系和演化的关系，氧自由基清除剂对植物生长发育的影响及在花、果、叶保鲜防衰作用，水稻细胞质雄性不育和植物生长发育的影响及在花、果、叶保鲜防衰作用，水稻细胞质雄性不育和光敏核不育的氧自由基伤害机理，氧抑光合的生理指标在水稻育种中的应用，光敏核不育的氧自由基

22、伤害机理，氧抑光合的生理指标在水稻育种中的应用，活性氧诱发剂对植物细胞分裂的促进作用或抑制作用，植物组织培养和细胞活性氧诱发剂对植物细胞分裂的促进作用或抑制作用，植物组织培养和细胞融合过程中的氧化与抗氧化系统研究等等理论和实践中的问题。融合过程中的氧化与抗氧化系统研究等等理论和实践中的问题。第26页/共34页 植物的次生代谢及其调控 次生代谢是植物长期进化中对生态环次生代谢是植物长期进化中对生态环境的适宜的结果，许多植物在受到病原微境的适宜的结果，许多植物在受到病原微生物侵染后，产生并积累次生物质，用以生物侵染后，产生并积累次生物质，用以增强自身的抵抗力，这样的小分子抗生物增强自身的抵抗力，这

23、样的小分子抗生物质称为植保素（如许多萜类、生物碱和异质称为植保素（如许多萜类、生物碱和异黄酮成分）。一些次生物质，如水杨酸、黄酮成分）。一些次生物质，如水杨酸、茉莉酸作物信号分子参与植物的生理活动，茉莉酸作物信号分子参与植物的生理活动，还有些次生物质于植物得到相生相克作用还有些次生物质于植物得到相生相克作用直接相关。直接相关。第27页/共34页 次生代谢在植物和许多微次生代谢在植物和许多微生物的整个代谢活动中占有重要生物的整个代谢活动中占有重要地位。中草药的许多有效成分都地位。中草药的许多有效成分都是植物的次生代谢物。近年来植是植物的次生代谢物。近年来植物次生代谢分子生物学研究发展物次生代谢分

24、子生物学研究发展迅速，利用基因工程改变植物次迅速，利用基因工程改变植物次生代谢的研究也取得令人鼓舞的生代谢的研究也取得令人鼓舞的进展。进展。第28页/共34页五、植物科学目前的发展特点 过去过去2020年是植物分子生物学从年是植物分子生物学从无到有的年代，其对植物科学的影响无到有的年代，其对植物科学的影响十分深刻而全面，即使最经典的植物十分深刻而全面，即使最经典的植物分类学与系统进化理论也应用分子生分类学与系统进化理论也应用分子生物学技术。物学技术。第29页/共34页2.与应用有关的学科发展迅速 植物科学是基础学科，但植物科学是基础学科，但与农、林、医药、环保等有密与农、林、医药、环保等有密切

25、联系。切联系。第30页/共34页六、植物科学将来发展的目标1.宏观研究：生物多样性及其保护 主要由植物分类学、植物生态主要由植物分类学、植物生态学、植物遗传学、引种驯化和植物学、植物遗传学、引种驯化和植物生物工程等分支学科支持。生物工程等分支学科支持。第31页/共34页2.微观研究：植物生长发育过程中基因表达在“时”“空”上的调节和控制的研究 要在分子水平系统阐明高等植物要在分子水平系统阐明高等植物生长发育的基本规律，基因在时间和生长发育的基本规律，基因在时间和空间上调节和控制机制，并在理论上空间上调节和控制机制，并在理论上提出调控植物生长发育的有效措施，提出调控植物生长发育的有效措施，以期为现代化农业栽培措施提高理论以期为现代化农业栽培措施提高理论基础，从植物分子生物学、植物细胞基础，从植物分子生物学、植物细胞生物学、形态发生学、分子遗传学、生物学、形态发生学、分子遗传学、植物生理学作支持，开放不同层次的植物生理学作支持，开放不同层次的研究。研究。第32页/共34页3.植物资源的开发、利用和保护：利用植物作为一个宝贵的基利用植物作为一个宝贵的基因库的功能，造福人类。因库的功能，造福人类。第33页/共34页感谢您的观看！第34页/共34页