植物学前沿讲座课件.ppt

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1、植物学前沿讲座,主讲人：周忠泽 教授,植物学的相关学术领域,1.系统与进化植物学2.植物生态与环境生物学3.植物发育与分子生物学4.植物资源的可持续利用,一、系统与进化植物学,植物分类学系统与进化植物学植物区系与地理学古植物学前沿研究简介,植物分类学,现在生存在地球上的生物估计有50万种以上（种子植物250000种左右）。要对数目如此众多，彼此又千差万别的植物进行研究，第一步必须先根据它们的自然性质，由粗到细、由表及里地进行分门别类，否则便无从下手。植物分类学内容由三方面组成，它的研究对象为全世界生活的植物。分类（Classification）鉴定（Identification&determi

2、nation）命名（nomenclature）植物分类学是发展较早的一门学科，它的任务不仅要识别物种、鉴定名称，而且还要阐明物种之间的亲缘关系和分类系统，进而研究物种的起源、分布中心、演化过程和演化趋势。因此，它是一门既有实用价值又富有理论意义的学科。,植物的分类,菌类植物,苔藓植物,蕨类植物,藻类植物,种子植物,地衣植物,种子植物的类型,乔木（松）,一年生草本（水稻）,二年生草本（白菜）,多年生草本（鸢尾）,半灌木（黄芪）,灌木（黄杨）,系统与进化植物学,结合植物的生殖方式和交配系统分析，探讨物种形成的式样和机制；揭示种间差异的遗传学、生殖生物学和生态学基础；通过生物种间互作的研究，揭示协同

3、进化的机理；研究植物的分子进化与形态进化的关系，基于多学科证据，探讨生物类群地理分布格局和物种适应性进化的分子机理；进化发育和进化基因组学通过研究植物个体发育中关键器官和结构的发生和发育过程，揭示关键性状的同源性和进化机制，阐明植物类群形态进化的发育和遗传机理；,根据基因组学的原理和方法，结合生物信息学手段，探讨植物基因组的结构、功能及其进化规律和机制；研究植物信息大分子的结构、进化规律和机制，尤其是重要基因家族的起源和分化及其功能意义；研究表型变异与分子变异、基因组变异与环境变异之间的相关性和规律性，从染色体和基因组水平上阐明生物进化的规律和机制。,植物地理学,又称地植物学，派生学科：生态地

4、球植物学ecological geobotany、实验地植物学experimental geobotany、森林地植物学forest geobotany和指示地植物学indicative geobotany等等。植物地理学是研究植被的空间分布规律的学科，它研究植被的组分、性质的分布类型，及其形成的原因、动态以及实践中的应用等。,植物区系与地理学,银钟花属为我国与北美间断分布的属、本种为我国特有，对研究美洲和亚洲大陆变迁、植物区系、植物地理均有一定意义。木材灰白色、纹理细、材质轻软，有工艺价值。花白色、具清香、树叶在入秋后变为红色，可作要观赏树。,古植物学,研究古代（地质时期）植物的科学，包括古

5、代植物的形态解剖、系统分类、生态、时间和空间的分布以及各门类植物的起源、发展和进化的历史、古代植物区系、各地质时代的植被和它们的演替等。在研究中经常联系到植物形态解剖学、植物分类学、植物地理学、地植物学、植物生态学等方面。在应用上它经常涉及地质学(特别是地层学)、古地理学和古气候学上的问题,有助于寻找矿产和研究含有煤炭、石油等矿产地层的分布、划分和对比。,古植物学,朝阳古植物化石,水杉,系统与进化植物学前沿研究,1、DELTA系统在杜鹃属分类研究中的应用:应用DELTA系统（Description Language for taxonomy）系统对贵州省杜鹃属86（变种、亚种）进行了分类学研究

6、。DELTA系统是针对分类学开发的综合性多功能软件包，可以规范分类学描述，对研究中所有性状进行识别和处理，自动生成检索表，建成基于本地和网络的交互式专家辅助鉴定系统。,2、高山植物条纹狭蕊龙胆（龙胆科）的分子亲缘地理学研究 条纹狭蕊龙胆主要分布于青藏高原东北部及邻近高山地区，为一年生草本植物。由于草本植物生活周期较短以及对环境变化的敏感性，对该植物开展亲缘地理学研究可能会更好的揭示青藏高原地区第四纪冰期以来植物居群变化的历史过程。本研究通过检测覆盖条纹狭蕊龙胆整个地理分布范围的13个居群155个个体cpDNA非编码片段trnH(GUG)-psbA基因间区的序列变异，来进行分子亲缘地理学研究，从

7、而揭示该植物单倍型的地理分布式样、居群遗传结构以及冰期时的避难所及冰期后的迁移路线。,3、轰动世界的活化石芒苞草（芒苞草科）芒苞草科Acanthochlamydaceae Kao.P.C 高宝纯 芒苞草科是第一个由中国人首次发现和建立的一个新科，也是唯一一个由中国人建立的新科，芒包草科的发现将我国植物分类学由属、种的水平提高到科一级的最高研究水平。填补这一空白，结束了一百多年以来，没有中国植物学家建立新科的历史。芒包草科的建立，是科学上的重大发现。,芒苞草是在中生代以前，古南大陆（网瓦纳古陆）解体，非洲和南美洲分离时遗留下来的一个孑遗植物，是一个十分古老而孤立的类群，它与产于南半球（非洲、南美

8、洲、马达加斯加）以及阿拉伯半岛的翡若翠科，互为姐妹群，这种跨三洲和南、北半球的洲际间断分布，特别引人瞩目，这项成果对于研究物种起源和植物区系发生提供了直接的证据和重要的联系类群，同时也为大陆漂移、板块学说提供了佐证。,芒苞草科是在我国横断山区这一特殊地区发现的特殊类群，该科的许多独特形状更给横断山区作为东亚植物区系起源增添了强有力的证据，为探讨东亚植物圈的演化和分布提供了宝贵资料；芒苞草科的发现，进一步证明横断山区是解决植物区系发生和板块构造之间的关系，植物区系起源（包括东亚、北美和欧洲），种子植物进化等一系列重大理论问题的关键地区。,二、植物生态与环境生物学,植物生态学环境生物学前沿研究简介

9、,被酸雨破坏的松林,植物生态学,研究植物之间、植物与环境之间相互关系的科学。它研究的内容主要包括植物个体对不同环境的适应性，及环境对植物个体的影响；植物种群和群落在不同环境中的形成及发展过程；以及在生态系统的能量流动、物质循环中植物的作用。植物生态学包括个体生态学、种群生态学、群落生态学和生态系统学四大部分。研究植物生态学的目的在于阐明外界条件对植物形态结构、生理活动、化学成分、遗传特性和地理分布的影响；植物对环境条件的适应和改造作用。为农业、林业、畜牧业生产服务。植物生态学也是环境保护的理论基础之一。,环境生物学,环境生物学是环境科学的一个分支。它研究生物与受人类干预的环境之间相互作用的规律

10、，及其机理。环境生物学研究的对象是受人类干预的生态系统。这里所说的人类干预包括两个方面：一是指人类活动对生态系统造成的污染；二是指人类活动对生态系统的影响和破坏，主要是人类对自然资源的不合理利用，如对森林的滥砍滥伐，对草原的过度放牧，不合理的围湖造田和大型水利工程建设等。环境生物学研究的主要内容是环境污染引起的生态效应，生物或生态系统对污染的净化功能，利用生物对环境进行监测、评价的原理和方法以及自然保护等。其目的在于为人类合理地利用自然和自然资源，保护和改善人类的生存环境提供理论基础，促进环境和生物朝有利于人类的方向发展。,植物生态与环境生物学,当今世界上，日趋严重的工业污染和急剧爆炸的人口给

11、生态环境造成极大的压力，因而植物生态与环境生物学在当代日益受到重视。植物生态与环境生物学的热点主要有：植被与环境、生物多样性与生态系统、生态保护与环境、分子生态与生理生态学、适应与进化、个体与种群生态学、全球生态学、生物入侵与生物安全。,植被与环境,生态入侵,前沿研究简介,1、藓袋法监测上海市大气重金属和SO2污染 苔藓植物是一种良好环境指示植物。作为生物主动监测方法之一的“藓袋法”，因其具有监测点选择灵活，材料和暴露时间一致等优点，近年来被世界各国广泛用于城市或工业区的大气质量监测和主要污染源的定位。通过比较华东地区常见的苔藓植物的吸附能力，从中筛选合适种类，制成藓袋悬挂于上海各城区和宝山工

12、业区，监测和研究上海市大气污染。,2、绿洲外围防风固沙林物种多样性变化特征以新疆塔里木河下游绿洲外围大型人工防风固沙林为研究对象，以重要值为各种群的数量特征计算造林4年后多样性指数、均匀度指数、丰富度指数和优势度指数的变化，分析不同类型荒漠人工天然植物群落的物种多样性变化特征，以期为塔里木河下游人工植物群落配置提供理论依据。结果表明：（1）经过4年的发育，由于乡土植物种的发生和逐渐侵入，人工群落演变为人工天然群落，物种多样性明显增加；,（2）所研究的群落中共出现26种植物，隶属于12科、25属，其中乔木种3种，灌木或半灌木9种，草本13种，藤本1种；（3）群落中盐生草（Halogeton gl

13、omeratus）+花花柴(Karelinia caspica)群落具有较高的物种多样性、均匀度和较低的生态优势度，而头状沙拐枣（Calligonum caput-medusae）胡杨(Populus euphratica)群落与之相反。研究结果为进一步优化防风固沙林物种组成，提高人工植物群落稳定性提供了理论依据。,3、人工湿地植物生长特性与污水净化效果研究通过构建小型人工湿地（长宽 深，0.56m 0.46m 0.38m），对菖蒲（Acorus calamus linn）、风车草（Cyperus flabelliformis Rottb）、芦苇（Phragmites australis Tr

14、in.ex.Steud）和香根草（Vetiveria zizanioides(Linn)Nash）单种植物湿地的植物生长特性和污水净化效果进行了研究。光合作用测定用LI-6400光合测定系统。根的生长测定采用网笼法。根活力用a-苯胺法测定。植物生物量的测定于生长季末采用收获法。,（1）各植物的平均净光合速率是菖蒲芦苇风车草香根草，每湿地植物生物量依次是风车草菖蒲芦苇香根草（2）各湿地植物对TN、NO3-N、NH4-N、TP、SPR、BOD5和CODcr的去除率分别为36.6%56.6%、54.7%68.5%、58.7%79.3%、54.7%68.5%、40.1%68.4%、69.3%87.4%

15、和 61.4%79.0%。一般风车草湿地去除率最高。,通过回归分析发现，净光合速率与N的去除相关性较高，而根系活力和根生长量则与BOD5的去除相关性较高。对于不同植物而言，风车草和芦苇的根生长量和根活力与BOD5的去除均达到极显著相关（P0.01。,4、植物入侵、天敌防御机制的适应性进化以及生物防治研究天敌与入侵植物的关系对于治理入侵植物具有重要的价值。传统生物防治就是建立在“天敌假说”理论基础上的治理外来入侵植物的重要措施。从原产地引进寄主专一的天敌控制外来入侵生物（主要是入侵昆虫和植物）在很多国家取得了成功，这一方法在过去100多年一直被认为安全、对环境不构成威胁。然而，近年来关于生物防治

16、的有效性和安全性引起了越来越多的关注，准确评估和预测天敌在控制入侵植物及其不同入侵阶段中的作用具有重要作用。,三、植物发育与分子生物学,植物生理学细胞生物学生殖与发育功能基因组学蛋白质组学农业生物技术 前沿研究简介,植物生理学,植物生理学（plant physiology）是研究植物生命活动规律的生物学分支学科。其目的在于认识植物的物质代谢、能量转化和生长发育等的规律与机理、调节与控制以及植物体内外环境条件对其生命活动的影响。植物生理学是植物学的一部分。植物的基本组成物质如蛋白质、糖、脂肪和核酸以及它们的代谢都与其他生物（动物、微生物）大同小异。但是，植物本身又有一些独特的地方，如：能利用太阳

17、能，因而是现代地球上几乎一切有机物的原初生产者。植物扎根在土中营固定式生活，必须能适应当地环境条件并演化出对不良环境的耐性与抗性。植物的生长没有定限，虽然部分组织或细胞死亡，仍可以再生或更新，。植物的体细胞具全能性，在适宜的条件下，一个体细胞经过生长和分化，就可成为一棵完整的植株。,植物生理学,GA处理显著促进植株茎的伸长生长,细胞生物学,细胞生物学(cell biology)是研究细胞结构、功能及生活史的一门科学。细胞生物学由Cytology发展而来，Cytology是关于细胞结构与功能(特别是染色体)的研究。现代细胞生物学从显微水平，超微水平和分子水平等不同层次研究细胞的结构、功能及生命活

18、动。在我国基础学科发展规划中，细胞生物学与分子生物学，神经生物学和生态学并列为生命科学的四大基础学科。细胞生物学是以细胞为研究对象,从细胞的整体水平、亚显微水平、分子水平等三个层次，以动态的观点,研究细胞和细胞器的结构和功能、细胞的生活史和各种生命活动规律的学科。细胞生物学是现代生命科学的前沿分支学科之一，主要是从细胞的不同结构层次来研究细胞的生命活动的基本规律。从生命结构层次看，细胞生物学位于分子生物学与发育生物学之间，同它们相互衔接，互相渗透。运用近代物理学和化学的技术成就和分子生物学的方法、概念，在细胞水平上研究生命活动的科学，其核心问题是遗传与发育的问题。,细胞生物学,1、甘蔗蔗糖磷酸

19、合成酶基因表达及转录调控机制的研究蔗糖磷酸合成酶基因（SPS）是决定植物蔗糖积累的关键酶。它能调节光合产物的最终分配、决定库细胞中的蔗糖的积累、影响纤维细胞壁合成等。取得进展如下：（1）成功分离获得该基因cDNA和DNA片段。,前沿研究简介,（2）构建过表达该SPS基因的植物表达载体，农杆菌介导侵染拟南芥，进入最后的转基因苗筛选阶段。（3）截取5段不同长度的启动子序列片段，分别与报告基因GUS连接，构建完成5个检测启动子活性的嵌合表达载体。,2、虎杖（Polygonum cuspidatum Sieb.et Zucc）植物类型聚酮合酶的分子克隆及功能研究虎杖系蓼科蓼属多年生草本植物，含有丰富的

20、芳香族聚酮类化合物，如大黄素、大黄素-6-甲醚、大黄酚、大黄酸以及白藜芦醇等药用活性成分。利用PCR技术我们从虎杖根茎中分离了苯亚甲基丙酮合酶（BAS）的cDNA及其相关基因。该基因命名为PcBAS1。,3、孑遗植物银杏微卫星标记的开发银杏（Ginkgo biloba L）是中生代孑遗植物，世界著名的“活化石”植物，也是我国一级保护植物。微卫星DNA，即将简单重复序列,是目前最为先进的遗传标记系统之一。,这些微卫星标记将用于不同分布区银杏群体的研究，来探讨银杏的群体遗传结构和亲缘地理关系。同时结合群落生态学资料、地质历史事件、化石资料以及末次冰期植被重建的资料，揭示第四纪冰期银杏在中国的确切避

21、难所，探究它的迁移、扩张、人为干扰及两个避难所内的遗传谱系。,四、植物资源的可持续利用,植物迁地保护保护生物学植物化学植物次生代谢与代谢工程民族植物学药用植物学与植物药前沿研究简介,植物迁地保护,中国科学院西双版纳热带植物园稀有濒危植物迁地保护区,保护生物学,保护生物学:一门处理当今前所未有的生物多样性危机的,所有科学的综合学科，它兼容基础和应用研究两种途径,来阻止生物多样性的丧失,生物群落的破坏,药用植物学,药用植物学它利用植物学中形态、结构以及分类学知识和方法，来研究药用植物的一门科学。药用植物学的任务主要是系统地学习植物学知识，用来研究药用植物的分类鉴定，调查药用植物资源，整理中草药的种

22、类，保证用药准确有效。药用植物学的基本内容分为植物形态解剖学和植物系统分类学两大部分。植物形态解剖学部分主要讲述植物的细胞、植物的组织及种子植物的器官等；植物的系统分类部分主要讲述植物分类的原理和方法、植物进化系统、各类群的特征及其主要药用植物等。,药用植物学与植物药,天山雪莲,海南龙血树,1、人工栽培对党参遗传多样性的保护遗传由于绝大多数药材来自野生药用植物，全球对草药需求的高速增长，已使得药用植物野生资源急剧减少。无论从资源保护，还是从药材生产角度，人工栽培均已是唯一选择。分子生物学特别是分子标记技术的迅猛发展为药用植物居群遗传多样性研究提供了有力的技术支持。运用分子标记技术揭示药用植物居

23、群的遗传多样性规律，对人工栽培的影响、药材道地形（地理分布）、植物驯化栽培的本质从DNA水平上进行阐述，无疑会给我们提供新思维、新视野。,前沿研究简介,报道运用内部简单重复序列（ISSR）和随机扩增多态性DNA(RAPD)技术对来自山西、陕西和甘肃16个野生和栽培党参（Codonopsis pilosula(Franch)Nannf）居群的遗传多样性进行了研究，结果发现同一地区内野生与栽培居群之间亲缘关系密切，栽培居群的遗传多样性稍低于野生居群，但能稳定维持在较高水平。在将野生种质引种到其他地区栽培40余年后，栽培居群的遗传多样性与其本来亲源的野生居群之间的关系，也呈现出上述格局。因此，人工栽

24、培对药用植物党参的遗传多样性具有保护作用。,2、濒危药用植物川贝母和梭砂贝母光合蒸腾与环境因子相关性研究川贝母和梭砂贝母为高原濒危药用植物，其商品价格近年来涨幅较大，当地居民过度采挖，致使资源趋于枯竭。但其引种历史较短，对其生理生态学研究不清晰，目前大规模栽培尚未成功。本文于野外环境下测量了川贝母和梭砂贝母的光合蒸腾指标，并对光合效率和环境因子进行了相关通径分析，研究影响其光合产物的共同的外界环境因子，由此科学指导具体的田间生产和野生抚育，对解决川贝母大规模栽培的限制性难题提供理论支撑。,研究结果表明：（1）川贝母光合效率大于梭砂贝母。（2）梭砂贝母抗旱性优于川贝母，由此表现的特性与二者的野外

25、分布环境一致。（3）相关性分析表明，大气压、空气相对湿度和土壤温度为显著性相关影响因子（4）通径分析结果揭示，光照强度、空气相对湿度、空气温度为影响光合蒸腾作用的主要生态因子。,3、中国外来入侵植物资源及其开发外来入侵植物，是指在一个特定的生态系统中没有自然分布，从原生地通过不同的途径进入入侵地并形成单优势种群的植物物种、亚种或以下的分类单元，包括其所有可能存活、继而繁殖的部分、配子或繁殖体。目前我国已发现外来有害植物107种，其中紫茎泽兰、空心莲子菜、豚草、毒麦、飞机草和凤眼莲等物种已造成严重危害，仅这些外来物种每年入侵的林地面积已达150万hm2，农田面积超过140万hm2，造成的经济损失

26、每年超过500亿元。任何事物都具有两重性，入侵植物也有其可开发利用的一面。对其化学成分进行系统研究，利用其含有的植物次生代谢产物开发出具有药用价值的成分。,飞机草（Eupatorium odoratum Linn）为菊科泽兰属多年生草本植物，又名香泽兰。原产于中美洲，在南美洲、亚洲、非洲热带地区广泛分布，生于山坡、旷野、路旁。中国台湾、广东、香港、澳门、海南、广西、云南、贵州等地大量生长。能产生化感物质，抑制邻近植物的生长，使昆虫拒食，具有杀灭棉铃虫和某些真菌的作用。全草含挥发油、香豆素、谷菑醇及黄酮类化合物。全草入药，多外用，具有止血杀虫的作用。同属紫茎泽兰（Eupatorium adeno

27、phorum）地上部分及花也含有黄酮类化合物，具有多种药理活性，具有开发利用价值。,水葫芦（Echhornia crassipes Sloms）为雨久花科凤眼莲属多年生水生植物，和水浮莲、水花生号称“水系家族三姐妹”。水葫芦是世界上生长、繁殖最快的水草，原产南美，是目前世界上危害最严重的水生杂草。含丰富的蛋白质、氨基酸、多糖、叶绿素，并含有黄酮类成分，可以进一步研究开发为药用成分。,互花米草（Spartina alterniiflora）为禾本科米草属多年生草本植物，是海岸滩涂唯一入侵种。原产于大西洋沿岸，是促淤造陆的先锋种，目前在全球范围内的海滨环境有蔓延。我国北起辽宁南至广东沿海均有滋生，

28、并出现在上海南汇、崇明、九段沙等地滩涂。全草含脂肪酸及挥发性成分。以上是陆生、水生、海岸滩涂三种入侵植物的例子。此外，对于其他重要入侵植物的化学成分及药理研究方面也进行了概述，并探讨了其开发利用前景。对于入侵植物进行开发利用是最好的防治策略。,中国科学院植物研究所,中国科学院植物研究所地处美丽的香山脚下，占地74公顷，是我国植物基础科学的综合研究中心。其前身为1928年创建的静生生物调查所和1929年成立的北平研究院植物研究所，1950年合并为中国科学院植物分类研究所，1953年改为中国科学院植物研究所。,植物研究所以“整合植物生物学”为学科定位，围绕与植物学发展密切相关的国家战略需求生态环境

29、、现代农业、植物资源和系统进化等领域，利用实验生物学（包括“组学”）、生物信息学等最新技术和手段，通过植物系统本身不同组织层次（分子、亚细胞、细胞、组织、器官、个体、群体和生态系统）以及植物科学与相关学科和技术的交叉融合进行整合研究。植物研究所目前的主要研究方向有：系统与进化植物学、植物生态学、分子发育生物学、光合作用研究、信号转导和代谢组学。,主要研究内容,1、植物分类、区系和生物地理学 开展中国及周边国家的区系调查和分析，在植物志编研的基础上，进行分类学修订和专著性研究；采用生物地理学的理论和方法，并综合利用来自形态学、地理学、古生物学和分子生物学等方面的证据，研究植物类群的地理分布格局、

30、形成过程以及生物和非生物成因。,2、植物大类群的起源和系统发育重建通过对化石植物所含气候和环境信息的提取，在宏观时间尺度上揭示全球变化的大趋势，通过对植被演替过程和机制的研究，阐明古植被景观；开展地质时期植物的形态学、解剖学和分类学研究，揭示陆地植物各大门类的起源和早期进化历史；对现存植物类群开展形态、细胞、地理和分子等方面的综合研究，尤其是利用信息大分子（核酸和蛋白质）作为遗传标记，结合古生物等方面的证据，探讨植物大类群，特别是有花植物的起源、进化式样和过程，重建植物类群的系统发育。,系统与进化植物学国家重点实验室,发展目标是以基础理论研究为主，重点研究植物物种多样性的形成和发展，重建植物的系统发育，探讨生物进化的过程和机制，取得具有国际影响的原创性和前瞻性研究成果。主要研究内容包括：植物分类、区系和生物地理学，植物大类群的起源和系统发育重建，居群生物学和保护遗传学，进化发育生物学和进化基因组学等。,中科院昆明植物研究所,谢 谢！,