植物生理学研究动态.ppt

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1、植物生理学研究动态,一、植物科学6个分支学科 发育植物学 系统与演化植物学 结构植物学 代谢植物学 环境植物学 资源植物学,二十世纪末后15年现代植物学研究成果（论文）统计,二、植物科学近期发展的前沿课题 1.光合作用 2.植物逆境生理 3.植物发育生物学 4.植物与微生物的相互关系 5.中国特有植物和重要经济植物形态 结构、发育及其生殖过程的研究 6.植物细胞全能性的机制 7.种子植物受精作用的研究,8.植物系统泛化的研究 9.植物多样性保护 10.陆地生态系统和水生生态系统 中植物群落结构、功能和动态 11.药用植物传统经验的调查、整 理和综合研究 12.重要植物资源的有用物质基础 13.

2、“植物志”的编写,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、运输、衰老、细胞及组织培养、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。,2 发育生物学：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，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理。,3 资源植物学：主要研究次生代谢物。次生代谢物的合成，环境和其他生理条件对次生代谢

3、物合成和积累的影响等。,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。,四 植物生理学范畴的研究成果统计及动态1 研究成果统计: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）的内容占整个代谢植物学论文总数的20.3，占第一位。酶单独为一项，论文数量占第二位，为论文总数的15.6，以上两项达论文总数的1/3。,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、调节和功能、转录及植物病毒分子生物学等大量

4、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势。第三位是光合作用，为14.4。植物代谢包括N代谢和一般代谢占10.7。,生长调节物质为8.5。包括五大激素，甾类、多胺及其他人工合成化合物，这里既有理论问题，又有广泛的应用价值，加上目前在分子水平的研究和涉及多种生理活动的调节，今后仍会持续。逆境生理：5.5。植物细胞和组织培养：8.4。这是一个涉及多学科广泛应用的，偏于技术性的课题。,2 植物生理学范畴的热点研究领域：,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：获得细菌光合作用反应中心的结晶及用X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

5、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究光合反应中心的新途径，该项研究已经获1988年诺贝尔化学奖（它们是静态的）。,现在正在用高分辨率核磁共振（NMR）技术以研究光合膜上蛋白的动态信息，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，以进一步搞清光合蛋白复合体的作用机制。,对核酮糖二磷酸羧化酶（RuBPC）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用机制的认识、可能的应用展示了新的前景。C4植物PEPC基因导入小麦、水稻等主

6、要作物的工作也是农学植生研究领域关注的。有报道PEPC成功导入小麦使产量增加10。,生物固氮：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，已知固氮基因多达1921个，并完成全部测序，对该基因的调节机制也做了不少工作。,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氮的关系及对固氮菌与寄主识别、入侵机制。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，还要研究生物固氮的化学模拟，最终实现在常温常压下将N2转变NH3，这两个目标都是

7、非常艰巨的任务。,植物的内源生长物质：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方式是诱导RNA和蛋白质的合成及调节专一基因的表达。过去曾错误认为植物激素本身可直接作用于DNA，导致特定基因活化，从而引起生理反应。,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DNA上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化，从而引起一系列的连锁反应，

8、最终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。,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工作，仍将引起人们的关注。,逆境生理：包括水涝、干旱、盐碱、低温、污染、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，对农业生产和环境保护都有实际意义。,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、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，基因表达的转导控制及转录后的调节等都是有待深入研究的问题。,植物代

9、谢和营养：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。其中H（H pH）为 离子出入细胞的驱动力，膜上的H+ATPase及与H+偶联的溶质转运系统（共向传递体，反向传递体）为媒介膜运转（mediated membrane transport）。近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，Schachtman等在缺钾培养的小麦根的cDNA文库中分离得到高亲和K+吸收运转体的cNDA HKT1。,在纯化的质膜表面或膜内有氧化还原酶、黄素、Cytb、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子泵的作用，还是促进H+ATPase的活性间接增加H+的泵

10、出，在膜内外H该系统分泌的H+占多少份额，都是人们关注的问题。,植物的氧代谢 自1969年McCord和Fridovich发现超氧物歧化酶之后，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。,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，植物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，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,。,还涉及

11、到SOD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，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。,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，用以增强自身的抵抗力，这样的小分子抗生物质称为植保素（如许多萜类、生物碱和异黄酮成分）。一些次生物质，如水杨酸、茉莉酸作物信号分子参与植物的生理活动，还有些

12、次生物质于植物得到相生相克作用直接相关。,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。近年来植物次生代谢分子生物学研究发展迅速，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进展。,五、植物科学目前的发展特点1.分子生物学带动了植物科学的发展 过去20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物学技术。,2.与应用有关的学科发展迅速 植物科学是基础学科，但与农、林、医药、环保等有密切联系。,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、植物生态学、植物遗传学、引种驯化和植物生物工程等分支学科支持。,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、植物生理学作支持，开放不同层次的研究。,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因库的功能，造福人类。,