植物生理学课件.ppt

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1、植物生理学绪绪 论论一一.植物生理学的定义和研究内容植物生理学的定义和研究内容二二.植物生理与农业的关系植物生理与农业的关系三三.植物生理学的发展趋势植物生理学的发展趋势四四. 植物生理学和分子生物学的关系植物生理学和分子生物学的关系一一 植物生理学的定义和内容植物生理学的定义和内容 植物生理学植物生理学(Plant physiology) 揭示、认识和控制揭示、认识和控制 植物生命活动规律的科学。植物生命活动规律的科学。 是在认识植物形态、解剖和分类基础上，是在认识植物形态、解剖和分类基础上， 采用不断发展的生物学、物理学、采用不断发展的生物学、物理学、 化学等理论和方法，化学等理论和方法，

2、 研究植物生命现象的生物物理研究植物生命现象的生物物理 及生物化学变化及其过程，及生物化学变化及其过程， 以及环境条件对植物生命活动影响的本质。以及环境条件对植物生命活动影响的本质。生命活动是一种生命活动是一种 以蛋白质和核酸为主体以蛋白质和核酸为主体 的特殊的物质和能的运动。的特殊的物质和能的运动。概括起来有三方面概括起来有三方面: 生长发育与形态建成：生长发育与形态建成：植物个体的产生、植物个体的产生、发展、生殖、衰老、死亡。发展、生殖、衰老、死亡。（生长、形态建成、（生长、形态建成、生殖、成熟及衰老）生殖、成熟及衰老）物质能量代谢：物质能量代谢：物质的合成、分解及其相物质的合成、分解及其

3、相互转换；能量的吸收、转换及贮藏。互转换；能量的吸收、转换及贮藏。（水分、矿（水分、矿物质、光合及呼吸）物质、光合及呼吸） 信息传递和信号转导：信息传递和信号转导：整体水平与单个细胞整体水平与单个细胞水平。水平。通常最易被人们观察到的植物生命现通常最易被人们观察到的植物生命现象是：象是：种子萌发，种子萌发， 植物生长（长枝、长叶植物生长（长枝、长叶, 长高、长粗），长高、长粗）， 开花结实形成种子等。开花结实形成种子等。在这些过程中，在这些过程中， 要进行各式各样的生命活动。要进行各式各样的生命活动。 植物植物生命活动的特点是生命活动的特点是:能把环境中吸收的构造简单、能把环境中吸收的构造简单

4、、 含能量低的无机物质含能量低的无机物质 （CO2、H2O、矿物质等）、矿物质等） 合成合成为构造复杂、含能量高的有机物；为构造复杂、含能量高的有机物；即吸收外界的物质，即吸收外界的物质， 加以改造，变为自身的成分加以改造，变为自身的成分 -同化作用同化作用 。随着生命活动的进展，又将其氧化随着生命活动的进展，又将其氧化分解分解， 释放出部分能量和形成一些中间产物，释放出部分能量和形成一些中间产物， 供生命活动需要供生命活动需要 。即把自身的某些成分加以分解，即把自身的某些成分加以分解， 释放能量，使植物进行各种生命活动，释放能量，使植物进行各种生命活动， 同时排除废物。同时排除废物。 - 异

5、化作用异化作用。 上述的两个相互联系的作用，上述的两个相互联系的作用， 即是即是新陈代谢的过程新陈代谢的过程。植物就是在同化和异化植物就是在同化和异化 这一主要矛盾推动下生长发育这一主要矛盾推动下生长发育， 当同化等于或小于异化时，当同化等于或小于异化时， 正常生长发育不能进行，正常生长发育不能进行， 致使衰老死亡。致使衰老死亡。高等植物是由成千上万的细胞组成的，高等植物是由成千上万的细胞组成的， 分化成不同的组织和器官，分化成不同的组织和器官， 执行着不同的生理功能。执行着不同的生理功能。 吸收水分、无机盐吸收水分、无机盐;合成一些有机物合成一些有机物 和和CTKs，ABA等激素等激素; 贮

6、藏养分贮藏养分; 支持和固定植物体。支持和固定植物体。贮藏养分贮藏养分;物质（水、矿质、有机物、微量活性物质）物质（水、矿质、有机物、微量活性物质） 和信息交流和信息交流 运输的主要通道。运输的主要通道。进行光合制造有机物的主要场所，进行光合制造有机物的主要场所， 水分散失的主要器官。水分散失的主要器官。 花、果实、种子花、果实、种子 繁衍后代的作用。繁衍后代的作用。植物各器官中的所有生活部分，植物各器官中的所有生活部分， 都在不停地进行着都在不停地进行着呼吸作用呼吸作用.通过它的作用，通过它的作用， 为物质转化、合成降解代谢为物质转化、合成降解代谢 及生长发育提供能量、及生长发育提供能量、

7、中间产物等条件，中间产物等条件， 可见，植物生命活动，可见，植物生命活动， 也就是也就是进行进行 营养和代谢，营养和代谢， 生长和繁殖的过程生长和繁殖的过程。1 植物营养植物营养无机营养无机营养 水、水、CO2及矿质元素；及矿质元素； 有机营养有机营养 需要量大的需要量大的碳水化合物、蛋白质、碳水化合物、蛋白质、 氨基酸、核酸、脂肪氨基酸、核酸、脂肪. 微量的微量的维生素、生长素、赤霉素、维生素、生长素、赤霉素、 细胞分裂素、乙烯等。细胞分裂素、乙烯等。2 植物的基本代谢：植物的基本代谢： 水及无机盐代谢水及无机盐代谢 植物光合作用植物光合作用 呼吸作用呼吸作用 物质转化物质转化 物质运输分配

8、物质运输分配 信号转导等信号转导等 3 生长和繁殖生长和繁殖是植物各个生理功能的综合表现。是植物各个生理功能的综合表现。生长生长表现在体积、重量不可逆地增加表现在体积、重量不可逆地增加 和形态有规律地演化。和形态有规律地演化。 繁殖繁殖是内部一系列生理生化变化，是内部一系列生理生化变化， 最后导致性器官出现，最后导致性器官出现， 经开花、授粉、受精、籽实生长，经开花、授粉、受精、籽实生长， 产生新的一代。产生新的一代。植物生命活动为什么会有条不紊地进行？植物生命活动为什么会有条不紊地进行？ 首先，首先， 决定于细胞内部精巧的细微结构。决定于细胞内部精巧的细微结构。 这些结构一旦破坏，这些结构一

9、旦破坏， 生命活动就会发生紊乱以至停止。生命活动就会发生紊乱以至停止。其次，决定于各种酶的顺次作用。其次，决定于各种酶的顺次作用。 酶是具有高度催化活性的蛋白质。酶是具有高度催化活性的蛋白质。 其种类很多，其种类很多， 催化着各种生理生化反应的进行。催化着各种生理生化反应的进行。 第三，植物与环境的密切关系。第三，植物与环境的密切关系。不动的植物生活于变化着的环境条件之中，不动的植物生活于变化着的环境条件之中， 植物不能离开环境而生活。植物不能离开环境而生活。细胞信号传导细胞信号传导: 植物细胞不断植物细胞不断感受感受、接收接收各种环境信号各种环境信号 以及来自相邻细胞的各种化学和物理信号，以

10、及来自相邻细胞的各种化学和物理信号， 转变为胞内信号转变为胞内信号，引起适当的生理反应引起适当的生理反应， 以维持生命活动的进行以维持生命活动的进行 。 植物对逆境的适应和抵抗能力植物对逆境的适应和抵抗能力环境条件的变化环境条件的变化 相应地影响着植物生命活动的改变，相应地影响着植物生命活动的改变， 进而影响生命发育，以适应变化了的环境。进而影响生命发育，以适应变化了的环境。植物对不良环境条件植物对不良环境条件( 逆境逆境)的适应和抵抗能力的适应和抵抗能力 是植物在长期系统发育中与逆境斗争而产生是植物在长期系统发育中与逆境斗争而产生 和发展起来的，和发展起来的， 是植物长期进化的结果。是植物长

11、期进化的结果。 植物若对变化激烈的逆境适应不了时，植物若对变化激烈的逆境适应不了时， 就会死亡，而被淘汰。就会死亡，而被淘汰。可见，可见，植物对环境条件有植物对环境条件有 巨大的依赖和彼此间的相互影响巨大的依赖和彼此间的相互影响。通过揭发和认识植物生命活动内在规律通过揭发和认识植物生命活动内在规律 及其与环境条件间的辩证关系，及其与环境条件间的辩证关系， 为我们利用植物、改造植物、为我们利用植物、改造植物、 制定科学的农业技术措施提供依据。制定科学的农业技术措施提供依据。第四，按照现代生物学观点，最终决定第四，按照现代生物学观点，最终决定于植物种类、品种的遗传性。于植物种类、品种的遗传性。 植

12、物生长发育植物生长发育 是遗传基因顺序表达的结果。是遗传基因顺序表达的结果。 植物生理学的基本内容植物生理学的基本内容概括为：概括为：（1）细胞结构与功能）细胞结构与功能 （2）功能与代谢生理）功能与代谢生理 （3）生长发育）生长发育 （4）逆境生理）逆境生理 （1）细胞结构与功能）细胞结构与功能 它是各种生理活动它是各种生理活动 与代谢过程的组织基础；与代谢过程的组织基础；（2）功能与代谢生理）功能与代谢生理主要包括主要包括 光合、光合、 呼吸、呼吸、 水分、水分、 矿质、矿质、 运输、运输、 信号转导等各种功能、机理信号转导等各种功能、机理 及其与环境条件的影响；及其与环境条件的影响；（3

13、）生长发育）生长发育它是各种功能与代谢活动的综合反应它是各种功能与代谢活动的综合反应 ， 包括生长、分化、包括生长、分化、 发育与成熟、发育与成熟、 休眠、衰老休眠、衰老(包括器官脱落包括器官脱落) 及其调控；及其调控；（4）逆境生理）逆境生理包括植物包括植物 在逆境条件下的在逆境条件下的 生理反应、抗逆性等。生理反应、抗逆性等。二二 植物生理与农业的关系植物生理与农业的关系 植物生理学是一门基础学科植物生理学是一门基础学科,但它的研究对但它的研究对象与研究内容决定了它与生产实践有着密切的象与研究内容决定了它与生产实践有着密切的关系。关系。1、有关植物营养学研究成果使、有关植物营养学研究成果使

14、化肥应用化肥应用成为可成为可能，使世界粮食产量剧增以满足人口增加的需能，使世界粮食产量剧增以满足人口增加的需求。求。2、有关植物激素的发现和研究使得、有关植物激素的发现和研究使得植物生长调植物生长调节剂和除草剂节剂和除草剂在作物生产中得到广泛应用。在作物生产中得到广泛应用。3、20世纪世纪50-60年代，根据如何提高光合效率以年代，根据如何提高光合效率以提高作物产量而培育的提高作物产量而培育的矮杆、耐肥、抗倒、叶矮杆、耐肥、抗倒、叶直立、株型紧凑的禾本科作物新品种直立、株型紧凑的禾本科作物新品种所引起的所引起的绿色革命。绿色革命。4、有关植物呼吸作用调控机制研究促成了现代、有关植物呼吸作用调控

15、机制研究促成了现代蔬果贮藏保鲜技术蔬果贮藏保鲜技术推广应用及产业化。推广应用及产业化。5、治疗癌症的有效药治疗癌症的有效药紫杉醇、青蒿素等均为植紫杉醇、青蒿素等均为植物次生代谢产物。物次生代谢产物。6、组织培养技术的发展、组织培养技术的发展 实现实现“细胞全能性细胞全能性”预言预言. 为发展花药育种、为发展花药育种、 原生质体培养、细胞杂交融合、原生质体培养、细胞杂交融合、 基因导入等育种新方法提供了基础基因导入等育种新方法提供了基础 为快速繁殖、脱除病毒为快速繁殖、脱除病毒 和植物性药物的工业化生产和植物性药物的工业化生产 提供了可靠的途径等等。提供了可靠的途径等等。 说明说明农业生产实践孕

16、育了植物生理学农业生产实践孕育了植物生理学, 而近代植物生理学的每一重大成果而近代植物生理学的每一重大成果 又使农业技术产生重大变革，又使农业技术产生重大变革， 产量极大提高。产量极大提高。 充分证明充分证明植物生理学植物生理学 是是现代农业现代农业的重要理论基础的重要理论基础。三三.植物生理学的植物生理学的 发展趋势发展趋势 当前世界面临着当前世界面临着 食物、食物、 能源、能源、 资源、资源、 环境环境 和人口和人口五大问题，五大问题， 这些问题都与生物学有关。这些问题都与生物学有关。 在在21世纪，作为自养生物的世纪，作为自养生物的绿色植物绿色植物 在在增加食物增加食物、 增加资源增加资

17、源、 保护环境保护环境 和和改善环境改善环境中中 发挥发挥着重要的、不可取代的作用。着重要的、不可取代的作用。植物生理学植物生理学 围绕如何解决食物、围绕如何解决食物、 能源、资源等全球性问题能源、资源等全球性问题 向宏观向宏观和和微观微观方向深入发展。方向深入发展。宏观上，宏观上，它与环境生物学、生态生理学等它与环境生物学、生态生理学等 更广泛地结合，更广泛地结合， 从群体、群落着眼研究从群体、群落着眼研究 植物间的相互影响，植物间的相互影响， 植物与环境的相互作用，植物与环境的相互作用， 自然生态系统自然生态系统 和农业生态系统中和农业生态系统中 所出现的生理问题。所出现的生理问题。v微观

18、上，微观上，它在细胞和分子水平上它在细胞和分子水平上 研究植物体内的物质代谢、研究植物体内的物质代谢、 能量转化、能量转化、 信息转导、信息转导、 形态建成形态建成 和植物抗逆性和植物抗逆性 及其他生理活动及其他生理活动 的机理的机理。植物生理学植物生理学与农学结合起来，与农学结合起来， 在农业、在农业、 林业、林业、 轻工业等方面轻工业等方面 可以发挥重大作用。可以发挥重大作用。 四四. . 植物生理学植物生理学 和和分子生物学分子生物学 的关系的关系当今，当今，植物生理学植物生理学面临着面临着 分子生物学和现代农业的挑战分子生物学和现代农业的挑战， 这也是更新和发展植物生理学这也是更新和发

19、展植物生理学 的极好机遇。的极好机遇。 （1） 分子生物学的渗透分子生物学的渗透， 为植物生理学带来了为植物生理学带来了新思想新思想、 新观点新观点、新概念新概念和和新方法新方法， 为植物生理学注入了为植物生理学注入了 新的活力新的活力。不同的学科不同的学科 有不同的研究对象和方法，有不同的研究对象和方法， 有不同的研究层次有不同的研究层次. 因而，当今分子生物学的发展和因而，当今分子生物学的发展和渗透渗透 不会取代植物生理学不会取代植物生理学。Taiz和和Zeiger主编的主编的Plant physiology(1991) “以光合作用为例，以光合作用为例， 用生物化学手段用生物化学手段 提

20、纯光合作用的酶，在试管中研究它们的特性；提纯光合作用的酶，在试管中研究它们的特性； 用生物物理的方法用生物物理的方法 分离光合膜，在比色杯中研究它们的作用分离光合膜，在比色杯中研究它们的作用光谱；光谱； 分子生物学家分子生物学家 克隆编码光合蛋白的基因，克隆编码光合蛋白的基因， 研究它们在发育过程中的调节；研究它们在发育过程中的调节； 植物生理学家植物生理学家 研究上述这些组成的相互作用研究上述这些组成的相互作用 及其与周围环境的关系，及其与周围环境的关系， 从而在叶绿体、细胞、从而在叶绿体、细胞、 叶器官和整体水平上叶器官和整体水平上 认识光合作用过程及功能认识光合作用过程及功能”。 这个例

21、子从某种意义上说明这个例子从某种意义上说明: 植物生理学植物生理学是植物整体的科学，是植物整体的科学， 它正是在各个学科的它正是在各个学科的 相互渗透、相互渗透、 相互交叉和配合相互交叉和配合 的研究中不断深入。的研究中不断深入。 (2) 植物生理学的深入研究植物生理学的深入研究 也为分子生物学及其他学科的研究也为分子生物学及其他学科的研究 提供了重要基础。提供了重要基础。如如 控制番茄等果实成熟的分子生物学控制番茄等果实成熟的分子生物学 和基因工程研究和基因工程研究- 是著名植物生理学家杨祥发是著名植物生理学家杨祥发 在完成乙烯生物合成研究，在完成乙烯生物合成研究， 并确定蛋氨酸循环并确定蛋

22、氨酸循环 是控制番茄乙烯生物合成是控制番茄乙烯生物合成 和果实成熟衰老和果实成熟衰老 唯一调控机构的基础上唯一调控机构的基础上 而获得成功的。而获得成功的。现在已获得的一些植物现在已获得的一些植物 重要生物过程重要生物过程 有关基因或其有关基因或其cDNA克隆克隆， 都是以弄清楚这些酶的生理生化背景都是以弄清楚这些酶的生理生化背景 或有关生物合成途径为基础的。或有关生物合成途径为基础的。例如例如 RuBP羧化酶基因，羧化酶基因， 与抗旱与抗旱/盐碱密切相关的基因盐碱密切相关的基因 (脯氨酸合成酶基因和甜菜碱基因等脯氨酸合成酶基因和甜菜碱基因等).相反，相反，一些重要的植物生命现象，一些重要的植

23、物生命现象， 由于其由于其生理生化的本质生理生化的本质不完全清楚不完全清楚， 因而制约了因而制约了 其分子生物学研究其分子生物学研究 和基因工程的进展。和基因工程的进展。 例如例如抗逆性的研究抗逆性的研究，虽然人们观察到植物在逆境条件下虽然人们观察到植物在逆境条件下 (干旱、盐碱、热激等干旱、盐碱、热激等) 产生各种各样的逆境蛋白。产生各种各样的逆境蛋白。 但但这些逆境蛋白这些逆境蛋白 是如何产生的是如何产生的 及其生理功能及其生理功能 并不清楚。并不清楚。目前的研究是目前的研究是 先分析逆境蛋白氨基酸顺序，先分析逆境蛋白氨基酸顺序， 然后合成探针，然后合成探针， 再分离基因，再分离基因， 反

24、过来对蛋白的生理功能反过来对蛋白的生理功能 进行研究。进行研究。植物生理学植物生理学的的 1“各得其所各得其所” 合理安排，学好计划内各门课程。合理安排，学好计划内各门课程。2课堂精神集中，手脑并用；课堂精神集中，手脑并用； 课后及时复习；课后及时复习； 3要不耻下问，多问为什么。要不耻下问，多问为什么。 钻进去，跳出来钻进去，跳出来. 不仅学习知识，不仅学习知识， 更应培养自己提出问题、分析问题、更应培养自己提出问题、分析问题、 解决问题的解决问题的创造性思维能力创造性思维能力。4实践的观点，历史唯物主义观点，实践的观点，历史唯物主义观点， 对立统一观点。对立统一观点。 自觉学习和运用论证法

25、和矛盾分析方法。自觉学习和运用论证法和矛盾分析方法。植物生理学是植物生理学是 是现代农业的理论基础。是现代农业的理论基础。 是高等学校作物生产类、是高等学校作物生产类、 生物类各专业本科生生物类各专业本科生 必修的重要专业基础课必修的重要专业基础课 硕士研究生入学考试科目。硕士研究生入学考试科目。 通过本门课程的学习，通过本门课程的学习， 不仅为学习有关后续课程不仅为学习有关后续课程 和掌握专业知识打好必要的基础，和掌握专业知识打好必要的基础， 而且还为将来创造性地学习运用而且还为将来创造性地学习运用 现代农业和生物科学创造条件，现代农业和生物科学创造条件， 对于培养学生分析问题、对于培养学生分析问题、 解决问题的能力、发展创造思维解决问题的能力、发展创造思维 及提高综合素质具有重要作用。及提高综合素质具有重要作用。植物生理学特点植物生理学特点:具有理论性和综合性强、具有理论性和综合性强、 涉及基础课专业课知识面广、涉及基础课专业课知识面广、 与农业生产联系紧密、与农业生产联系紧密、 与宏观微观学科交叉渗透等与宏观微观学科交叉渗透等.