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1、杨卫民杨卫民 主讲主讲 单位：吕梁高等专科学校生命科学系单位：吕梁高等专科学校生命科学系 职称：教职称：教 授授 电话：电话：8248534（H)8247356(O)E-mail:绪绪 论论一、植物生理学的一、植物生理学的定义与内容定义与内容二、植物生理学的二、植物生理学的产生与发展产生与发展三、植物生理学与三、植物生理学与农业生产农业生产 一、植物生理学的定义与内容一、植物生理学的定义与内容(一一)植物生理学的定义植物生理学的定义 植物生理学植物生理学(plant physiology)是研究植物生命活动规律、揭示是研究植物生命活动规律、揭示植物生命现象本质的科学。植物生命现象本质的科学。(
2、二二)植物生理学的内容植物生理学的内容1.1.生长发育与形态建成生长发育与形态建成2.2.物质代谢与能量转化物质代谢与能量转化3.3.信息传递和信号转导信息传递和信号转导 1 1生长发育与形态建成生长发育与形态建成 生长发育（生长发育（growth and development）是植）是植物生命活动的外在表现，它主要包括了两个方物生命活动的外在表现，它主要包括了两个方面：一是由于细胞数目的增加、细胞体积的扩面：一是由于细胞数目的增加、细胞体积的扩大而导致的植物体积和重量的增加；二是由于大而导致的植物体积和重量的增加；二是由于新器官的不断出现带来的一系列肉眼可见的形新器官的不断出现带来的一系列
3、肉眼可见的形态变化，即形态建成态变化，即形态建成(morphogenesis），包括），包括从种子萌发，根、茎、叶的生长，直到开花、从种子萌发，根、茎、叶的生长，直到开花、结实、衰老、死亡的全过程。人类对植物生命结实、衰老、死亡的全过程。人类对植物生命活动的认识正是从对其生长发育的观察和描述活动的认识正是从对其生长发育的观察和描述开始的，所谓开始的，所谓“春华秋实春华秋实”，“春发、夏长、春发、夏长、秋收、冬藏秋收、冬藏”等等，便是人类对植物生长发育等等，便是人类对植物生长发育规律直观认识的写照。规律直观认识的写照。2 2物质代谢与能量转化物质代谢与能量转化 在植物形态变化的背后，是肉眼难以观
4、察到的物在植物形态变化的背后，是肉眼难以观察到的物质和能量转化过程，而物质转化与能量转化又紧密质和能量转化过程，而物质转化与能量转化又紧密联系，构成统一的整体，统称为代谢联系，构成统一的整体，统称为代谢(metabolism)。植物的代谢活动包括水分的吸收、运输与散失；矿植物的代谢活动包括水分的吸收、运输与散失；矿质营养的吸收、同化与利用；光合作用；呼吸作用；质营养的吸收、同化与利用；光合作用；呼吸作用；有机物的转化、运输与分配等方面。代谢过程归根有机物的转化、运输与分配等方面。代谢过程归根结底是运行于植物体内的一系列生物化学和生物物结底是运行于植物体内的一系列生物化学和生物物理的变化，而生长
5、发育则是代谢作用的综合表现和理的变化，而生长发育则是代谢作用的综合表现和最终结果。代谢作用是生命的基础，代谢一旦停止，最终结果。代谢作用是生命的基础，代谢一旦停止，生命也就不复存在，生长发育更无从谈起。某些代生命也就不复存在，生长发育更无从谈起。某些代谢环节如果发生重大变化或遭到破坏，也必然会影谢环节如果发生重大变化或遭到破坏，也必然会影响到生长发育。如有的植物由于合成赤霉素的某些响到生长发育。如有的植物由于合成赤霉素的某些基因缺失，赤霉素合成发生障碍，因而茎不能正常基因缺失，赤霉素合成发生障碍，因而茎不能正常生长，变为生长，变为“矮生型矮生型”；又如苹果树缺少微量元素；又如苹果树缺少微量元素
6、锌，便会影响生长素的生物合成，使新生叶不能展锌，便会影响生长素的生物合成，使新生叶不能展开，发生开，发生“小叶病小叶病”。3 3信息传递和信号转导信息传递和信号转导 信息传递（信息传递（message transportationmessage transportation）和信号转导）和信号转导（signal transductionsignal transduction）是植物生命活动的另一个重）是植物生命活动的另一个重要方面。植物虽不像动物那样具有发达的神经系统，但要方面。植物虽不像动物那样具有发达的神经系统，但它生活在复杂多变的环境中，必须对环境的变化做出响它生活在复杂多变的环境中，必
7、须对环境的变化做出响应，或顺应环境的有规律的变化，形成植物固有的生命应，或顺应环境的有规律的变化，形成植物固有的生命周期，或对严酷的环境条件进行适应与抵抗，以保持物周期，或对严酷的环境条件进行适应与抵抗，以保持物种的繁衍。这些反应都是从种的繁衍。这些反应都是从“感知感知”环境条件的物理或环境条件的物理或化学信号开始的。在许多情况下，感知信息的部位与发化学信号开始的。在许多情况下，感知信息的部位与发生反应的部位往往不是同一器官，这就需要感受器官将生反应的部位往往不是同一器官，这就需要感受器官将它所感受到的信息传递到反应器官，并使后者发生反应。它所感受到的信息传递到反应器官，并使后者发生反应。如：
8、进入秋季，夜长增加，这个物理信号如果被一年生如：进入秋季，夜长增加，这个物理信号如果被一年生短日植物的叶片所感受，便会在远离叶片的茎顶端分生短日植物的叶片所感受，便会在远离叶片的茎顶端分生组织开始一系列成花的生理准备组织开始一系列成花的生理准备,直至花芽形成和开花直至花芽形成和开花;而多年生落叶树木的叶片，则会在夜长增加的这一物理而多年生落叶树木的叶片，则会在夜长增加的这一物理信号诱导下发生叶柄离层的形成和脱落、枝条进入休眠信号诱导下发生叶柄离层的形成和脱落、枝条进入休眠状态等一系列生理反应。状态等一系列生理反应。各种外部信号影响植物的生长发育各种外部信号影响植物的生长发育返回返回二、植物生理
9、学的产生和发展二、植物生理学的产生和发展第一阶段：植物生理学的孕育阶段第二阶段：植物生理学诞生与成长 的阶段第三阶段：植物生理学发展、分化 与壮大阶段 第一阶段：植物生理学的孕育阶段第一阶段：植物生理学的孕育阶段 这一阶段从这一阶段从16271627年荷兰人凡年荷兰人凡海海尔蒙（尔蒙（J.B.van HelmontJ.B.van Helmont）做柳枝实）做柳枝实验开始，直到验开始，直到1919世纪世纪4040年代德国化年代德国化学家李比希（学家李比希（J.von LiebigJ.von Liebig）创立）创立植物矿质营养植物矿质营养(minerral nutrient)(minerral
10、nutrient)学说为止，共经历了学说为止，共经历了200200多年的时间。多年的时间。第二阶段：植物生理学诞生与成长的阶段第二阶段：植物生理学诞生与成长的阶段 这一阶段从这一阶段从18401840年李比希矿质营养学说年李比希矿质营养学说的建立到的建立到1919世纪末德国植物生理学家萨克斯世纪末德国植物生理学家萨克斯(J.Sachs)(J.Sachs)和他的学生费弗尔和他的学生费弗尔(W.Pfeffer)(W.Pfeffer)所著的两部植物生理学专著问世为止，经过所著的两部植物生理学专著问世为止，经过了约半个世纪的时间。了约半个世纪的时间。萨克斯，萨克斯，J.von Julius von 费
11、弗尔（费弗尔（W.Pfeffer）Sachs(18321897)至至1919世纪末世纪末2020世纪初，萨克斯和费弗世纪初，萨克斯和费弗尔在全面总结了植物生理学以往的研究成尔在全面总结了植物生理学以往的研究成果的基础上，分别写成了植物生理学讲果的基础上，分别写成了植物生理学讲义义(J.Sachs,1882)(J.Sachs,1882)和三卷本的专著和三卷本的专著植物生理学植物生理学(W.Pfeffer,1897),(W.Pfeffer,1897),成为成为影响达数十年之久的植物生理学经典著作影响达数十年之久的植物生理学经典著作和植物生理学发展史中的重要里程碑。这和植物生理学发展史中的重要里程碑
12、。这两部著作的问世，意味着植物生理学终于两部著作的问世，意味着植物生理学终于从它的母体植物学中脱胎而出，独立成为从它的母体植物学中脱胎而出，独立成为一门新兴的学科。一门新兴的学科。第三阶段：植物生理学发展、分化与壮大阶段第三阶段：植物生理学发展、分化与壮大阶段 2020世世纪纪是是科科学学技技术术突突飞飞猛猛进进的的世世纪纪，也也是是植物生理学快速壮大发展的世纪。植物生理学快速壮大发展的世纪。2020世世纪纪以以来来，特特别别是是5050年年代代以以来来，植植物物生生理理学学的的研研究究在在微微观观、个个体体和和宏宏观观三三个个层层次次上上都发生了巨大的变化，获得了许多重大突破。都发生了巨大的
13、变化，获得了许多重大突破。微微观观方方面面，通通过过对对生生物物膜膜结结构构与与功功能能的的研研究究，提提出出并并确确定定了了膜膜的的“流流动动镶镶嵌嵌”模模型型：以以类类脂脂为为主主要要成成分分构构成成的的双双层层膜膜上上镶镶嵌嵌着着各各种种功功能能蛋蛋白白，执执行行着着诸诸如如电电子子传传递递、能能量量转转换、离子吸收、信号转导等重要生理功能。换、离子吸收、信号转导等重要生理功能。在光合作用研究中在光合作用研究中,卡尔文卡尔文(M.Calvin)(M.Calvin)于于5050年代利用年代利用1414C C示踪和纸上层析两种技术，揭示了示踪和纸上层析两种技术，揭示了光合作用中光合作用中CO
14、CO2 2 同化的历程同化的历程,提出了著名的卡尔提出了著名的卡尔文循环，即文循环，即“光合碳循环光合碳循环”；6060年代以后，又年代以后，又陆续发现了陆续发现了C C4 4类型、景天科酸代谢类型、景天科酸代谢(CAM)(CAM)和光呼和光呼吸作用；由于快速荧光光谱技术和激光技术的吸作用；由于快速荧光光谱技术和激光技术的应用应用,将光合作用原初反应研究的时间跨度从毫将光合作用原初反应研究的时间跨度从毫秒级秒级(ms,10(ms,10-3-3s)s)一直缩短为皮秒一直缩短为皮秒(ps,10(ps,10-12-12s)s)和飞和飞秒秒(fs,10(fs,10-15-15s)s)级；在空间跨度上，
15、电子显微镜级；在空间跨度上，电子显微镜和和X-X-射线衍射技术的应用，使人们的视野逐步射线衍射技术的应用，使人们的视野逐步从细胞水平深入到亚细胞水平，进而深入到生从细胞水平深入到亚细胞水平，进而深入到生物膜和生物大分子空间三维结构的水平，分辨物膜和生物大分子空间三维结构的水平，分辨率达到率达到10101010m(1/10nm)m(1/10nm)级，弄清了光合膜上许多级，弄清了光合膜上许多功能性色素蛋白复合体的三维立体结构，将结功能性色素蛋白复合体的三维立体结构，将结构与功能的研究推向了微观世界。构与功能的研究推向了微观世界。卡尔文及其同时用来研究光合藻类卡尔文及其同时用来研究光合藻类COCO2
16、 2固定的仪器装置固定的仪器装置 在植物生长发育生理方面，成功地使在植物生长发育生理方面，成功地使植物组织、细胞和原生质体在离体培养植物组织、细胞和原生质体在离体培养条件下通过脱分化和再分化成长为新的条件下通过脱分化和再分化成长为新的植物个体。这一成就的重大意义不但在植物个体。这一成就的重大意义不但在于证明了植物细胞的于证明了植物细胞的“全能性全能性”，而且，而且为植物细胞工程和基因工程的大力发展为植物细胞工程和基因工程的大力发展创造了条件。自创造了条件。自4040年代至年代至5050年代末相继年代末相继发现了植物光周期现象和控制光周期现发现了植物光周期现象和控制光周期现象的色素蛋白复合体象的
17、色素蛋白复合体光敏色素光敏色素(phytochrome)(phytochrome)，目前已知受光敏色素，目前已知受光敏色素控制的生理过程不下几十种。控制的生理过程不下几十种。关于植物生长物质的研究，从关于植物生长物质的研究，从3030年代首次确年代首次确定生长素的分子结构以来，已陆续确定了定生长素的分子结构以来，已陆续确定了5 5种公种公认的植物激素和认的植物激素和1010余种内源生长物质，植物激余种内源生长物质，植物激素的测定方法则由最初的生物鉴定法发展到现素的测定方法则由最初的生物鉴定法发展到现在的高效液相色谱技术在的高效液相色谱技术(HPLC)(HPLC)和酶联免疫技术和酶联免疫技术(ELISA)(ELISA)，后者的灵敏度可达到，后者的灵敏度可达到10101212g g。GA GA处理显著促进植株茎的伸长生长处理显著促进植株茎的伸长生长返回返回三、植物生理学与农业生产三、植物生理学与农业生产（一）作物产量形成与高产理论（一）作物产量形成与高产理论（二）环境生理与作物抗逆性（二）环境生理与作物抗逆性 （三）设施农业中的作物生理学（三）设施农业中的作物生理学 （四）植物生理学与育种学相结合（四）植物生理学与育种学相结合作作 物生理育种物生理育种