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现代植物生理学研究技术与方法 Research Techniques and Methods of Modern Plant Physiology 09级植物学 李宏富 主 要 内 容 植物生理学的研究内容1. 植物生理学的产产生和发发展2. 3. 4. 5. 植物生理学的研究方法 植物生理学的发展特点 植物生理学的研究趋势 一、植物生理学的研究内容 v植物生理学（ Plant Physiology）是研究植物生命活动规律及其调节机 制的科学。植物的生命活动就是植物的生长发育过程，它包括从胚胎形 成开始，一直到衰老死亡的全部过程。 v植物生理学的研究对象：广义地说是各类植物，包括低等植物和高等植 物。狭义的说，就是高等植物。 v植物生理学的研究内容：植物的生长发育是植物进行物质代谢和能量转 化、信息传递和信号传导以及形态建成的结果，也就是说植物生命活动 是物质代谢、能量转化、信息传递和形态建成的综合反应。因此，植物 生理学的主要内容主要有三个方面： （1）物质代谢和能量转化 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；矿质营养的吸收、 同化与利用；光合、呼吸作用；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，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，也必然会影响到生长发 育。 植物体内赤霉素合成发生障碍，因而茎不能正常生长，变为“矮生 型”；苹果树缺少微量元素锌，便会影响生长素的生物合成，使新生叶 不能展开，发生“小叶病”。 绿色植物的自养性（autotropism) 研究的主要内容 植物的光合作用（photosynthesis) 各种外部信号影响植物的生长发育 （2）信息传递和信号转导 信息传递（message transportation）和信号转导（signal transduction）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，但它生活在复杂多变的环境中，必须对环境的 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“感知”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 。 如：成花生理中日照长短和温度高低对花芽形成和开花的影响;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、枝条进入休眠状态等一系列生理反应。 Protein metabolism growth and development 遗传信息的表达过程 （3）生长发育和形态建成 生长发育（growth and development）是植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 系列肉眼可见的形态变化，即形态建成(morphogenesis），包括从种子 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“春华秋实”，“春发、夏长、秋收、冬藏”等等，便是人类对植 物生长发育规律直观认识的写照。 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 描述性比较性实验性 第一阶段：植物生理学的孕育阶段 这一阶段从1627年荷兰人凡海尔蒙（ J.B.van Helmont）做柳枝实验开始，直到19世纪40 年代德国化学家李比希（J. von Liebig）创立植物 矿质营养(minerral nutrient)学说为止，共经历了 200多年的时间。 为 什 么？ 第二阶段：植物生理学诞生与成长的阶段 这一阶段从1840年李比希矿质营养学说的建立 到19世纪末德国植物生理学家萨克斯(J. Sachs)和 他的学生费弗尔(W. Pfeffer)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。 萨克斯，J.von Julius von 费弗尔（W.Pfeffer） Sachs (18321897) 至19世纪末20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果的基础上，分别 写成了植物生理学讲义(J. Sachs, 1882)和三 卷本的专著植物生理学(W. Pfeffer,1897),成 为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 20世纪是科学技术突飞猛进的世纪，也是植物生理学快 速壮大发展的世纪。20世纪以来，特别是50年代以来，植物 生理学的研究在微观、个体和宏观三个层次上都发生了巨大 的变化，获得了许多重大突破。 微观方面，通过对生物膜结构与功能的研究，提出并确 定了膜的“流动镶嵌”模型：以类脂为主要成分构成的双层 膜上镶嵌着各种功能蛋白，执行着诸如电子传递、能量转换 、离子吸收、信号转导等重要生理功能。 在空间跨度上，电子显微镜和X-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 深入到生物膜和生物大分子空间三维结构的水平，分辨率 达到1010m(1/10nm)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，将结构与功能的研究推向了 微观世界。 在光合作用研究中,卡尔文(M.Calvin)于50年代利用14C 示踪和纸上层析两种技术，揭示了光合作用中CO2 同化的 历程,提出了著名的卡尔文循环，即“光合碳循环”；60 年代以后，又陆续发现了C4类型、景天科酸代谢(CAM)和 光呼吸作用； 由于快速荧光光谱技术和激光技术的应用,将光合作用 原初反应研究的时间跨度从毫秒级(ms,10-3s)一直缩短为 皮秒(ps,10-12s)和飞秒(fs,10-15s)级； 卡尔文及其同时用来研究光合藻类CO2固定的仪器装置 自40年代至50年代末相继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光敏色素(phytochrome)，目前 已知受光敏色素控制的生理过程不下几十种。 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于证明了植物细胞的“ 全能性”，而且为植物细胞工程和基因工程的大力发展创造 了条件。 关于植物生长物质的研究，从30年代首次确 定生长素的分子结构以来，已陆续确定了5种公 认的植物激素和10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在的 高效液相色谱技术(HPLC)和酶联免疫技术 (ELISA)，后者的灵敏度可达到1012g。 三、植物生理学的研究方法 （一）植物生理学的研究原则 1生命活动的基础是物理和化学过程，任何生命活动机理都可以用物理和 化学的方法来研究，用化学的和物理的原理来解释，没有独立于物理、 化学过程之外的特殊生命过程。 2结构和功能的统一，没有分子、细胞组织、器官和植物整体的结构，也 就没有功能，因此要将结构和功能统一起来研究。 3微观与宏观的统一，要将分子细胞器组织器官植物体群体各 个水平的研究结合起来，因为它们之间存在着相互作用。植物生命活动 就是它们相互作用的结果。单纯研究分子水平和细胞水平，不能全面了 解植物生命活动的规律，单纯研究宏观水平，不能了解植物生命活动的 内在规律，也无法正确的调节植物的生命活动。 （二）植物生理学的研究方法 vv近年来，组织培养和细胞培养研究迅速开展近年来，组织培养和细胞培养研究迅速开展 ，特别在花药和花粉培养、单倍体育种方面，特别在花药和花粉培养、单倍体育种方面 做了大量工作，成绩显著。做了大量工作，成绩显著。 explantexplant calluscallusnew plantnew plant 植物组织培养 快速无性繁殖 单个 细胞 营养培养基克隆植株 Seed-less Watermelon Banana (3x=33) Tetraploid Octoploid Diploid Triploid Autopolyploid Triploid Autopolyploid Meiosis Tetraploid v利用可表现绿色荧光蛋白质之植物研究 植物根细胞分化途径。 1试验结果观察测定 （1）外观形态观察 给予植物一定处理后，观察植物生长发育情况，如 ，叶面积、株重、发育时期变化和开花结实情况。 （2）解剖结构观察 给予一定处理后，用显微镜观察植物解剖结构或细胞 超微结构的变化。 （3）观察生理过程强度的变化 如观察光合速率、呼吸速率、蒸腾速率 、根系吸收活力、物质运输速率等。 （4）测定物质含量和酶活性变化 如糖、蛋白质、核酸、激素、叶绿素 、水分（水势）含量的变化和目标酶活性变化。 2试验处理 （1）改变植物生长发育的环境条件 如温度、光、水、气、湿度，具体的 讲就是光强、光照时间、光的波长、温度高低、大气温度和湿度、土壤 含水量、O2和CO2浓度、矿质元素的种类和含量。 （2）通过调节某个生理过程的强度 调节某种物质含量，或调节某些酶的 活性，来研究该生理过程、该物质、该酶在植物代谢和生长发育中的作 用。常用的方法有： 施用激素类物质，包括生长促进剂和生长抑制剂。施用激素类物 质可对某个生理过程或生化过程产生促进或抑制。但这种方法不 精确。因为促进剂或抑制剂的专一性不够。 外源加入某种物质，这种方法的应用范围有限，因为有许多物质 不能被植物吸收和运转，此外，有许多生物体内的物质还不能人 工合成。 转基因：这是研究某种物质、某种酶在植物代谢和发育过程中作 用的最精确的方法，目前，我们可以通过转基因的方法，以专一 的抑制或专一的促进某种物质的合成。要促进某种物质的含量， 就向植物中转入控制该物质合成的基因；要抑制某种物质的合成 ，可采取反义RNA战略。 例如，在研究报告细胞分裂素的作用时，从微生物中分离细 胞分裂素合成酶的基因，转入烟草，使其超表达，合成过量的细 胞分裂素。在研究乙烯的生理作用时，将ACC合成酶反义RNA基因 导入植物，抑制乙烯的生物合成。乙烯是由蛋氨酸经ACC（1-氨基 酸丙烷羧酸）合成的。其中ACC合成酶是乙烯合成过程中的限速 酶。 ACC合成酶反义RNA基因，该基因的表现产物是ACC合成酶的 反义mRNA，该反义mRNA 或抑制ACC合成酶的基因转录，或使mRNA 失活。 v蝴蝶兰之抗细菌基因，藉以转入植物达 成生产抗病蝴蝶兰植株。 四、植物生理学的发展特点 v1.研究层次越来越广。 微观：分子水平；宏观：个体到群体、群落水平。 v2.学科间的相互渗透。 遗传生理学、发育生理学、营养生理学、环境生理学、生态生理 学等。 v3.理论联系实际。 理论产生于实践，又为生产实践服务。 v4.研究手段现代化。 高度自动化的精密仪器。 五、植物生理学的研究趋势 uu与其他学科