高级植物生理学第一章 植物生理与分子生物学

植物生理与分子生物学及应用研究植物是地球上最重要的生物资源，它们为人类提供了食物、药物、建材等众多资源。

植物生理和分子生物学是植物科学领域中两个非常重要的学科，对于深入了解植物的生态、遗传、生理等方面至关重要。

一、植物生理学植物生理学主要研究植物生长、发育、衰老、代谢、响应机制等方面的生理学问题。

在植物生长发育过程中，水分、养分、温度、光照等因素不断影响植物的生理过程。

因此，探究这些因素对植物形态和生理功能的作用，是植物生理学的首要任务之一。

植物的生理过程非常复杂，需要借助生化、分子生物学等细胞水平的技术手段。

比如，植物的营养生长是通过许多生物化学反应和代谢途径完成的，分子生物学研究植物生长素合成及其调控、光合作用、呼吸作用、光形成酶的合成及调控等，为显微镜、光谱仪、放射性同位素等技术手段的进步创造了支持条件，同时也推动了生化、细胞学等相关领域的发展。

二、植物分子生物学植物分子生物学则研究植物基因和蛋白质的结构、组成、功能及其调控机制。

这一领域的发展，使我们对植物的表型和基因作用有了更深入的理解。

近年来，植物分子生物学借力先进的分子生物学技术和技术手段，探求了植物的基因表达和功能、植物代谢物的合成和调控、植物的发育和信号传递、植物逆境抗性等等方面的机制和调控模式。

这些研究成果已经成为植物基因工程、农业生物技术等许多应用领域的基础，也对学界和产业界带来了广泛的影响。

三、植物生理与分子生物学在实践中的应用近年来，植物学科的发展推动了植物生产和应用领域的创新。

以植物基因编辑技术和生物农药为例，这些技术的发展正推动着可持续的农业生产和资源的有效利用。

通过将需要调控的基因突变和调整，或者利用基因克隆技术，可以帮助植物改善对逆境因素的适应能力、增加植物产量、改进农作物品质等。

植物生理性状和分子调控技术的优化，也带来了对生物农药的发展和新物质的发掘。

这一领域的研究成果对未来可持续发展的推动有着重要意义。

总之，植物生理学和分子生物学作为植物科学领域中非常重要的学科，其研究成果为解决当前全球性问题、提供科学和经济资源和发展推进等领域带来了广泛的应用和持续性的支持。

植物生理学与分子生物学Plant Physiology and Molecular Biology植物生理与分子生物学课程安排第一篇分子与细胞生物学基础第二篇光合作用第三篇营养与水分第四篇呼吸与代谢第五篇生长发育第六篇植物信号与信号转导第七篇植物与环境第一篇分子与细胞生物学基础内容植物基因组的研究方法： 主要研究目标：基因组学概述基因组（genome）:单倍体全部基因组研究内容：基因组学基因组学(Genomics)(Genomics)(Genomics)：：基因组学的分类：结构基因组学（structural genomics）：意义：功能基因组学（functional genomics）：主要研究内容::主要研究内容基因的识别、鉴定和克隆。

基因结构与功能及其相互关系的研究。

基因表达调控的研究。

目标：：目标静态动态任务：： 任务比较基因组学（comparative genomics）概念的含义：比较基因组学的应用：目前从模式生物基因组研究中得出一些规律：研究意义：药物基因组学(Medical Genomics) ：营养基因组学(Nutritional Genomics)： 次级代谢生物信息学(Bioinformatics)：仅仅从基因的角度来研究是远远不够的。

蛋白质组学蛋白质组学(proteomics)(proteomics)最终目标：： 最终目标生物基因组大小基因组大小（（bp ）T4噬菌体T4 phage2.0×105大肠杆菌Escherichia coli 4.2×106酵母Sccharomyces cereviside 1.5×107拟南芥Arabidopsis thaliana 1.0×108线虫Caenorhbditis elegans 1.0×108果蝇Drosophila melanogaste r 1.65×108水稻Oryza sativa 4.3×108小鼠Mus musculus3.0×109人类Homo sapiens 3.3×109玉米Zea mays5.4×109小麦Triticum aestivum1.6×1010不同生物基因组大小基因组学的发展1. 人类基因组计划弹计划阿波罗登月计划《癌症研究的转折点：测序人类基因组》基因组计划？四张图四张图——————遗传图遗传图遗传图、、物理图物理图、、转录图转录图、、序列图基因组研究大事年表。

植物生理学和分子生物学植物生理学和分子生物学是分别从细胞与分子水平入手，探讨植物生长、发育和适应环境的科学。

虽然两者从不同层面展开讨论，但它们的研究成果对于农业、医学等领域有着巨大的推动作用。

植物生理学植物生理学是研究植物生长、发育、代谢和适应环境的学科。

植物生理学的研究广泛涉及植物体各个层次，从尺度的物质交换到细胞之间的信号传递、细胞内代谢途径和基因表达调控等方面。

植物生长和发育是植物生理学中重要的研究方向。

植物生长是指植物体积和质量的增长，因此，植物生长的调节与植物的养分吸收及分配、激素合成和信号通路、环境识别和适应、基因表达和表型塑形等因素密切相关。

植物发育则更多关注形态和功能结构的建立，比如花和叶片的形状、根、茎、叶等器官的组织分化和调控等。

植物发育的研究理解了植物整个生命周期中各个时期所表现的形态，为育种改良提供了理论基础。

植物代谢是植物生理学的另一个重要方向，因为植物的代谢直接影响着植物的发育和适应环境的能力。

植物以阳光、水、二氧化碳和氮、磷、钾等无机物为原料合成各种有机物，如碳水化合物、脂肪酸、氨基酸和蛋白质等，以及含有生物活性的激素、抗氧化物和次生代谢物。

植物代谢为植物正常的生长和发育提供能量和物质来源，同时对于植物的适应能力和环境响应、品质和营养等因素至关重要。

植物适应环境的生理特性研究也是植物生理学热门的研究方向。

植物在自然环境下承受各种环境刺激，如盐碱、寒冷、干旱、光照等，为此，植物逐步演化成特定的形态、结构和表型，以适应各种极端或变幻无常的情况。

研究植物的适应特性可以更好地追溯植物极端环境下的适应过程和机制，同时为农业生产和生态环保提供理论支撑。

分子生物学分子生物学是研究生命系统的分子基础的科学，特别关注分子在细胞内的合成、功能和相互作用的过程。

分子生物学主要研究各种分子如DNA、RNA、蛋白质、酶和代谢物等在细胞和分子水平的交互作用。

植物分子生物学则是从分子层面对植物遗传、表达、基因调控和代谢等方面加以探究。

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植物生理学绪论一植物生理学的定义和内容研究植物生命活动规律和机理及其与环境相互关系的科学.植物生命活动：从种子开始到形成种子的过程中所进行的一切生理活动。

植物生命活动形式:代谢过程、生长发育过程、植物对环境的反应植物生命活动的实质：物质转化、能量转化、信息转化、形态建成、类型变异1 物质转化体外无机物[H2O、CO2、矿质（根叶）]→体内有机物［蛋白质核酸脂肪、碳水化合物］→体外无机物［CO2 H2O]→植物再利用2 能量转化光能（光子）→电能(高能电子)→不稳定化学能（ATP,NADPH）→稳定化学能（有机物)→热能、渗透能、机械能、电能3 信息转化[1]物理信息:环境因子光、温、水、气［2]化学信息:内源激素、某些特异蛋白（钙调蛋白、光敏色素、膜结合酶）[3］遗传信息:核酸4 形态建成种子→ 营养体（根茎叶) → 开花→ 结果→种子5 类型变异植物对复杂生态条件和特殊环境变化的综合反应植物生命活动的“三性”v植物的整体性v植物和环境的统一性v植物的变化发展性Ø植物生命活动的特殊性1 有无限生长的特性2 生活的自养性3 植物细胞的全能性和植株的再生能力强4 具有较强的抗性和适应性5 植物对无机物的固定能力强6植物具有发达的维管束植物生理学的内容1、植物细胞结构及功能生理﹕2、代谢生理：水分代谢、矿质营养、光合作用、呼吸作用等3、生长发育生理：种子萌发、营养生长生理、生殖生理、成熟衰老4、环境生理（抗性生理）以上的基本关系光合、呼吸作用→ 生长、分化水分、矿物质运输发育、成熟（功能代谢生理） (发育生理）↖ ↗环境因子(抗性生理)(温、光、水、气）二植物生理学的产生与发展(一）萌芽阶段（16以前世纪）＊甲骨文:作物、水分与太阳的关系*战国时期：多粪肥田*西汉：施肥方式*西周：土壤分三等九级*齐民要术：植物对矿物质及水分的要求轮作法、“七九闷麦法”（1）科学植物生理学阶段1.科学植物生理学的开端（17～18世纪）1627年，荷兰 Van Helmont ，水与植物的关系1699年，英国Wood Ward，营养来自土壤和水18世纪，Hales，植物从大气获得营养1771年，英国Priestley发现植物绿色部分可放氧2年，瑞士 De Saussure，灰分与生长的关系2.植物生理学的奠基与成长阶段（19世纪）Ø1840年,德国Liebig建立矿质营养说。

第一章细胞信号转导（signal transdution）教学时数：4学时左右。

教学目的与要求：使学生了解细胞信号转导的定义和内容；掌握受体和和跨膜信号转换的过程，植物细胞第二信使的种类及重要作用。

教学重点：细胞信号转导的定义、研究内容；受体和跨膜信号转换；细胞内的第二信使系统。

教学难点：细胞受体和跨膜信号转换。

本章主要阅读文献资料：1.翟中和编：《细胞生物学》，高等教育出版社。

2.王镜岩主编：《生物化学》（第三版），高等教育出版社。

3.宋叔文、汤章城主编：《植物生理与分子生物学》（第二版），科学出版社。

4.王宝山主编：《植物生理学》(20XX年版)，科学出版社。

本章讲授内容：生长发育是基因在一定时间、空间上顺序表达的过程，而基因表达除受遗传信息支配外，还受环境的调控。

植物在整个生长发育过程中，受到各种内外因素的影响，这就需要植物体正确地辨别各种信息并作出相应的反应，以确保正常的生长和发育。

例如植物的向光性能促使植物向光线充足的方向生长，在这个过程中，首先植物体要能感受到光线，然后把相关的信息传递到有关的靶细胞，并诱发胞内信号转导，调节基因的表达或改变酶的活性例如：光质→光受体→信号转导组分→光调节基因→向光性反应对于植物来讲，在生命活动的各个阶段都受到周围环境中各种因素的影响，例如温度、湿度、光、重力、病原微生物等等。

有来自相邻细胞的刺激、细胞壁的刺激、激素等等刺激，连接环境刺激到植物反应的分子途径就是信号转导途径，细胞接受信号并整合、放大信号，最终引起细胞反应，这种信息在胞间传递和胞内转导过程称为植物体内的信号传导。

植物细胞信号转导（signal transdution）主要研究植物感受、传导环境刺激的分子途径及其在植物发育过程中调控基因的表达和生理生化反应，即细胞耦联各种（内部或外源）刺激信号与其引起的特定的细胞生理效应之间的一系列反应机制。

植物细胞信号转导的模式生物体在不同的生长发育阶段，自身也不断产生各种信号，以调节其本身的生命进程，如激素、营养物质等。

第一章植物的水分生理一、英译中(Translate)1.water metabolism ( ) 26.bleeding ( )2.colloidal system ( ) 27.guttation ( )3.bound energy ( ) 28.transpirational pull ( )4.free energy ( ) 29.transpiration ( )5.chemical potential ( ) 30.lenticular transpiration ( )6.water potential ( ) 31.cuticular transpiration ( )7.semipermeable membrane ( ) 32.stomatal transpiration ( )8. osmosis ( ) 33.stomatal movement ( )9. plasmolysis ( ) 34.starch-sugar conversion theory ( )10. deplasmolysis ( ) 35.inorganic ion uptake theory ( )11. osmotic potential ( ) 36.malate production theory ( )12. pressure potential ( ) 37.light-activated H+-pumping ATPase ( )13. matric potential ( ) 38.stomatal frequency ( )14.solute potential ( ) 39.transpiration rate ( )15.water potential gradient ( ) 40.transpiration ratio ( )16.imbibition ( ) 41.transpiration coefficient ( )17.aquaporin ( ) 42.cohesive force ( )18.tonoplast-intrinsic protein7 ( ) 43.cohesion theory ( )19.plasma membrane-intrinsic protein ( ) 44.transpiration-cohesion-tension theory ( )20.apoplast pathway ( ) 45.critical period of water ( )21.transmembrane pathway ( ) 46.sprinkling irrigation ( )22.symplast pathway ( ) 47.drip irrigation ( )23.cellular pathway ( ) 48. diffusion ( )24.casparian strip ( ) 49. mass flow ( )25.root pressure ( ) ( )二、中译英(Translate)1．水分代谢2．胶体系统3．束缚能4．自由能5．化学能6．水势7．半透膜8．渗透作用9．质壁分离10．质壁分离复原11．渗透势12．压力势13．衬质势14．溶质势15．水势梯度16．吸涨作用17．水孔蛋白18．液泡膜内在蛋白19．质膜内在蛋白20．质外体途径21．跨膜途径22．共质体途径23．细胞途径24．凯氏带25．根压26．伤流27．吐水28．蒸腾拉力29．蒸腾作用30．皮孔蒸腾31．角质蒸腾32．气孔蒸腾33．气孔运动34．淀粉-糖转化学说35．无机离子吸收学说36．苹果酸生成学说37．光活化H+泵ATP酶38．气孔频度39．蒸腾速率40．蒸腾比率41．蒸腾系数42．内聚力43．内聚力学说44．蒸腾-内聚力-张力学说45．水分临界期46．喷灌技术47．滴灌技术48．植物的水分生理、三、名词解释(Explain the glossary)1．半透膜2．衬质势3．压力势4．水势5．渗透势6．自由水7．束缚水8．质外体途径9．渗透作用10．根压11．共质体途径12．吸涨作用13．跨膜途径14．水的偏摩尔体积15．化学势16．内聚力学说17．皮孔蒸腾18．气孔蒸腾19．气孔频度20．水分代谢21．蒸腾拉力22．蒸腾作用23．蒸腾速率24．蒸腾系数25．水分临界期26. 水分子内聚力27．水孔蛋白28．吐水29．伤流30．生理干旱31．萎蔫32．质壁分离33．质壁分离复原34．喷灌技术35．滴灌技术36．Osmosis37. plasmolysis38. water potential39. pressure potential40. gravity potential41. free energy42. solute potential43. transpiration ratio四、是非题（True or False）( ) 1．当细胞内的ψw等于0时，该细胞的吸水能力很强。