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1、植物生理学进展专题,生命科技学院 杜金友,内 容,21世纪植物生理学面临的挑战与机遇 植物逆境生理及基因工程,21世纪植物生理学面临的挑战与机遇,一 、 植物生理学在其发展过程中曾经创造过、并且正在创造着辉煌的业绩,在植物生理学尚未形成独立的科学体系之前，荷兰的海尔蒙（J.B.van Helmont）、英国的普里斯特利（J.Priestley）、荷兰的英根浩兹（Jan Ingenhousz）等人所做的科学实验，证明了二氧化碳和水对植物生长发育的重要性，确立了空气营养学说。,Dr Jean-Baptiste Van Helmont (1577-1644),Joseph Priestley (17
2、33-1804),Jan Ingenhousz (1730-1799),Experiments Upon Vegetables, Discovering Their Great Power of Purifying the Common Air in Sunshine, and of Injuring It in the Shade and at Night. -1779,植物生理学作为一门完整的学科,以萨克斯（Sachs）和他的学生费弗尔（Pfeffer）的两部植物生理学专著的问世为标志，从她的母体植物学中脱胎而出，已经走过了一个世纪的历程。,萨克斯，J.von Julius von Sac
3、hs (18321897) 植物生理学讲义（J. Sachs, 1882）,费弗尔（W. Pfeffer） 植物生理学（W. Pfeffer，1897），,在20世纪4050年代之前，植物生理学对植物体内的代谢过程知之甚少。 50年代之后，得益于生物化学和生物物理学的发展，对植物代谢过程的了解迅速增加，使植物生理学的面貌大为改观。,1939 Hill, Hill reaction 1953, Calvin, Calvin cycle (1961 Nobel prize) 1961, Michell, chemiosmotic theory(1978 Nobel prize) 1965, Woo
4、dward, artificial synthesis of chlorophyll (Nobel prize) 1988, Deisenhofer, Huber and Michle, determination of 3D structure of photosynthetic reaction center(Nobel Prize) 1997, Boyer,Walker and Skou, conformation theory of ATP synthesis in chloroplasts and mitochondria (Nobel Prize),自20世纪80年代之后，由于分子
5、生物学的飞速发展，植物生理学正在经历一场新的革命。人们对植物生命活动本质的认识又从生化反应的水平向代谢过程和性状控制的原初原因基因表达与调控的探索前进了一大步 。,从实践的角度来看，植物生理学从诞生之日起就与农业生产结下了不解之缘。著名的德国科学家李比希发展了作物的矿质营养理论，俄国植物生理学家季米里亚捷夫早在20世纪初就作出了“植物生理学是合理农业的基础”这一科学论断。,Justus von Liebig (1803-1873),Organic Chemistry in its Application to Agriculture and Physiology.,Development of
6、 the mineral nutrient theory of plant nutrition., （18431920）,“植物生理学是合理农业的基础”,植物矿质营养学说的创立为无机肥料的施用奠定了理论基础； 植物激素的陆续发现导致了植物生长调节剂和除草剂的普遍应用； 在光合作用与产量关系的理论指导下，开创了农业“绿色革命”的新纪元 ； 植物细胞全能性理论的确认，不但开创了组织培养、细胞及原生质体培养等高效快速的植物无性繁殖新技术，而且为植物基因工程的开展和新种质的创造提供了先决条件。,二、 植物生理学正面临新的挑战,21世纪植物生理学面临的挑战与机遇,自进入20世纪80年代以来，植物生理学的
7、发展出现了新的趋势。最显著的特点是分子生物学异军突起，以其强大的生命力迅速渗透到生命科学的各个领域，而植物生理学则是首当其冲。,这种趋势主要反映在以下几方面： 1、植物生理学研究工作者纷纷从传统的植物生理学研究领域转向分子生物学领域； 2、国际和国内的权威性植物生理学刊物纷纷改名。,植物生理学报 1964年创刊 2002年改为植物生理与分子生物学学报,3、创办了一批主要刊登植物分子生物学的刊物，如： Plant Molecular Biology（1986年创刊）；（2003年影响因子为3.795） The Plant Cell（1989年创刊）,4、高等学校的专业、学科和课程设置发生了变化:
8、 撤消植物生理学本科专业； 植物生理学硕士、博士学位点合并到植物学专业中； 部分综合性大学不再开设植物生理学课程，代之以“植物生物学”。,5、一些国家的植物生理学会已经或正在酝酿改名 美国植物生理学会（ASPP）已改名为美国植物生物学学会（ASPB）； 中国植物生理学会也讨论过改名的问题，但面临一些阻力。 中国植物生理与分子生物学学会,植物生理学专题讲座-纪念罗宗洛教授 作者 植物生理学通讯编辑部 植物生理与分子生物学,面对这种形势，学术界担心植物生理学是否正在老化甚至走向衰亡？植物生理学是否会被分子生物学所取代？ “植物生理学往何处去”的问题成为20世纪80年代以来历次植物生理学会全国会议上
9、讨论的热门话题。,我们认为:植物生理学作为一门独立的学科，有她特殊的研究领域和范畴，分子生物学的研究成就，只能使植物生理学对植物生命现象的认识更加深入，使人们对生命现象的认识达到了一个新的境界。但分子生物学不可能代替植物生理学，因为，一个基因或一个生物化学过程，毕竟不是也不可能成为一个植物个体。,植物生理学的特点和优势之一就是要从整体上把握植物生命活动的规律，这一点是分子生物学所无法取代的。 另一方面，植物生理学的研究成就还与生态学相结合，为从宏观上解决农业生产中的重大问题提供理论基础。,当前，粮食、资源、环境3大问题已成为阻碍经济和社会发展的重大制约因素，其中每一个问题都同植物生理学息息相关
10、。解决这3大问题的客观要求向植物生理学提出了一系列迫切需要解决的研究课题，为植物生理学的发展注入了强大的生命力，因此，进行作物生理学的研究，成为植物生理学发展的另一个良好的机遇。,加强作物生理学研究，为农业高产、优质、高效作出更大贡献,（一）作物产量形成与高产理论 1、光合作用与作物生产力,2、“绿色革命”的成效 国际水稻研究所(IRRI)的第一个矮化品种IR8于1967年育成。 中国的水稻育种第一次突破是60年代初矮化育种的成功，1956年选育“矮脚南特”、1959年育成“广场矮”，将水稻产量提高了2030；时间比（IRRI）的IR8早十年。,3、“第二次绿色革命”方兴未艾 核心问题是： 单
11、叶光合速率的提高是否有助于作物的进一步高产？ 单叶光合速率的提高有无潜力？,4、产量形成的两大漏洞和植物生理学的机遇 光合午休 产量形成期叶片光合功能的过早衰退,中国的水稻育种第一次突破是60年代初矮化育种的成功，将水稻产量提高了2030； 第二次是70年代中期杂交水稻的研究成功，水稻产量又在矮秆良种的基础上增长了20左右。 现在正在酝酿第三次突破，利用水稻亚种间杂种优势培育超级杂交稻。,袁隆平把杂种优势的利用与水稻理想株型结合起来,提出了超级杂交稻的形态模式: 叶片呈长、直、窄、凹、厚;株高100 cm 左右,秆高70 cm 左右;株型适度紧凑,分蘖中等, 冠层只见叶片,灌浆后不见稻穗。在这
12、一技术路线的指导下,已成功地选育出符合超级杂交稻理想株型的强优组合如培矮64S/ E32、两优培九及徐选S 系列组合等。 能适应广幅光强，抗光氧化能力强，后期衰老较慢。,（二）环境恶化与作物抗逆性 在全世界人口持续增长的压力下，日益恶化的环境成为农业生产甚至人类基本生活条件的巨大威胁。与世界发达国家相比，我国的环境形势更加严峻。 但是，另一方面，这种形势也给植物生理学与农业生产相结合的研究开辟了广阔的天地。,国土资源部： 截至二00五年十月三十一日，全国耕地面积18.31亿亩，人均耕地1.4亩。 “十五”期间,全国耕地面积共净减少9240万亩。 “十五”时期全国土地减少的主要原因： 1、建设占
13、用相当数量的耕地。全国城乡新增建设用地3285万亩，建设占用耕地1641万亩。 2、生态退耕数量大，是耕地面积减少较多的主要因素。生态退耕减少耕地8065万亩。 “十五”初期，特别是二00二和二00三年，不少地区出现了盲目投资、低水平重复建设和圈占土地、乱占耕地的势头。,国家林业局： 我国森林覆盖率为18.21%，仅相当于世界平均水平的61.52%，居世界第130位；人均森林面积0.132公顷，不到世界平均水平的1/4，居世界第134位；我国人工林保存面积达到7.95亿亩，居世界首位。 我国森林资源分布不均：东部地区森林覆盖率为34.27%，中部地区为27.12%，西部地区12.54%，而占国
14、土面积32.19%的西北5省区森林覆盖率只有5.86%。 根据国际环保组织-绿色和平组织的全球森林地图，目前中国未受侵扰的森林仅占国土森林面积的2%。,我国目前盐碱地面积达9913万公顷，农业耕地因盐渍化引起的减产、弃耕地就近5亿亩，本已十分紧张的农业耕地因盐化、碱化引起的减产也日益严重，加之栽培过程中，长期过量施用化肥，导致土壤次生盐渍化加剧，板结严重，使盐碱化土壤不断扩大。,我国水资源总量为2.8万亿立方米，居世界第六位，人均占有量为2240立方米，约为世界人均的1/4，在世界银行连续统计的153个国家中居第88位。 按照国际公认的标准，人均水资源低于3000立方米为轻度缺水；人均水资源低
15、于2000立方米为中度缺水；人均水资源低于1000立方米为重度缺水；人均水资源低于500立方米为极度缺水。我国目前有16个省(区、市)人均水资源量(不包括过境水)低于严重缺水线，有6个省、区(宁夏、河北、山东、河南、山西、江苏)人均水资源量低于500立方米。,（三）保护地栽培条件下的作物生理学 “白色革命” 带来一系列新的问题 ： 光照不足； CO2不足；低温危害； 土壤营养状况严重失衡，NO3离子大量积累； 病源物滋生。 这些问题都与植物生理学密切相关。,（四）植物生理学与育种学相结合作物生理、生态与分子育种 高产育种 抗性育种 品质育种 采后控制,植物的逆境生理及基因工程,第一节 抗性生理
16、通论,逆境：对植物生长与生存不利的环境因子。 逆境来源:严峻气候;地理位置及海拔高度;生物因素;人类的经济活动; 逆境生理研究的内容: 逆境对植物的影响; 植物在逆境下的生理生化变化;获得抗逆性的途径。 胁迫：不良环境因子使植物内部产生有害变化的过程。 胁变：植物受到胁迫后而产生的代谢及形态变化。 弹性胁变程度轻，能复原。 塑性胁变程度重，不能复原。,抗逆性(抗性): 植物对逆境的抵抗或忍耐能力,抗逆方式： （1）避逆性：植物与逆境之间在时间上或空间上设置某种障碍,以避免逆境危害的遗传特征. 特点:以一定的形态结构为抗逆基础（仙人掌）. （2）耐逆性：植物在逆境的刺激下,通过调整本身的代谢反应阻止、降低或修复由逆境造成的损伤，以保持正常的生理活动。 评价:避逆性比耐逆性更进化;但耐逆性的研究更有实际意义. 抗性锻炼：植物对逆境逐渐产生适应性的过程。,一、逆境胁迫下植物的
