现代植物生理学研究技术与方法现代植物生理学研究技术与方法Research Techniques and Methods of Modern Plant Physiology 0909级植物学级植物学李宏富李宏富 主 要 内 容植物植物生理学的研究内容生理学的研究内容1.植植物生理学的物生理学的产生和生和发展展2.3.4. 5.植物生理学的研究方法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发展特点植物生理学的研究趋势植物生理学的研究趋势 一、植物生理学的研究内容一、植物生理学的研究内容v植物生理学植物生理学（（ Plant Physiology））是研究植物生命活动规律及其调节机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：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，就是高等植物狭义的说，就是高等植物v植物生理学的研究内容：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：生理学的主要内容主要有三个方面： （（1 1）物质代谢和能量转化）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，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、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。
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“矮生矮生型型”；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；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，发生不能展开，发生“小叶病小叶病” 绿色植物的自养性绿色植物的自养性（（autotropism)研究的主要内容研究的主要内容植物的光合作用植物的光合作用（（photosynthesis) 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 （（2 2）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））和和信号转导信号转导（（signal signal transductiontransduction））是植物生命活动的另一个重要方面。
植物虽不像动物那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，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 这些反应都是从这些反应都是从““感知感知””环境条件的物理或化学信号开始的在许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。
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遗传信息的表达过程 （（3 3）生长发育和形态建成）生长发育和形态建成 生长发育生长发育（（growth and developmentgrowth and development））是植物生命活动的外在表现，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，即列肉眼可见的形态变化，即形态建成形态建成(morphogenesis(morphogenesis）），包括从种子萌，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，所谓的，所谓“春华秋实春华秋实”，，“春发、夏长、秋收、冬藏春发、夏长、秋收、冬藏”等等，便是人类等等，便是人类对植物生长发育规律直观认识的写照。
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 描述性描述性比较性比较性实验性实验性 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··海尔蒙海尔蒙（（J.B.vanJ.B.van HelmontHelmont））做柳枝实验开始，直到做柳枝实验开始，直到1919世纪世纪4040年代德国化学家李比希（年代德国化学家李比希（J. von J. von LiebigLiebig））创立植创立植物矿质营养物矿质营养( (minerralminerral nutrient) nutrient)学说为止，共经历学说为止，共经历了了200200多年的时间多年的时间 为为 什什 么么？？ 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的建立年李比希矿质营养学说的建立到到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)和和他的学生费弗尔他的学生费弗尔(W. (W. PfefferPfeffer) )所著的两部植物生理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。
学专著问世为止，经过了约半个世纪的时间 萨克斯，萨克斯，J.von Julius von 费弗尔（费弗尔（W.Pfeffer）） Sachs (1832～～1897) 至至1919世纪末世纪末2020世纪初，萨克斯和费弗尔在全面世纪初，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，分别总结了植物生理学以往的研究成果的基础上，分别写成了写成了《《植物生理学讲义植物生理学讲义》》(J. Sachs, 1882)(J. Sachs, 1882)和三和三卷本的专著卷本的专著《《植物生理学植物生理学》》(W. Pfeffer,1897)(W. Pfeffer,1897), ,成成为影响达数十年之久的植物生理学经典著作和植物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，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、分化与壮大阶段第三阶段：植物生理学发展、分化与壮大阶段 2020世纪是科学技术突飞猛进的世纪，也是植物生理学快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。
速壮大发展的世纪2020世纪以来，特别是世纪以来，特别是5050年代以来，植物年代以来，植物生理学的研究在生理学的研究在微观、个体和宏观微观、个体和宏观三个层次上都发生了巨大三个层次上都发生了巨大的变化，获得了许多重大突破的变化，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、、能能量量转转换换、、离子吸收、信号转导等重要生理功能离子吸收、信号转导等重要生理功能 在空间跨度上，电子显微镜和在空间跨度上，电子显微镜和X-X-射线衍射技术的应用，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，进而深入到入到生物膜和生物大分子生物膜和生物大分子空间三维结构的水平，分辨率达空间三维结构的水平，分辨率达到到1010－－1010m(1/10nm)m(1/10nm)级，弄清了光合膜上许多功能性色素蛋级，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。
观世界 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，揭示了光合作用中示踪和纸上层析两种技术，揭示了光合作用中COCO2 2 同化的同化的历程历程, ,提出了著名的卡尔文循环，即提出了著名的卡尔文循环，即““光合碳循环光合碳循环””；；6060年代以后，又陆续发现了年代以后，又陆续发现了C C4 4类型、景天科酸代谢类型、景天科酸代谢(CAM)(CAM)和和光呼吸作用；光呼吸作用； 由于快速荧光光谱技术和激光技术的应用由于快速荧光光谱技术和激光技术的应用, ,将光合作用将光合作用原初反应研究的原初反应研究的时间跨度时间跨度从毫秒级从毫秒级(ms,10(ms,10-3-3s)s)一直缩短为一直缩短为皮秒皮秒(ps,10(ps,10-12-12s)s)和飞秒和飞秒(fs,10(fs,10-15-15s)s)级；级； 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 2固定的仪器装置固定的仪器装置 自自4040年代至年代至5050年代末相继发现了植物光周期现象和控制光周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期现象的色素蛋白复合体————光敏色素光敏色素( (phytochromephytochrome) )，，目前目前已知受光敏色素控制的生理过程不下几十种。
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、细胞和原生质体在生质体在离体培养离体培养条件下通过脱分化和再分化成长为新的植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““全能性全能性””，而且为植物细胞工程和基因工程的大力发展创造，而且为植物细胞工程和基因工程的大力发展创造了条件 关于关于植物生长物质植物生长物质的研究，从的研究，从30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种公种公认的植物激素和认的植物激素和10余种内源生长物质，植物激素余种内源生长物质，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高效液相色谱技术(HPLC)和酶联免疫技术和酶联免疫技术(ELISA)，后者的灵敏度可达到，后者的灵敏度可达到10－－12g 三、植物生理学的研究方法三、植物生理学的研究方法（一）植物生理学的研究原则（一）植物生理学的研究原则1 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．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。
化学过程之外的特殊生命过程2 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．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就没有功能，因此要将结构和功能统一起来研究3 3．微观与宏观的统一，要将分子．微观与宏观的统一，要将分子——细胞器细胞器——组织组织——器官器官——植物体植物体——群体各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（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，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 explantexplantcalluscallusnew plantnew plant植物组织培养植物组织培养 快速无性繁殖单个单个细胞细胞营养培养基营养培养基克隆植株克隆植株 Seed-less WatermelonBanana (3x=33) TetraploidOctoploidDiploidTriploidAutopolyploid TriploidAutopolyploidTetraploid v利用可表利用可表现绿现绿色色荧荧光蛋白光蛋白质质之植物研究之植物研究植物根植物根细胞细胞分化分化途径。
途径 1 1．试验结果观察测定．试验结果观察测定（（1 1）外观形态观察）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，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叶面积、株重、发育时期变化和开花结实情况2 2）解剖结构观察）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超微结构的变化3 3）观察生理过程强度的变化）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、如观察光合速率、呼吸速率、蒸腾速率、根系吸收活力、物质运输速率等根系吸收活力、物质运输速率等4 4）测定物质含量和酶活性变化）测定物质含量和酶活性变化 如糖、蛋白质、核酸、激素、叶绿素、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水分（水势）含量的变化和目标酶活性变化 2 2．试验处理．试验处理（（1 1）改变植物生长发育的环境条件）改变植物生长发育的环境条件 如温度、光、水、气、湿度，具体的如温度、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、含水量、O O2 2和和COCO2 2浓度、矿质元素的种类和含量。
浓度、矿质元素的种类和含量2 2）通过调节某个生理过程的强度）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：用常用的方法有： ① ① 施用激素类物质施用激素类物质，包括生长促进剂和生长抑制剂施用激素类物，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因为促进剂或抑制剂的专一性不够② ② 外源加入某种物质外源加入某种物质，这种方法的应用范围有限，因为有许多物质，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③ ③ 转基因转基因：这是研究某种物质、某种酶在植物代谢和发育过程中作：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，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，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，可采取反义可采取反义RNARNA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，将胞分裂素在研究乙烯的生理作用时，将ACCACC合成酶反义合成酶反义RNARNA基因基因导入植物，抑制乙烯的生物合成乙烯是由蛋氨酸经导入植物，抑制乙烯的生物合成乙烯是由蛋氨酸经ACCACC（（1-1-氨基氨基酸丙烷酸丙烷——羧酸）合成的其中羧酸）合成的其中ACCACC合成酶是乙烯合成过程中的限速合成酶是乙烯合成过程中的限速酶 ACCACC合成酶反义合成酶反义RNARNA基因，该基因的表现产物是基因，该基因的表现产物是ACCACC合成酶的合成酶的反义反义mRNAmRNA，该反义，该反义mRNA mRNA 或抑制或抑制ACCACC合成酶的基因转录，或使合成酶的基因转录，或使mRNAmRNA失活。
失活 v蝴蝶蝴蝶兰兰之抗之抗细菌细菌基因，藉以基因，藉以转入转入植物植物达达成生成生产产抗病蝴蝶抗病蝴蝶兰兰植株植株 四、植物生理学的发展特点四、植物生理学的发展特点 v1.1.研究层次越来越广研究层次越来越广 微观：分子水平；宏观：个体到群体、群落水平微观：分子水平；宏观：个体到群体、群落水平v2.2.学科间的相互渗透学科间的相互渗透 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v3.3.理论联系实际理论联系实际 理论产生于实践，又为生产实践服务理论产生于实践，又为生产实践服务v4.4.研究手段现代化研究手段现代化 高度自动化的精密仪器高度自动化的精密仪器 五、植物生理学的研究趋势五、植物生理学的研究趋势uu与其他学科交叉渗透，从研究生物大分子到阐明个体生与其他学科交叉渗透，从研究生物大分子到阐明个体生与其他学科交叉渗透，从研究生物大分子到阐明个体生与其他学科交叉渗透，从研究生物大分子到阐明个体生命活动功能、生产应用与环境生态相结合命活动功能、生产应用与环境生态相结合命活动功能、生产应用与环境生态相结合。
命活动功能、生产应用与环境生态相结合 uu对植物信号传递和转导的深入研究，将为揭示植物生理对植物信号传递和转导的深入研究，将为揭示植物生理对植物信号传递和转导的深入研究，将为揭示植物生理对植物信号传递和转导的深入研究，将为揭示植物生理学本质、调控植物生长发育开辟新的途径学本质、调控植物生长发育开辟新的途径学本质、调控植物生长发育开辟新的途径学本质、调控植物生长发育开辟新的途径 uu植物生命活动过程中，物质代谢和能量转换的分子机制植物生命活动过程中，物质代谢和能量转换的分子机制植物生命活动过程中，物质代谢和能量转换的分子机制植物生命活动过程中，物质代谢和能量转换的分子机制及其基因表达将是研究的重点及其基因表达将是研究的重点及其基因表达将是研究的重点及其基因表达将是研究的重点。