《植物生理学整理.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《植物生理学整理.doc（24页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、高级植物生理学第一讲、植物生理学发展动向及前沿简介一、研究内容及结构体系（1）代谢（2）生长发育（3）感应性与整体性从分子-细胞-组织-器官-个体-群体-生态系统不同层次研究植物生命活动规律关系：课程内；课程间是微观的分子生物学与宏观的生态学之间的桥梁二、发展动向及前沿1、从研究生物大分子到阐明复杂的生命活动(组学，系统生物学）（1）微观研究不断深化（2）系统、动态、交叉、整（合）体（3）与生产实际的结合2、实现整体性的重要环节-信号传递（传导） 中心法则；植物对环境感应；(SA,JA;BRs,PA,Ca,NO,VOCs,糖)网络式特征3、生命活动基础-代谢及其调节光合作用机理（CO2倍增，低
2、碳）；固氮机理；水分循环与运输机理；植物次生代谢等(医药、农药、化感作用）。4、植物与环境生理生态学与生态生理学：植物生理学与生态学的交叉。生物因子；非生物因子生理生态学发展动向：从生理机制上探讨植物与环境的关系、物质代谢和能量传递规律以及植物对不同环境条件的适应性。60年代：国际地圈与生物圈计划()启动；70年启动国际生物圈计划()的计划,后来该计划发展成为“人与生物圈计划”()。80年代：群落结构与功能的研究；90年代以来，发展迅速：（1）生态环境问题l 全球气候变化；l 环境污染；l 生态系统退化l 生物多样性丧失；l 粮食问题等（2）仪器及技术的更新我国生态学问题：人类活动引起的退化生
3、态系统的恢复；湿地恢复；青藏高原的特殊生境；全球变化下的中国陆地生态系统响应；植物对环境污染的修复作用等。低碳。植物生理信息无损检测技术：l 光谱分析技术（紫外；可见；红外 发射；吸收；反射）例：叶片的光谱反射率随叶片含水量的下降而增加；1450nm和1930nm波段的反射率与叶片的相对含水量显著相关。l 图像处理技术例：利用图像分割方法提取植物的形态特征，判断作物的生长健康状况、缺素情况等。对作物的根系利用图像处理的方法进行识别，从而判断播种的成活率。l 植物电信号分析技术植物电信号:能够记录到的植物细胞或组织电位发生波动以及相应的电流、电阻、电容等信号。破译植物电信号特征对于深入解读植物生
4、命信息，为构建植物电信号自适应智能化控制系统，实现“节能减排”式农作物、蔬菜等的工厂化生产智能化自动控制研究奠定基础。l 非损伤微测技术是一种选择性微电极技术,可以不损伤样品而获得进出样品的离子和分子信息,具有非损伤性,长时间、多电极、多角度测量等优势。该技术不仅能够测量离子及分子静止状态下的绝对浓度，而且还可以测量它们进出生物样品的运动速率及运动方向。在代谢、生长发育、信号转导、抗逆生理中广泛应用。5、植物发育机理成花机理：花色表现机理；激素作用机理；木材形成机理；衰老（细胞程序性死亡PCD）等。三、蛋白质组学概述l 蛋白质组学-功能基因组学的核心内容随着人类基因组草图2001年的正式发表和
5、2003年4月的最终完成,科学家们又进一步提出了后基因组计划,蛋白质组(Proteome)研究便是其中一个很重要的内容。蛋白质组学(Proteomics)也正是作为功能基因组学的重要支柱在20世纪90年代应运而生,并已成为新世纪生命科学研究的前沿和热门领域。最早是由澳大利亚学者Wilkins和Williams于1994年提出的,并首次于1995年7月在“Electrophoresis”上发表。蛋白质组：即细胞或组织或机体或基因组表达的所有蛋白质。蛋白质组学是研究蛋白质或应用大规模蛋白质分离和识别技术研究蛋白质组的一门学科,主要分为3个领域:(1) 对蛋白质的大规模识别和翻译后加工修饰的细微特征
6、分析；(2) 蛋白质表达谱及差异分析；(3) 蛋白质之间的相互作用。“小鼠与蒙娜丽莎在基因组上的差别只有1，而它与她之间差别的本质在于蛋白质组的千差万别。蛋白质组造就了生命的纷繁多姿。”（国际人类肝脏蛋白质组计划负责人、中国人类蛋白质组组织主席、中科院院士贺福初语）基因组图只有一张，但是蛋白质组图却是每个器官就有一张 。基因组核苷酸序列的测定是一种“有限”的工作，而对蛋白质组蛋白质种类的确定则是一种“无限”的工作。l 蛋白质组学的特点与难点同一性与多样性、有限与无限、静态与动态、时间与空间、孤立行为与相互作用、单一手段与多种技术、互助与互补l 蛋白质组研究技术分离技术：基于凝胶的技术平台（双向
7、电泳）；基于色谱的技术平台（多维色谱）鉴定技术：质谱（核心）；蛋白质芯片；噬菌体显示技术；大规模双杂交技术等分析技术：生物信息学。数据的加工、储存、检索、分析等。双向电泳、生物质谱和生物信息学被称为蛋白质组学研究的三大核心技术。l 蛋白质组研究技术（2D-MS）样品制备蛋白质定量双向凝胶电泳染色：考染；银染；荧光染色图象采集与图谱分析切点、酶解质谱分析数据库检索与鉴定 1 样品制备植物样品处理的困难：细胞壁的韧性；次生代谢物使蛋白质沉淀；大量的盐、有机酸、色素干扰IEF；膜蛋白、强疏水性蛋白、极端PI蛋白、低丰度蛋白；蛋白酶的降解作用等。 2 非凝胶技术（1）色-质联用（多维色谱与质谱）离子交
8、换色谱（电荷）-反相液相色谱（疏水性）体积排阻色谱（分子大小）-反相液相色谱反相液相色谱-反相液相色谱亲和（特异亲和如免疫）液相色谱-反相液相色谱离子交换-亲和-反相液相（2）毛细管电泳色谱-质谱（3）蛋白质芯片（4）酵母双杂交技术（5）噬菌体展示技术等 3 蛋白质芯片技术蛋白质芯片技术可诠释为离体的“高通量的微量蛋白质识别技术”。实现的基础是探针分子的大规模集成和探针分子与样品中靶蛋白分子的特异性结合。探针可以是抗原、抗体，受体、酶、核酸、糖等。蛋白质芯片根据相互作用原理可分为抗原-抗体芯片，受体-配体芯片,酶-底物芯片和蛋白质-核酸芯片等。检测芯片根据方法可分为正向和反向芯片。 4 酵母双
9、杂交技术，用于蛋白质相互作用分析。用于蛋白质相互作用分析。其原理是当靶蛋白和诱饵蛋白特异结合后,诱饵蛋白结合于报道基因的启动子,启动报道基因在酵母细胞内的表达,如果检测到报道基因的表达产物,则说明两者之间有相互作用,反之则两者之间没有相互。 5 噬菌体展示技术噬菌体展示技术是一种将外源肽或蛋白质与特定噬菌体衣壳蛋白融合并展示于噬菌体表面的技术。例：在编码噬菌体外壳蛋白基因上连接一单克隆抗体的DNA序列，当噬菌体生长时,表面就表达出相应的单抗，再将噬菌体过柱,柱上若含目的蛋白(抗原)，就会与相应抗体特异性结合。 6 蛋白质质谱分析质谱技术的基本原理是样品离子化后，根据不同离子间的质荷比(/)的差
10、异来分离和确定分子量。根据离子化源的不同,主要可以分为电喷雾(ESI)质谱和基质辅助激光解析(MALDI)质谱两大类。l 蛋白质组生物信息学 生物信息学是指生物学与计算机科学以及应用数学等学科相互交叉而形成的一门新学科。可用于寻找蛋白质家族保守序列和对蛋白质高级结构进行预测。蛋白质组数据库是蛋白质组研究水平的标志和基础,瑞士的SWISS PROT拥有目前世界最大、种类最多的蛋白质数据库。蛋白质分离与质谱鉴定技术路线图l 蛋白质组学应用：免疫学；疾病诊断（肿瘤）；遗传（多样性；作图）；药物开发；植物生理（发育；抗性；信号传递）等l 林木蛋白质组学 林木的特点（生长周期长,高度杂合,基因组较大,遗
11、传转化困难等）严重限制其基因组和蛋白质组学的发展,起步较迟,进展较慢。问题：稳定性；重复性；分辨率；高费用四、代谢组学概述代谢组：指的是“一个细胞、组织或器官中，所有代谢组分的集合，尤其指小分子（Mr1 000） 物质”。代谢组学：则是一门“在新陈代谢的动态进程中，系统研究代谢产物的变化规律，揭示机体生命活动代谢本质”的科学。与转录组学、蛋白质组学相比，具有以下优点：( 1 ) 基因和蛋白表达的微小变化会在代谢物水平得到放大;( 2 ) 不需进行全基因组测序；( 3 ) 代谢物的种类远少于基因和蛋白的数目;( 4 ) 研究对象为基因表达的终产物（现实性）。代谢组学研究过程包括：样品制备、代谢产
12、物分离、检测与鉴定以及数据分析与模型建立三个部分。应用：代谢生理（次生代谢，基因功能,抗性生理等）；药物开发（药靶，新药）；毒理学（药物副作用）；疾病诊断等 第二讲 光合作用热点： (1)放O2机理。 (2)光合作用运转及调节。 (3)光抑制。 (4)叶绿素荧光及其应用。 (5)对光、CO2响应模型及机制。第一节 叶绿体l 一、结构与成分被膜： 外膜；内膜间质：(含可溶性蛋白质，酶类，DNA，RNA核糖体等)类囊体(基粒)：基粒片层；间质片层l 二、化学组成【1】叶绿体色素 种类及光化学特性 叶绿素 叶绿素a，兰绿色 叶绿素b，黄绿色 类胡萝卜素 胡萝卜素(、)橙黄色 叶黄素 黄色 藻胆素 藻
13、红蛋白 (仅存在于红藻、蓝藻中) 藻蓝蛋白思考：为何阴生植物叶绿素b/a比值高？为何b/a可作为植物耐阴性指标？b喜吸收林下光，a喜直射光；b更喜欢蓝紫光，a喜红光。为何定量叶绿素时用红光区吸收波长？叶绿素分子在蓝紫光区时有类胡萝卜素干扰 计算叶绿素时用以下公式：Ca=13.95A663-6.88A645Cb=24.96A645-7.32A663Ct=(A652/34.5)V/G【2】核酸:叶绿体基因组（120多个基因）1.与光合作用有关基因：光系统作用中心A1,A2蛋白；光系统D1,D2蛋白；细胞色素Cytb6/f复合物；ATP合酶;Rubisco大亚基等。2.叶绿体基因表达所需基因：rRN
14、A,tRNA,RNA聚合酶,DNA聚合酶,等。3.其他基因：如，NADH脱氢酶的各个亚基【3】蛋白质1.色素(脂,核酸)蛋白复合体2.电子载体3.酶4.转运体（膜蛋白分布不均衡）类囊体膜上的蛋白复合体：类囊体膜上含有由多种亚基、多种成分组成的蛋白复合体，主要有四类，即光系统（PSI）、光系统（PS）、Cytb/f复合体和ATP酶复合体（ATPase）。蛋白复合体在类囊体膜上的分布特点 PS:主要基粒片层的堆叠区 PS与ATPase:非堆叠区 Cytb6/f复合体分布较均匀。意义：利于电子传递、H+的转移和ATP合成叶绿体蛋白质形成特点1.大部分多肽由核基因编码,质中合成,运入叶绿体后被加工。2.叶绿体基因组编码的多肽仅在叶绿体起作用。3.光对蛋白质的合成积累具有调节作用。【4】脂类：膜脂：1.糖脂（单（双）半乳糖基甘油二酯MGDG(DGDG)）2.磷脂 类囊体(膜)脂特点:1.糖脂含量高,而磷脂相对少。2.不饱和脂肪酸含量高,尤其亚麻酸,使膜富于流动性。3.非双层结构,具不对称性。意义：有利于光反应进行，参与光合反应。l 三、功能（不仅仅合成碳水化合物）1.光合作用全过程2.其他：A、被固定碳的储存,转运；B、亚硝酸盐硫酸盐的还原,蛋白质氨基酸的合成；C、DNA,RNA的合成；D、脂类,萜类,酚类的合成. l 四、光合单位位于类囊体膜上能进行完整光反应的最小结构单位。包括
