《高等植物生理学》课件

高等植物生理学概述探索植物生命的奥秘理解植物如何感知环境并作出反应课程内容与学习目标掌握基本概念了解植物生理学关键理论与原理实验技能培养熟悉植物生理学实验方法与技术应用能力提升学会将理论知识应用于解决实际问题科研思维训练植物生理学的发展历史早期探索阶段1世纪，初步观察植物生长现象17-18经典研究时期2世纪，萨克斯建立系统的植物生理学19分子生物学革命3世纪中期，分子生物学方法应用于植物研究20现代整合阶段4基因组学、蛋白质组学等新技术深化研究植物细胞的结构与功能细胞壁提供支撑保护质膜系统物质交换与信号传导细胞器执行特定代谢功能细胞核遗传信息储存与表达细胞壁的组成和功能纤维素微纤丝半纤维素提供结构支撑与机械强度连接纤维素微纤丝形成网络木质素果胶增强细胞壁强度与防水性细胞间粘合作用细胞膜的结构和特性脂质双分子层形成基本屏障膜蛋白执行特定功能糖脂和糖蛋白细胞识别与通讯流动性确保膜功能正常细胞器及其功能叶绿体线粒体液泡高尔基体光合作用场所细胞呼吸与能量生产储存物质与维持膨压蛋白质加工与运输植物的水分生理吸水根系吸收土壤水分运输木质部导管输送水分蒸腾叶片气孔水分散失水在植物生命活动中的作用生长发育细胞伸长与组织形成温度调节蒸腾降温作用物质运输溶解和运输各种物质生化反应参与各种代谢过程植物细胞的水势植物的吸水作用被动吸水主动吸水影响因素蒸腾拉力驱动根压驱动多种环境和生理因素•取决于蒸腾速率•消耗能量•土壤水分状况•水分沿水势梯度移动•在蒸腾弱时起主要作用•根系发育程度•温度变化植物的蒸腾作用90%200:1水分流失比例水转化比植物吸收水分中蒸腾散失的比例产生1克干物质需蒸腾水量个40010-12%气孔密度效率提升每平方毫米叶表面气孔数量气孔调节可提高水分利用效率水分平衡与调节水分状况植物反应调节机制轻度缺水气孔关闭脱落酸信号中度缺水叶片卷曲组织弹性变化严重缺水叶片脱落乙烯诱导水分过量气孔开放水通道蛋白活性增加植物的矿质营养微量元素必需元素需求量小于干重缺乏会导致生长异常

0.01%大量元素有益元素需求量大于干重促进特定种类生长

0.1%必需元素与有益元素必需元素有益元素植物生长必不可少对特定植物有促进作用•碳、氢、氧•硅增强禾本科抗性•氮、磷、钾、钙•钠C4植物碳代谢•镁、硫•钴豆科固氮作用•铁、锰、锌、铜•硒抗氧化保护•氯、硼、钼、镍大量元素的生理功能氮元素蛋白质、核酸和叶绿素的组成磷元素核酸、和磷脂的重要组分ATP钾元素酶活性调节和气孔开闭钙元素细胞壁结构和信号传导微量元素的生理功能根系吸收矿质元素的机制根际吸附离子吸附到根表面被动吸收浓度梯度驱动的扩散主动吸收消耗能量逆浓度梯度运输离子交换根系分泌交换营养离子H+植物的光合作用光能捕获叶绿素吸收光能能量转换光能转化为化学能碳同化固定合成有机物CO2光合作用的基本过程光能吸收水分解叶绿素捕获光子能量光解水释放氧气固定合成CO2ATP合成碳水化合物形成化学能与还原力光反应光系统II1光解水，释放氧气电子传递链2电子从水传递到NADP+质子梯度3形成跨类囊体膜质子梯度合成ATP4合成酶利用质子梯度合成ATP ATP暗反应（卡尔文循环）再生阶段还原阶段重新生成完成循环RuBP碳固定消耗与形成ATP NADPHG3P催化与结合RuBisCO CO2RuBP光合作用C4解剖特点具有花环状叶肉细胞排列初级固碳羧化酶在叶肉细胞中固定PEP CO2碳转运酸运输到维管束鞘细胞C4二次固碳在维管束鞘细胞中进行卡尔文循环光合作用CAM夜间碳固定白天碳同化生态适应性夜间气孔开放白天气孔关闭适应干旱环境羧化酶固定释放进行卡尔文循环提高水分利用效率PEP CO2CO2产生有机酸储存在液泡减少水分蒸发损失典型植物仙人掌、景天环境因素对光合作用的影响提高光合效率的措施基因改良光照管理温度调控优化关键酶的活性优化光质光量与光维持最适温度范围与特性周期水肥管理确保充足养分与水分供应植物的呼吸作用能量释放氧化有机物释放能量代谢整合与其他代谢过程紧密联系物质循环提供碳骨架用于生物合成呼吸作用的基本过程糖酵解三羧酸循环电子传递链胞质中葡萄糖分解为丙酮酸线粒体中丙酮酸完全氧化氧化还原反应产生大量ATP糖酵解个1葡萄糖每分子葡萄糖投入个2丙酮酸糖酵解产生丙酮酸分子个2ATP净产生ATP分子个2NADH生成还原型辅酶分子三羧酸循环乙酰辅酶形成柠檬酸合成A1丙酮酸脱羧生成乙酰乙酰与草酰乙酸结合CoA CoA2草酰乙酸再生脱羧氧化反应4完成循环并准备新一轮反应3脱去并产生还原力CO2电子传递链与氧化磷酸化复合体复合体复合体合成酶I IIIIV ATP脱氢酶复合体细胞色素复合体细胞色素氧化酶利用质子梯度NADH bc1氧化接收来自辅酶的电子将电子转移给最终受体催化与结合NADH QO2ADP Pi泵送质子到膜间隙继续泵送质子形成合成H2O ATP呼吸商与呼吸率呼吸底物呼吸商特点RQ碳水化合物完全氧化产物为

1.0和CO2H2O脂肪需要更多完成氧

0.7O2化蛋白质含氮废物影响值

0.8-

0.9RQ有机酸以上底物本身含氧量高

1.0环境因素对呼吸作用的影响同化物的运输与分配输导组织库器官韧皮部负责有机物远距离运输同化物的利用与储存部位源器官分配调控光合产物的产生部位源库关系决定分配格局光合产物的输出与运输三磷酸合成叶绿体中产生糖蔗糖合成细胞质中转化为蔗糖韧皮部装载蔗糖主动装载入筛管长距离运输筛管中压力流机制传输韧皮部运输的机制压力流假说装载方式源端装载形成高浓度共质体途径通过胞间连丝库端卸载维持浓度梯度离质体途径通过膜转运蛋白水分被动跟随形成压力流两种途径协同作用卸载过程共质体卸载通过胞间连丝离质体卸载通过膜蛋白酶促转化维持浓度梯度同化物的分配与利用生长发育新组织形成与细胞扩大能量代谢呼吸作用产生能量储存利用淀粉、蔗糖等储存形式植物生长物质赤霉素生长素2促进茎伸长与种子萌发调控细胞伸长1细胞分裂素3促进细胞分裂乙烯5脱落酸果实成熟与器官脱落4种子休眠与逆境适应生长素向性反应根系发育细胞伸长不均匀分布导致向光性低浓度促进侧根形成促进细胞壁松弛与伸展赤霉素促进茎伸长刺激节间伸长生长种子萌发激活淀粉酶基因表达α-果实发育增加果实大小与产量打破休眠克服种子与芽的休眠状态细胞分裂素合成与运输主要生理功能作用机制主要在根尖合成促进细胞分裂激活细胞周期蛋白通过木质部向上运输打破顶端优势调控细胞周期转换可在叶片局部产生延缓叶片衰老影响基因表达模式促进侧芽萌发脱落酸种子休眠气孔关闭抗逆响应生长抑制诱导与维持休眠状态调节保卫细胞离子通诱导抗逆基因表达抑制茎伸长与芽萌发道乙烯其他植物激素及其相互作用激素类型发现时间主要功能油菜素内酯年促进细胞分裂与分1979化茉莉酸年诱导防御反应1962水杨酸年系统获得性抗性1979独脚金内酯年抑制分枝形成2008植物的生长与发育种子萌发营养生长休眠种子激活并萌发根茎叶快速生长发育2衰老与死亡生殖生长器官衰老与生命周期完成花芽分化与开花结果种子萌发吸水种子迅速吸水膨胀代谢活化酶活性恢复与呼吸增强胚胎生长胚根突破种皮幼苗建成胚芽发育形成真叶营养生长初生生长次生生长调控因素顶端分生组织活动维管形成层活动植物激素平衡根茎伸长木质部向内分裂环境因子影响叶片发育韧皮部向外分裂营养状况茎干增粗遗传背景开花与生殖花芽诱导内外因素诱导花芽分化花器官发育花器官特异性基因表达授粉过程花粉传递到柱头受精作用4精细胞与卵细胞融合果实发育与成熟果实膨大1细胞分裂与伸长物质积累2合成和储存糖分、有机酸成熟过程3色素变化与软化后熟过程4风味物质合成与质地变化植物的衰老内部因素基因表达变化激素平衡改变氧化损伤积累外部因素光照强度减弱温度变化养分缺乏衰老表现叶绿素降解蛋白质分解膜完整性下降物质再利用营养物质转运支持生殖生长提高繁殖成功率植物的光周期现象长日照植物日照时间超过临界值时开花短日照植物日照时间短于临界值时开花中性植物开花不受日照长短影响感光机制植物通过叶绿素和光敏色素感知光周期变化植物的春化作用春化需求春化机制春化记忆需要低温处理才能开花低温抑制开花抑制基因春化效应可稳定遗传典型植物冬小麦、双子叶越年生植染色质修饰与表观遗传调控细胞分裂后记忆仍保留物温度敏感期通常在种子萌发后高温不会完全消除春化效应植物的运动向性运动感应运动自发运动对单向刺激的定向生长反应对非定向刺激的快速反应内源性节律引起的周期性运动植物的逆境生理防御机制保护关键生理过程适应策略调整代谢与生长方式记忆与预适应逆境记忆提高抵抗能力干旱胁迫及植物的抗旱性避旱策略气孔关闭减少水分蒸发耐旱策略渗透调节维持细胞膨压保护系统抗氧化酶系统清除活性氧分子调控抗旱基因与信号转导激活盐碱胁迫及植物的耐盐性离子选择吸收离子区域化根系选择性吸收营养离子将隔离在液泡中Na+渗透调节离子排出合成适合溶质维持水势3通过盐腺排出多余盐分温度胁迫及植物的抗寒性膜系统保护改变膜脂组成增加流动性抗冻蛋白防止冰晶形成与生长渗透调节积累可溶性糖和脯氨酸低温驯化逐渐降温提高抗寒能力病虫害及植物的抗性机制病原识别识别病原相关分子模式信号转导活化防御反应信号通路局部反应过敏反应隔离病原体系统获得性抗性全株范围内抗性提高植物生理学在农业生产中的应用植物生长调节环境优化精准农业使用植物激素优化生长与产量调控光温等提高光合效率基于生理需求精确管理作物CO2总结与展望植物生理学的未来发展方向1000+基因功能等待阐明的关键生理调控基因数量30%产量提升优化光合作用潜在增产空间倍3资源效率提高水肥资源利用效率潜力年5-10技术转化基础研究转化为应用技术周期。