植物生物学与农学 课件

植物生物学与农学本课程由北京师范大学与中国农业大学联合开发，整合了植物生物学基础理论与现代农学实践应用通过48学时的系统学习，学生将深入理解植物科学的核心原理，掌握现代农业技术的理论基础课程设计充分体现了植物科学与现代农业技术的有机结合，旨在培养既具备扎实理论基础又具备实践应用能力的复合型人才学习内容涵盖从细胞分子水平到整体生态系统的多个层次课程概述1总计张幻灯片50系统性地覆盖植物生物学与农学的核心内容2个主要模块8从基础理论到实践应用的完整知识体系3理论与实践相结合强调理论知识在农业生产中的实际应用4植物学基础知识与农业应用构建植物科学与现代农业技术的桥梁第一部分绪论植物生物学的研究对象与范围涵盖植物的形态结构、生理功能、遗传发育、分类进化等多个方面的科学研究领域植物学与农学的历史渊源从古代农业实践中发展起来，现代科学技术推动两个学科的深度融合现代植物学与农业的关系为现代农业提供理论基础，指导农业生产实践和技术创新关键术语与概念建立植物生物学与农学研究的基本概念框架和术语体系植物学的发展历程1古代植物学本草纲目与农业实践中国古代植物学以《本草纲目》为代表，结合农业生产实践，积累了丰富的植物知识李时珍的巨著记载了1892种植物，为现代植物学奠定了基础2近代植物分类学的建立林奈建立的双名法分类系统，为植物科学研究提供了标准化的命名体系达尔文的进化论进一步推动了植物系统分类学的发展3现代分子生物学技术应用DNA测序、基因工程、分子标记等技术的应用，使植物学研究进入分子水平，为作物改良和育种提供了强大的技术支撑4中国植物学研究重要成就袁隆平的杂交水稻技术、李振声的小麦远缘杂交育种等重大突破，展现了植物学研究在农业生产中的巨大价值农学的基本概念农学的定义与研究范围现代农学的分支学科研究农作物生产的科学，包括作物栽作物学、园艺学、植物保护学、土壤培、育种、植物保护、土壤肥料等多个学、农业资源与环境等学科的综合发展12分支学科可持续农业发展理念农业与植物学交叉研究领域43兼顾经济效益、社会效益和生态效益的植物生理生态、分子育种、精准农业、农业发展模式，强调资源合理利用和环生物技术等前沿交叉领域的快速发展境保护第二部分植物细胞与组织植物细胞的基本特征植物细胞结构与功能植物细胞具有细胞壁、叶绿体、液泡等特有结构，这些结构细胞核控制遗传信息，内质网和高尔基体参与蛋白质合成和使植物能够进行光合作用，维持形态稳定，适应陆地生活环修饰，线粒体提供能量，各细胞器协调配合维持细胞正常生境命活动植物细胞的这些特征直接影响农作物的生长发育、抗逆性和了解细胞结构功能有助于理解农作物的生理特性，为改良作产量品质，是农业生产中品种选择和栽培管理的重要考虑因物品质、提高抗性和产量提供理论指导素植物细胞的特殊结构细胞壁的组成与功能主要由纤维素、半纤维素和果胶组成，提供机械支撑，维持细胞形状，参与物质运输调节农作物茎秆强度与细胞壁结构密切相关质膜与膜运输系统控制物质进出细胞，维持细胞内外环境平衡膜运输机制的研究为提高作物养分吸收效率和抗盐碱性提供理论基础液泡在植物细胞中的作用维持细胞张力，储存营养物质和有害物质，调节细胞渗透压果实品质改良中需要考虑液泡中糖分和有机酸的积累叶绿体与其他质体叶绿体进行光合作用，造粉质体储存淀粉，成色质体合成色素这些质体的功能直接影响作物的产量和品质形成植物组织类型分生组织保护组织基本组织包括茎尖、根尖的初生分表皮组织和周皮保护植物薄壁组织进行代谢活动，生组织和形成层等次生分免受外界伤害，调节水分厚角组织提供支撑，石细生组织，负责植物的生长蒸腾，是植物抗逆性的重胞增强机械强度，共同构和发育，是组织培养和扦要组成部分，影响作物的成植物体的基本结构框插繁殖的重要基础田间表现架机械组织与分泌组织纤维和石细胞提供机械支撑，分泌组织产生精油、树脂等次生代谢产物，影响作物的加工品质和经济价值输导组织系统木质部的结构与功能由导管或管胞、纤维和薄壁细胞组成，主要负责水分和无机盐的向上运输木质部的发达程度影响作物的抗旱能力和养分输送效率，是育种中重要的选择指标韧皮部的结构与功能由筛管、伴胞、纤维和薄壁细胞构成，运输光合产物从叶片到其他器官韧皮部的功能效率直接影响果实发育和根系生长，关系到作物的产量形成维管束类型与排列双子叶植物为外韧维管束，单子叶植物为分散维管束维管束的排列方式和发育程度影响茎秆的机械强度和物质运输效率，是作物抗倒伏性的重要因素第三部分植物营养器官器官间的协调关系营养器官功能整合1营养器官的主要功能2吸收、运输、合成、储存根、茎、叶的基本结构3三大营养器官的形态解剖基础植物的根、茎、叶三大营养器官构成了一个有机的整体系统根系负责吸收水分和养分，茎承担运输和支撑功能，叶片进行光合作用制造有机物这三个器官在结构和功能上相互适应，协调配合，共同维持植物的正常生长发育根系结构与功能根尖结构与生长根的初生结构与次生结构根冠保护分生组织，分生区细胞分表皮、皮层、维管束构成初生结构，1裂，伸长区细胞伸长，成熟区形成根形成层活动产生次生木质部和韧皮2毛，各区域功能专化保证根系持续生部，增加根系的输导和支撑能力长根系在农业生产中的作用侧根发生与根系类型4根系发达程度影响作物的抗旱性、养侧根从中柱鞘发生，形成主根型或须3分吸收能力和抗倒伏性，是作物高产根型根系，不同根系类型适应不同的稳产的重要基础生态环境和栽培条件茎的形态与结构茎的外部形态特征茎的初生结构与次生生长茎具有节和节间的分节现象，叶片和分枝从节上发生茎的初生结构包括表皮、皮层和维管束，次生生长通过形成层的外部形态变化很大，有直立茎、攀援茎、匍匐茎等不同类活动产生次生木质部和韧皮部，使茎增粗型次生生长的强弱影响茎秆的机械强度，对于多年生经济作物农作物的茎型特征直接影响栽培密度和田间管理方式，矮化如果树的栽培管理具有重要意义品种便于机械化作业，而攀援作物需要搭架支撑叶的形态结构4002-4气孔数量叶片厚度每平方毫米叶片表面的平均气孔数量叶肉组织厚度范围（毫米）85%3-5叶片含水量叶脉级数新鲜叶片的典型含水百分比双子叶植物叶片的叶脉分级数量叶片的形态结构体现了其光合作用和蒸腾作用的功能特点叶片厚度、气孔密度、叶脉分布等特征影响光能利用效率和水分调节能力作物育种中常通过改良叶片形态来提高光合效率和抗逆性营养器官协同作用营养器官之间的结构关联1根、茎、叶通过维管束系统连接，形成连续的输导网络水分与养分在器官间的运输2根系吸收的水分和养分通过木质部运输到地上部分根茎叶系统的整体功能--3三个器官协调配合，实现植物的正常生长发育和繁殖营养器官的协同作用是植物高效利用环境资源的基础现代农业通过优化栽培措施促进根茎叶协调发展，如合理施肥提高根系活力，适当修剪调节地上地下部分比例，从而实现作物高产优质的目标第四部分植物水分代谢水分在植物生命活动中的重要性水分是植物体的重要组成成分，参与几乎所有的生理生化反应，维持细胞张力和植物形态植物吸水机制与途径通过根系从土壤中吸收水分，包括被动吸水和主动吸水两种方式水分在植物体内的运输水分通过木质部从根部运输到地上各个器官，维持正常的生理功能蒸腾作用与水分平衡通过气孔调节水分蒸腾，维持植物体内的水分平衡和温度调节植物吸水过程渗透作用与主动运输水分通过渗透作用进入根细胞根压与根系吸水根压推动水分向上运输水分吸收的影响因素土壤水分、温度、通气影响吸水农作物吸水特性与灌溉策略制定科学的灌溉制度不同作物的吸水特性存在显著差异，需要根据作物生育期和环境条件制定相应的灌溉策略现代精准灌溉技术通过土壤水分监测和作物需水预测，实现水资源的高效利用植物水分运输水分上升的机制张力内聚力理论-蒸腾产生的张力通过水分子间的内聚力传递到根部，形成连续的水柱上升，是目前公认的水分运输机制导管与管胞的结构与功能被子植物的导管和裸子植物的管胞都是死细胞，细胞壁木质化，形成连续的输水管道，提高水分运输效率木质部液流速率与影响因素液流速率受环境条件、植物种类和生理状态影响，可通过茎流计等设备进行实时监测农作物水分运输与抗旱性水分运输效率高的品种通常具有较强的抗旱能力，是干旱地区作物选择的重要指标蒸腾与水分调节气孔结构与开闭调节蒸腾作用的生理意义30%的叶片表面积25%的净光合产物保卫细胞控制气孔开闭，调节水分蒸腾12促进水分和养分运输，调节植物体温度和CO₂吸收农作物节水栽培技术蒸腾速率的测定方法4325%的灌溉水节约20%的环境湿度影响覆盖栽培、滴灌技术等节水措施称重法、气孔仪等多种测定技术第五部分植物矿质营养必需元素与有益大量元素与微量植物对矿质元素元素元素的作用的吸收机制植物生长发育必需的氮磷钾等大量元素需包括被动吸收和主动17种元素，包括大量求量大，参与重要生吸收，载体蛋白介导元素、中量元素和微理过程；微量元素虽的跨膜运输是主要方量元素，以及对某些需求量少但功能关式，消耗ATP提供能植物有益的硅、钠等键，常作为酶的活化量元素剂植物营养与肥料施用根据作物需肥规律和土壤养分状况，科学施用有机肥和化肥，实现高产高效和环境友好的统一植物必需元素元素主要功能缺乏症状富集部位氮N蛋白质和叶绿素合成叶片发黄，生长缓慢叶片磷P ATP和核酸组成叶片紫红色，根系发育差种子钾K酶活化和渗透调节叶缘焦枯，抗病性差茎秆钙Ca细胞壁组成和信号传导顶芽坏死，根尖死亡叶片镁Mg叶绿素中心原子叶片失绿，叶脉仍绿叶片植物必需元素的平衡供应是高产栽培的基础现代精准施肥技术通过土壤和植株营养诊断，实现养分的精确供应，既保证作物正常生长，又避免过量施肥造成的环境污染养分吸收与运输根系对养分的吸收机制载体介导的主动运输是主要方式，不同载体蛋白具有选择性，可以逆浓度梯度吸收养分根毛大大增加了吸收表面积，提高吸收效率ATP酶泵维持膜电位，为载体运输提供驱动力养分在植物体内的运输形式氮素主要以硝酸盐和氨基酸形式运输，磷以磷酸基团形式，钾以离子态运输木质部运输无机态养分，韧皮部运输有机态养分运输形式的转换发生在叶片和其他器官中养分分配与再利用植物具有养分再分配能力，衰老器官中的养分可转移到新生器官氮磷钾等移动性强的元素容易再利用，钙铁等移动性差的元素难以再分配这种机制提高了养分利用效率施肥技术与植物营养精准施肥与环境友好型肥料变量施肥和缓控释肥料应用1作物需肥规律与施肥时期2基肥、追肥和叶面肥的合理搭配科学施肥的原则与方法3测土配方施肥技术的推广应用肥料种类与特性4有机肥、化肥和生物肥料的特点现代施肥技术强调精准性和环保性的统一通过土壤检测、植株营养诊断和产量目标设定，制定科学的施肥方案缓控释肥料和智能施肥设备的应用，显著提高了肥料利用率，减少了环境污染第六部分植物光合作用光合作用的基本过程光反应与暗反应光合作用是植物利用光能将二氧化碳和水合成有机物并释放光反应阶段捕获光能，分解水分子，产生ATP和NADPH氧气的过程这个过程分为光反应阶段和暗反应阶段，两个暗反应阶段利用ATP和NADPH固定CO₂，合成葡萄糖等有阶段紧密配合机物光反应在类囊体膜上进行，暗反应在叶绿体基质中进行整两个阶段的协调性决定了光合效率，是农业生产中提高作物个过程的效率直接影响植物的生长速度和生物量积累产量的重要途径现代育种注重提高光合效率基因的选择光合作用的基本原理碳反应途径、和C3C4光反应过程与能量转换植物CAM光系统I和II协同工作，叶绿素a吸收1C3植物直接固定CO₂，C4植物通过光能，激发电子传递链，将光能转换2四碳酸途径提高固碳效率，CAM植为化学能ATP和NADPH物夜间固碳适应干旱环境光合产物的形成与转化光合色素与光合结构4三碳糖转化为淀粉、蔗糖等储存形叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素等色3式，为植物生长和人类利用提供物质素分工合作，类囊体膜提供反应场所基础和质子梯度影响光合作用的因素光照强度μmol/m²/s光合速率μmol CO₂/m²/s提高光合效率的农业措施作物群体结构优化通过合理密植、整枝打叶等措施，改善群体内光照分布，提高叶面积指数和光能截获率不同层次叶片都能充分接受光照，避免相互遮阴光照条件改善技术设施栽培中采用透光性好的覆盖材料，安装补光设备延长光照时间田间栽培选择向阳地块，避免高大建筑物遮阴₂施用技术CO温室中增施CO₂气肥，提高空气中CO₂浓度，为光合作用提供充足的原料合理的施用时间和浓度控制是关键技术要点提高光合效率的遗传改良方法选育高光效品种，改良光合酶活性，提高叶绿素含量，优化叶片形态结构分子标记辅助选择加速育种进程光合产物的运输与分配1光合产物的装载与卸载蔗糖等光合产物在叶片中合成后，通过载体蛋白装载到韧皮部筛管中，消耗ATP主动运输到达库器官后通过卸载机制进入细胞2韧皮部运输机制压力流假说解释韧皮部运输机制，源器官的高糖浓度产生压力，推动韧皮部液流向库器官流动筛管和伴胞协同完成运输过程3同化物分配规律与源库关系源器官产生光合产物，库器官消耗或储存产物源库关系决定产物分配方向，幼果、根系等活跃库器官优先获得同化物供应第七部分植物呼吸作用1呼吸作用的基本过程植物呼吸作用是分解有机物释放能量的过程，为植物各种生命活动提供ATP和合成原料2有氧呼吸与无氧呼吸有氧呼吸效率高产生大量ATP，无氧呼吸在缺氧条件下维持基本生命活动3呼吸商与能量效率呼吸商反映呼吸底物类型，能量效率体现ATP产生效率4呼吸作用在农业生产中的应用指导种子储藏、果实保鲜、根际环境管理等农业技术措施呼吸的基本途径糖酵解过程1葡萄糖分解为丙酮酸，产生少量ATP和NADH三羧酸循环2丙酮酸进入线粒体，完全氧化产生CO₂和还原性辅酶电子传递链与氧化磷酸化3NADH和FADH₂传递电子，产生大量ATP植物呼吸作用通过三个主要步骤逐步释放葡萄糖中的化学能糖酵解在细质中进行，柠檬酸循环和电子传递在线粒体中完成整个过程高效有序，为植物提供生长发育所需的能量和碳骨架戊糖磷酸途径作为替代途径，为合成代谢提供还原力和戊糖影响呼吸的因素呼吸与农业生产呼吸作用强度直接影响农产品的储藏寿命和品质种子萌发时呼吸急剧增强，为幼苗生长提供能量果实成熟过程中出现呼吸高峰，标志着果实进入衰老阶段通过控制储藏环境的温度、湿度和气体成分，可以有效降低呼吸消耗，延长农产品的保鲜期，减少储藏损失第八部分植物生长发育植物生长调节物质植物生长的基本规律环境因子对生长的调节包括五大类植物激素生植物生长遵循S型曲线规长素、赤霉素、细胞分裂律，包括缓慢期、快速期光照、温度、水分、养分素、脱落酸和乙烯，以及和缓慢期三个阶段，受遗等环境因子通过影响激素多种生长调节剂，精确调传因子和环境条件共同调合成和信号传导，调控植控植物的生长发育过程控物的生长发育进程植物运动现象植物通过向性运动、感应运动等方式响应环境刺激，体现了植物对环境的主动适应能力植物激素与生长调节激素类型主要功能合成部位作用机制生长素IAA促进细胞伸长，维持顶端优势茎尖、叶片激活转录因子，调节基因表达赤霉素GA促进茎伸长，打破种子休眠幼叶、种子降解抑制蛋白，释放转录因子细胞分裂素CTK促进细胞分裂，延缓衰老根尖激活细胞周期蛋白，促进DNA合成脱落酸ABA调节气孔关闭，诱导休眠叶片、根系激活蛋白激酶，调控离子通道乙烯ETH促进果实成熟，诱导衰老各器官激活转录因子，调节酶基因表达植物激素的发现和应用研究为现代农业生产提供了重要的技术支撑不同激素在浓度、时间和空间上的精确调控，实现了对植物生长发育的人工调节，广泛应用于育苗、栽培、保鲜等农业生产环节植物生长调节剂在农业中的应用促进生根与扦插繁殖调控开花与果实发育生长素类调节剂如NAA、IBA能显著促进插条生根，提高扦插成活赤霉素能打破花芽休眠，促进开花；细胞分裂素促进果实细胞分裂，增率在果树、花卉的无性繁殖中应用广泛，缩短育苗时间，保持品种特大果实在葡萄无核化、提高坐果率等方面效果显著性防止落花落果技术植物生长延缓剂的使用生长素类和细胞分裂素能防止花果脱落，提高坐果率在番茄、黄瓜等矮壮素、多效唑等延缓剂控制植株徒长，增强抗倒伏能力在小麦、水蔬菜和柑橘等果树生产中广泛应用，显著提高产量稻等禾本科作物和盆花生产中应用，改善植株形态和抗逆性环境因子对植物生长的影响光照对生长发育的调控温度对植物生长的影响光照影响25%的基因表达12温度影响30%的酶活性光质、光强、光周期调节植物形态建成和影响细胞分裂速率和蛋白质合成效率开花时间土壤环境对植物生长的影响水分条件与生长关系土壤pH影响15%的养分有效性水分胁迫影响20%的生长速率43根际微环境决定根系发育和养分吸收调节细胞壁松弛和细胞伸长过程植物运动现象向性运动向光性、向地性生长素分布不均匀导致的不等生长感应运动与睡眠运动含羞草叶片折叠等快速运动反应原生质流动与细胞运动细胞内物质运输的重要方式植物运动机制的农业应用指导栽培管理和设施设计植物运动现象体现了植物对环境的主动适应能力向光性帮助植物获得最大光照，向地性确保根系向下生长了解这些运动机制有助于优化栽培技术，如合理安排种植密度、调整光照方向等，提高作物的光能利用效率和生长整齐度第九部分植物繁殖种子与果实发育受精后胚胎和胚乳发育形成种子1植物生殖生理2花芽分化和开花调控机制花的形态结构与功能3雄蕊雌蕊协调完成有性繁殖植物繁殖的类型4有性繁殖和无性繁殖两大类型植物繁殖是物种延续的根本保证，也是农业生产的基础有性繁殖产生遗传变异，为育种提供原料；无性繁殖保持优良性状，快速扩繁优良品种现代农业根据不同需求选择合适的繁殖方式，实现品种改良和高效生产的目标植物无性繁殖自然无性繁殖方式人工无性繁殖技术植物通过根茎、球茎、鳞茎、匍匐茎等营养器官进行自然繁包括扦插、嫁接、压条、分株等传统方法，以及组织培养等殖这些器官具有再生能力，能够产生完整的新植株现代生物技术这些技术大大提高了繁殖效率和成功率马铃薯的块茎繁殖、草莓的匍匐茎繁殖、大蒜的鳞茎繁殖等都是典型的自然无性繁殖方式，在农业生产中广泛应用组织培养技术利用植物细胞的全能性，在无菌条件下快速繁殖大量幼苗，已成为现代育苗产业的重要技术手段花的结构与功能花的基本结构与类型完全花包括花萼、花冠、雄蕊群和雌蕊群四个部分花萼保护花蕾，花冠吸引传粉者，雄蕊产生花粉，雌蕊接受花粉并发育成果实不同植物的花结构变化很大，适应不同的传粉方式花粉发育与雌蕊结构花粉在花药中发育成熟，含有雄配子体雌蕊由柱头、花柱和子房组成，子房内的胚珠含有雌配子体花粉和胚珠的正常发育是成功授粉受精的前提条件传粉方式与繁殖适应自花传粉保证繁殖成功，异花传粉增加遗传多样性风媒花结构简单，虫媒花色彩鲜艳不同传粉方式反映了植物对环境的适应策略，影响种群的遗传结构和进化方向受精作用与胚胎发生1双受精现象与过程被子植物特有的双受精现象一个精子与卵细胞结合形成合子，另一个精子与极核结合形成胚乳核，为种子发育提供营养2胚乳发育与胚胎发生胚乳先于胚胎发育，为胚胎提供营养物质胚胎发育包括原胚期、球形胚期、心形胚期等阶段，逐步形成完整的幼体结构3授粉与受精的影响因素温度、湿度、风力等环境条件影响花粉活力和传粉效率雌雄亲本的遗传相容性决定受精成功率，是杂交育种的重要考虑因素4作物杂种优势利用杂交种表现出超亲优势，在产量、抗性、品质等方面优于双亲杂种优势的利用是现代作物育种的重要途径，显著提高了农作物产量。