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1、高级植物生理学教学大纲山东农业大学高级植物生理学教学大纲第一讲 绪论一 植物生理学的定义和研究容1 生长发育和形态建成2 物质与能量代3 信息传递和信号转导二 植物生理学的诞生与发展1 植物生理学的孕育阶段荷兰人海尔蒙的柳枝试验：(90kg土壤；2.27kg柳枝；5年后，柳树重76.7kg，而土壤损失仅几十克)。1771年，光合作用的发现2 植物生理学的诞生与成长阶段从1840年比希矿质营养学说的建立到19世纪末德国植物生理学家Sachs and Pfeffer的两部植物生理学专著的问世。3 植物生理学发展、分化与壮大阶段A农业化学从植物生理学分化成一门独立学科B生物化学独立成一门学科；对植物

2、生理学的冲击。分子生物学异军突起。 C卡尔文循环，C4途径和CAM；弄清了光合膜上许多功能性色素蛋白的三维立体结构，将结构与功能的研究推向了微观世界。D细胞全能性组织培养，为植物细胞工程和基因工程的大力发展创造了条件。E光周期现象光敏色素，调控几十种生理过程。F关于植物激素的研究，激素测定方法：HPLC和ELISA。J逆境生理：活性氧，逆境蛋白，如上所述，分子生物学的迅速发展对传统的植物生理学提出了严峻的挑战和机遇；权威性的国际植物生理学评论刊物 Anuual Review of Plant Physiology 从1985年起改为 Annual Review of Plant Physiol

3、ogy and Plant Molecular Biology，2002年改为Anuual Review of Plant Biology目前，植物整体生理学的研究正借助现代生物化学和分子生物学的成就而以新的面貌出现，如关于物质如何由源端装入和库端卸出的机理；关于源库之间信息交换的机理；关于物质与信息交换的“高速公路”维管束结构与功能的研究，都取得了令人瞩目的成就。mRNA的运输成花素问题的解决等。 三植物生理与农业生产（一） 作物产量形成与高产理论50年代掀起的“绿色革命”，改良品种的主要特点是矮杆或半矮杆，株型紧凑，叶片直立，耐肥性强。将高光效特性与其它优良性状结合在一起，形成新的超高产品

4、种。“光合午休”与产量形成期叶片光合功能的早衰。（二） 环境生理与作物抗逆性渗透调节的研究。根系化学信号在北方土层较深厚的地区，通过抗旱品种和栽培措施的综合运用，已能在不进行灌溉的条件下，使小麦每hm2产量达6t以上。（三） 设施农业中的作物生理学“白色革命”。光照不足；CO2不足；温度波动大；土壤营养状况失衡；连作障害；（四） 植物生理学与育种学相结合作物生理育种广谱适应性水稻新品种，既耐强光，又有一定的耐阴性。胚芽鞘长度耐旱品种；耐土壤脊薄；优良品质；主要的参考文献：1. 植物生理学通讯；植物学通报 2. 植物生理与分子生物学，余叔文主编；植物生物化学与分子生物学，科学3. 国学术刊物：中

5、国科学；科学通报；植物生理学报；植物学报；作物学报；中国农业科学；园艺学报；林业科学等 4 国外文献（农大图书馆数据库）第二讲 光合作用研究进展一 概述(略讲)二光合作用的气孔限制与非气孔限制1 蒸腾和光合过程中水气与CO2扩散阻力的分析气孔结构；保卫细胞的结构；水气与CO2扩散途径2 扩散阻力与导度的测定原理；与欧姆定律类比3 光合作用的气孔限制与非气孔限制的概念4 气孔限制值的计算5 逆境条件下光合作用的气孔限制与非气孔限制三光合作用机理（一） 叶绿体类囊体膜脂 高等植物类囊体膜脂主要有5种：单半乳糖基甘油二酯（monogalatosydiglyceride, MGDG）,双半乳糖基甘油二

6、酯（digalactosydiglceride, DGDG）, 磷酸酰甘油（phosphatidylglycerol, PG）, 硫代异鼠糖基甘油二酯（sulphoquinovosyldiglyceride, SQDG）, 磷酸酰胆碱（phosphatidylcholine, PC）。与动物细胞膜及植物其他组织细胞膜相比，类囊体膜脂组成有以下几个特点：1 主要由不带电荷的糖脂组成，MGDG和DGDG占膜脂的75。2 主要磷脂组分是阴离子脂类PG（约10）。3 含有特有的带负电荷的硫脂SQDG，（约10）。补：类囊体膜脂的分子生物学研究进展，特别是PG的功能（二） 光合色素与色素蛋白复合体1 光

7、合电子转递的顺序：QA和QB是两种特殊结合态的质醌，结合QB的蛋白是许多除草剂的结合位点，如DCMU可以阻断QA向QB传递电子。2 光系统II复合体的结构：它包括三部分， 近侧天线系统CP43和CP47两个色素蛋白复合体围腰绕PSII。远侧天线系统主要由LHCII捕光复合体。由两个32kD多肽组成的D1D2蛋白，其中包括着原初供体Yz; P680; Pheo; QA; QB;由33，23及17kD三种外周多肽以及与放氧有关的锰簇和CI与钙离子组成的水氧化放氧系统。3 光系统I复合体的结构由P700，电子受体和捕光天线三部分组成。它们都结合在蛋白亚基上。PSIA和PSIB两个大亚基，是由叶绿体基

8、因编码的分子量为83kD和82kD的两多肽。P700，原初电子受体A0，A1及Fx, 都存在此大亚基中。小亚基PSIC也是由叶绿体基因编码的9kD多肽，它是铁硫中心FA和FB的所在部位。三个小亚基PSID，PSIE和PSIF由核基因编码。4 细胞色素b/f复合体是一种多亚基膜蛋白，它由4个多肽，即细胞色素f, 细胞色素b6, Rieske和一个17kD多肽。它们在膜的疏水区，分子结构尚不清楚。磷酸化了的LHCII在横向运动时，会伴随Cytb6/f从基粒到间质类囊体的同步移动，由此参与光能在两个光系统之间的均衡分配。5 ATP酶（三） 叶绿素荧光是光合作用的探针1 叶绿素荧光的发现2 叶绿素荧光

9、的来源及量子产量。激发态的命运：放热，分子间能量传递，荧光与磷光发射3 叶绿素荧光诱导动力学及其测量荧光猝灭使荧光产量从它的最大值（Fm）下降的各种过程：光化学猝灭和非光化学猝灭（能量猝灭，状态猝灭和光抑制猝灭）（四） 光合作用的光抑制与光保护机制1 光抑制现象、衡量指标2 PSII光抑制、PSI光抑制3 叶黄素循环、光呼吸和Mehler反应在光保护中的作用4 D1蛋白与可逆失活叶绿素荧光是光合作用的探针一叶绿素荧光的发现： Brewster(1834)在观察一束太通过月桂叶片的乙醇提取液时，在反射光方向看到的是红色，而不是绿色。 1852年，Stokes认为这是一种光发射现象，命名为荧光（f

10、luorescence）。二叶绿素荧光的来源及其量子产量通常色素分子是处于能量的最低状态基态，吸收一个光量子后，会引起原子结构电子分布的重新排列。其中一个低能的电子获得能量而成为激发态（图）。激发态的命运：1.色素分子间能量传递光化学反应（光合作用） 2.放热，又称非辐射能量耗散 3发射荧光与磷光 chlb到chla的传递效率几乎达100，故检测不出chlb的荧光。植物体发射的荧光大部分类自PSII天线色素系统（chla）,而PSI色素系统基本不发射荧光。Chlorophyll-a fluorescence 在理论上，荧光量子产量（f）的定义为： f=F/Ia F-发射荧光量子总数 Ia-吸收

11、光量子总数f的大小取决于各种去激途径的竞争。 若Kf、Kh、Kt、Kq和Kp分别代表荧光、热耗散、激发能传递、荧光猝灭和光化学反应的去激速度常数，则chla荧光量子产量（f）与各种K的关系如下： fKf/Kf+Kh+Kt+Kq+Kp 在以上各种去激途径中，f受Kp的影响最大。 在弱光下，PSII原初电子受体QA处于完全氧化状态（即PSII反应中心开放），这时： KpKf+Kh+Kq+Kt 则所吸收的光量子90以上用于光化学反应，结果得最小的f（约0.6%） 在饱和光下, 当QA完全还原时(即PSII反应中心关闭)，此时 Kp0，其f最大（约3，肉眼难以观测到）。由此可见，体荧光去激途径仅占总去

12、激途径的一小部分。在溶液中，f可达30。 四叶绿素荧光诱导动力学及其测量 叶绿素荧光诱导现象是1931年由德国Kautsky首先发现的，所以又称Kautsky效应。叶绿素荧光诱导动力学是指，当暗适应的绿色植物材料转到光下时，其体叶绿素荧光强度会产生有规律的随时间的变化（图）。 非调制式荧光仪： 可把荧光诱导动力学曲线划分为：O点（原点）I（偏转）D（小坑）P（最高峰）S（半稳态）M（次峰）T（终点）这几相（phase）。其中从OP相为快速上升阶段（约12秒），从PS相为荧光慢速下降（猝灭）阶段（45分钟）。荧光猝灭使荧光产量从它的最大值（Fm）下降的各种过程。分为两大类： 光化学猝灭（qP）,

13、 代表被开放的PSII反应中心捕获并转化为化学能的那部分能量。 非光化学猝灭（qN）, 代表各种非光化学去激过程所耗散的能量。叶绿素荧光参数： Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm, PSII最大光化学效率（暗适应后）。0.830 qp=(Fm-Fs)/(Fm-Fo), 光化学猝灭 qN=(Fm-Fm)/(Fm-Fo), 非光化学猝灭 NPQ（Fm-Fm）/Fm=Fm/Fm-1PSII=(FM-Fs)/Fm, PSII光化学效率（作用光下）ETR0.84PSIIPFD/2， 总线性电子传递速率。植物光合作用的光抑制一光抑制的概念光合作用的光抑制（Photoinhibition of photosy

14、nthesis）是指植物在强光下光合效率下降的现象。表示光抑制的指标有两种：1 量子效率；PSII的光化学效率（Fv/Fm） 两个指标之间有密切的关系，在发生光抑制时量子效率被抑制的程度与PSII光化学效率下降的程度是一致的，两者是很好的直线关系。 量子效率通常用弱光下Pn-PFD曲线的斜率来表示（图）: 在弱光下，Pn与植物所吸收的光量子数为一直线关系，但当PFD超过某一围之后，曲线向下弯曲，表明光量子有明显的过剩。 1 .在低光强下，光量子尚未出现过剩时具有最高的光合效率，暗反应速率处于最低的运转状态，但并非限制因素。 2在光合速率达最大值时，光合效率降至最低值，暗反应速率成为限制因素，光

15、能处于最大的过剩状态。当出现光抑制现象时，量子效率降低，即Pn-PFD初始斜率（直线斜率）减小，但最大光合速率仍可达到对照水平（图）。 光抑制的另一个特征是PSII光化学效率的降低，可以用Fv/Fm表示，易于测定。Fv/Fm表示PSII进行光化学电子传递的效率。光抑制与光破坏不同，发生光破坏时，特别是严重的光破坏，常出现光漂白（Bleaching）。叶绿素或类胡萝卜素遭破坏光氧化现象。强光结合其他逆境条件下易于发生。二光抑制的普遍性 光强的日变化，年变化和冠层中光强的瞬时变化都不同程度地引起光抑制。1 水生浮游藻类及底栖植物长期适应弱光，略高于其生长环境的光强即导致光抑制和光合功能的降低。2

16、喜阴陆生植物，如热带雨林中生长的蕨类植物从低光强转至高光强下几分钟，其光饱和的光合速率，量子效率即下降。3 林下晃动着的光斑，可导致林下阴生植物的光抑制4 在低光强下生长的阳生植物，若遇到突然的强光，也会产生光抑制。5 作物“午睡”过程中的光抑制。6 逆境条件下光抑制，如干旱，高温，低温等。三光抑制与光破坏的机理 从光抑制到光破坏或光氧化，是过剩光能对植物光合机构的不利影响循序出现的一系列过程。一般来说，光抑制不一定导致光破坏，往往是光合功能的下调（dong-regulation）；只有严重的光抑制才会引起光合机构破坏，D1蛋白的降解是PSII失活的主要原因。1 PSII反应中心光破坏一般认为

17、光抑制主要发生在PSII反应中心，可分别由PSII供体侧和受体侧诱导发生。A 受体侧导致的光抑制：如果P680被强光激发，形成离子对P680+pheo-, pheo-来不及把电子传递给QA（PSII受体侧电子传递受阻），这时，P680+pheo-离子对发生电荷重组，产生一部分3P680（三线态P680），并与O2反应生成1O2。高度活泼的单线态氧可依次攻击位于D2蛋白的pheo-和P680本身，使PSII反应中心失去电荷分离能力，最终引起D1蛋白（QB）蛋白分解。B 供体侧导致的光抑制：水光解受阻时，Z不能将电子传给P680，增加了P680的寿命。由于P680具强氧化性可氧化胡萝卜素。此外，P

18、680还可氧化D1蛋白肽链中的组氨酸残基和叶绿素等。C D1蛋白的周转：不少实验表明，PSII反应中心破坏伴随着D1蛋白的降解。D1蛋白对强光很敏感，在体周转十分迅速，半衰期约10分钟。D1蛋白的降解受光调控，但分子机理仍不清楚。涉及到蛋白质磷酸化和去磷酸化等。氯霉素蛋白质合成抑制剂，可加剧光抑制。D 有氧和无氧条件下的光抑制： 无氧条件下，光抑制部位比较专一，仅在PSII反应中心或D1蛋白上。 有氧条件下，不专一，严重时类囊体多肽普遍降解，有许多反应和破坏可能是次生的。2 PSI光抑制特点 多年来人们一直认为，在完整叶片光系统II（PSII）是发生光抑制、光氧化的主要部位，而光系统I（PSI

19、）则相当稳定。光合作用的光抑制几乎变成了“PSII光抑制”的同义词。因为，有关完整叶片光系统I光抑制的报道很少。但是，近年来的研究表明，在低温弱光条件下，冷敏感植物完整叶片也易发生光抑制，光抑制的主要部位是PSI。PSI的光氧化破坏对光照状况的依赖程度与PSII有明显的区别。一般而言，光照愈强，PSII的光抑制和光破坏愈严重；而PSI的低温光抑制则在较弱的光照条件下更明显，推测其光抑制的机理应与PSII有所不同。当PSI发生光抑制时，位于PSII与PSI之间的电子传递体处于高度还原状态从而加剧PSII光抑制。此外与失活的PSII反应中心能在较短时间恢复不同，失活的PSI往往需要几天才能恢复功能

20、。因此，从植物生理学的角度看，PSI光抑制对植物的危害似乎比PSII光抑制更大。 PSI反应中心色素P700存在于由PsaA和PsaB基因编码蛋白组成的二聚体上。人们推测，低温可能首先使PSI反应中心复合体的外周保护性蛋白与反应中心复合物分离。同时，低温导致冷敏感植物CO2同化能力下降，光下还原力不能被及时利用，O2 在PSI的受体侧被还原为O2- 。因为温度依赖性的保护机制在低温下丧失，O2-及其它活性氧积累并攻击电子受体Fe-S中心FA/FB和Fx，P700和次级电子受体A1也可能发生光破坏。失活的电子受体启动PsaB基因编码蛋白降解，PSI功能丧失。PSI功能的恢复需要外周蛋白的重新合成

21、及其与PSI反应中心复合物的重组。在分离的类囊体膜上，PSI与PSII一样，即使在非冷害温度条件下也易于发生光抑制。由此看来，完整叶片PSI在非冷害温度条件下的相对稳定不是PSI复合体的本来特征，而是有赖于光破坏防御机制的存在，它在分离类囊体膜时失去了。依赖活性氧清除酶系的水水循环可能在完整叶片对于防御光破坏具重要的作用，所谓水水循环是指叶绿体由H2O光解产生的电子经由PSI将O2还原为O-2（即Mehler反应），并进一步在超氧化物歧化酶（SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、谷胱甘肽还原酶（GR）等的参与下再将O-2还原为H2O的过程，但是该循环在低温下维持电子传递的能力如何尚不清楚。此

22、外，围绕PSI的电子传递在耗散过剩光能和维持跨膜pH梯度，使PSII功能下调从而保护PSI的假说值得进一研究。所以，冷敏感植物的抗冷性可能在很大程度上取决于防御机制在低温条件下能否继续发挥作用。四光破坏的防御机制（一） 减少光能的吸收：叶片变小、变厚，被毛，蜡质层等。叶片、叶绿体的运动，天线的减少，CO2同化能力的提高。（二） 过剩光能的耗散：光能被捕获后主要有三条相互竞争的出路：光化学电子传递、叶绿素荧光发射和热耗散。叶绿素荧光只消耗很少一部分光能；光化学途径产生的化学能通过碳同化、光呼吸、Mehler反应和N素还原来消耗；光能过剩时，热耗散就称为耗散过剩光能的主要途径。1 状态转换与光能分

23、配：通常当吸收的光能在两个光系统之间的分配处于平衡时，光能转换效率最高。远红光（700nm）下，PSI吸收的光能大于PSII，可诱导激发能向PSII的分配比例增加，称为“状态I”；红光（650nm）下，PSII吸收的光能多于PSI，激发能向PSI分配的比例增加，称为“状态II”。这就是状态转换，与PSII复合体蛋白可逆的磷酸化有关。2 PSII反应中心功能的下调：光合机构约2030的PSII反应中心呈非活性状态，主要特征是QA氧化速率极低（Fo升高），几乎不能进行QA至QB的电子传递，称为失活的反应中心。这类失活的反应中心仍能进行电荷分离，但已失去放氧功能，主要进行热耗散以保护有活性的反应中心

24、。3 依赖叶黄素循环的非发射能量耗散早在50年代，Saporhnikov等发现了叶黄素循环，直到1987年，Demmig和他的同事们提出此循环具有光保护功能后，才成为人们研究的热门课题。所谓的叶黄素循环是指光能过剩时，双环氧的紫黄质（Violaxanthin,简称V）在紫黄质脱环氧化酶（VDE）的催化下，经过中间物单环氧的玉米黄质（Antheraxanthin,简称A）转化为无环氧的玉米黄质（Zeaxanthin,简称Z）；在暗处，则反应在环氧化酶的作用下朝相反的方向进行，形成一个循环。(1)直接作用：Z或A直接猝灭叶绿素的单线激发态(2)间接作用：类囊体膜的流动性随着玉米黄质的增加而增加，通

25、过膜的固化使PSII复合体稳定，有利于叶绿素分子与玉米黄质分子靠近聚集；Z或促进LHCII构象改变，这二者都有利于热耗散。 VDE：分子量约为40kD,可被DTT（二硫糖醇）抑制，由此可断定该酶含二硫键。已有45的cDNA克隆。 受温度的影响，在5时，Z的形成被抑制，如果此时进行强光处理，则引起严重的光抑制。Z的形成与低温下植物的冷敏感性有关。 玉米黄质环氧化酶的分离工作至今尚未见报道。4 光呼吸5 Mehler反应与水水循环第三讲 植物激素及其分析技术 植物激素的特点：产生于植物体的特定部位，是植物在正常发育过程中或特殊环境影响下的微量代产物；不是植物的营养物质，在很低的浓度下即可对植物的生

26、长发育产生显著的调控作用。五大类：IAA，GA，CTK，ABA，Eth其它“植物激素”：油菜素甾体类，多胺类化合物，茉莉酸类化合物一植物激素研究的某些进展1 研究方法上的突破 过去研究激素的生理作用及其作用机理，多采用外源施加或源水平的检测，有很大的局限性，会受到吸收、运转和外因素的干扰。此外，对于激素引起的生理效应来说，仅仅在有激素受体分布的细胞的激素浓度才有效。近10年来，由于分子生物学和遗传学手段的运用，有较大发展：A 通过在自然界筛选或化学诱变的方法，得到了适合不同研究目的的突变体和营养缺陷型。B 通过基因工程的方法，成功地从农杆菌和假单孢菌中克隆出IAA和CTK的代基因，获得了转基因

27、植物，使人们有可能改变植物体IAA和CTK的浓度和分布，重新检测各种生理现象。C 在激素受体、激素感应和信号传导方面；在激素对基因的调控、激素确切的生理作用等方面都取得了重要进展。原有的五大类激素的种类在增多，例如IAA有4种，GA有108种，CTK有20多种，BR，PA，茉莉酸，寡糖素，水酸 膨压素，系统素等。2激素生物合成的新进展 现在已知IAA的生物合成不一定要经过色氨酸，应用拟南芥营养缺陷型的实验表明：IAA可由吲哚直接转化而来，色氨酸途径和非色氨酸途径并存。 同样，应用豌豆和玉米的单基因突变体为材料，现已查明在108种GA中，许多都是相互转化而来，只有几种才控制生长发育的关键，如GA

28、1，GA3，GA4，GA7等。 类胡萝卜素是ABA的前体。3激素受体的研究 过去曾错误地认为，激素本身可以直接作用于DNA，使基因活化，从而引起生理反应。实际上，激素首先必须与其受体相结合，引起受体蛋白的激活，激活了的受体将引起某些特定的反应，如离子的吸收或释放，特定蛋白的磷酸化和去磷酸化（激素的信号转导），最终导致特定基因的表达。 IAA的受体蛋白的研究较快，已分离出数种，其中有三种位于质膜上。4激素对基因表达的调控5转基因植物二植物激素的免疫测定技术（一） 植物激素的测定方法1 生物鉴定法：确定某种物质是否是植物生长物质，最终仍然需要生物鉴定法。结合利用植物突变体，生物鉴定仍然有一定灵敏度

29、。2 物理化学方法（HPLC，气质联用）等。往往存在以下缺点：A 经过繁琐的提取与纯化步骤之后，激素的损失颇大。B 灵敏度低，尤其是用于CTK和种类繁多的GA类。C 不能用于准确的定位分析。D 需要使用昂贵的分析仪器和耗费大量的有机溶剂。3 免疫检测技术具有如下优点：A 灵敏度高，所需样品量极少。B 专一性高，例如用两种不同的ABA抗体可分别对游离态及结合态ABA进行测定，还制成免疫亲和层析柱纯化样品中的ABA。C 可对激素进行组织化学定位。D 能从初步纯化的提取液中同时测定多种激素。E 耗时短，易于对大批量样品进行同步测定。F 能有效测定激素载体、受体蛋白和有关酶的活性。(三) 抗体抗原反应

30、的概述 抗体和抗原之间高度专一的匹配与结合是其反应的最根本的特性。 抗原的概念：凡能刺激哺乳类、鸟类、两栖类和鱼类等动物产生抗体，并能与这些抗体进行专一性结合的物质，称为抗原（antigen）或完全抗原。它必须具备两种性质：免疫原性与反应原性1 免疫原性表示引起免疫响应的能力，可用特异免疫球蛋白的形成或致敏淋巴细胞的产生来衡量。2 反应原性表示被特异球蛋白识别从而被结合的能力。 有些物质，例如ABA、GA，其分子量都低于500，将这些激素分子单独注入哺乳动物体，通常不会引起免疫反应，即缺乏免疫原性。然而，它们能与相应的抗体结合，具反应原性。因此，称为半抗原。 如果将这些半抗原分子先与某种蛋白质

31、分子偶联，然后再注入动物体，就可以引起免疫响应，形成能与这种半抗原分子专一结合的抗体。 抗体的概念：抗体（antibody）是在抗原诱导下，由哺乳动物等免疫体系产生的，主要存在于血清中，是球蛋白。以Ig表示抗体。 免疫球蛋白（Ig）的基本结构如图： 由四条多肽链构成，即两条相同的重链（H）和两条相同的轻链（L）。（四） 抗植物激素抗体的制备1载体蛋白：牛血清蛋白（BSA）是最常用的，分子量约为70000，具有大量的反应基团，如氨基、羧基等；人血清蛋白（HAS）等。2植物激素分子的偶联部位：四大类激素的分子都有两个或两个以上的基团，可供直接地或通过一个化学“桥”再与BSA偶联成免疫原。3 免疫原的设计要点：首先，要根据检测的需要，选用合适的半抗原免疫决定簇。偶联部位要远离这个决定簇。4 免疫检测常用的示踪物：抗体与抗原之间的专一结合是免疫检测的基础，它决定着反应的特异