植物生理学发展近况

植物生理学研究近况(TherecentdevelopmemtofmainfieldinPlantPhysiology)从分子、细胞、器官、整体到群体水平都有伟大的成就第一个真核单细胞生物酵母的DNA全序列被阐明第一个植物拟南芥基因组测定已经结束水稻基因组计划人与生物圈(ManandtheBiosphere)规划中植物生理的研究•21世纪是生物学世纪，植物科学和其中研究植物生命活动的植物生理学将有特别重要的位置，因为植物为其它生物，包括人类的生产和生活提供赖以生存和发展的物质和能量基础。研究内容的扩展及和其它学科的交叉渗透•分子生物学、分子遗传学、微生物学、生态学与植物生理学的交叉渗透。•生物化学、生物物理、生物技术发展的深刻影响。•植物中的各类激素，高等植物中的膜保护酶，逆境生理的研究。•植物各部位间以及植物与环境间的信息转变。机理研究的深入和新概念的发展•对RubisCO、光敏色素的研究•植物中凝聚素•植物生理的数学模型•电波与化学信息传递的交错进行•植物抗逆温生理•人类对植物天然产物的关注和开发正在推动植物次生代谢的调控、植物次生代谢的分子生物学和分子遗传学等方面的研究。•在可持续农业的大前提和水稻功能基因组研究长足发展的大背景下,提出发展绿色超级稻的策略和主张。•新发现的GA在de-DELLA抑制信号转导中的作用、磷脂信号分子在植物生长和激素反应中的作用以及CLE多肽信号在分生组织建成中的作用等。•如在对水稻基因组中可能的30个CIPK基因(OsCIPK01-OsCIPK30)的研究中,发现这些基因中有20个能够被干旱、盐、冷、聚乙二醇以及脱落酸等非生物胁迫中的至少一种胁迫所诱导。•在“中华11”粳稻中过量表达其中的3个CIPK基因OsCIPK03、OsCIPK12和OsCIPK15可以显著增强其对冷、干旱和盐胁迫的耐受性。同时,在冷和干旱胁迫下,过量表达OsCIPK03和OsCIPK12的转基因植株可以比野生型积累更多脯氨酸以及可溶性糖类。•研究结果表明水稻CIPK基因在不同的胁迫反应中可能有多样性的功能,其中的一些基因可能在改进水稻耐胁迫方面具有潜在的价值。•非致死热激诱导的热激蛋白使植物产生获得性的耐热性(acquiredthermotolerance,AT)。通过筛选突变体并结合反向遗传学研究方法，研究发现1个热诱导的转录因子HsfA2可使热激蛋白持续表达从而延长拟南芥AT的持续时间。从分子到群体不同层次的全面发展•水稻基因组•叶绿体基因的结构、表达•人与生物圈规划(ManandtheBiosphere)中植物生理学的研究•在太空中的植物生命活动规律•多种模式植物突变库的建立，为人们在物理图谱、遗传图谱和基因组全序列的基础上开展功能基因组等整体性研究奠定了良好的基础。•随着拟南芥和水稻基因组测序完成,加速植物功能基因组的研究并推动以改良重要农艺性状为目标的农业生物技术的发展将对农业和经济发展起到至关重要的作用,同时这也是生命科学领域的一大研究热点。•植物功能基因组学包括转录组学、蛋白质组学和代谢组学几个主要部分。这一新兴领域的诞生使得组学的方法与观念渗透到传统的生理学中,将植物生理学纳入了植物功能基因组学研究的大领域,并促进了遗传学的发展。•植物基因功能的确定、植物激素作用机制的研究、植物生长发育和代谢等调控网络的构建等备受关注,其研究成果将逐步成为现代农业发展的源动力之一,现代植物生理学研究前沿对农业发展的影响将更为深远。•如水稻分蘖数目和角度是决定其产量的2个非常重要的生物因子，新克隆的控制水稻分蘖角度的经典基因LAZY1和主要QTL位点TAC1在弄清水稻分蘖角度的遗传调控方面有重要意义。LAZY1编码1个禾谷类特有的功能未知的蛋白,它通过调控生长素的极性运输来控制分蘖的角度；同样,TAC1也编码1个未知功能的蛋白。•LAZY1和TAC1的作用可能都是使分蘖保持直立或较小的角度,它们的突变导致分蘖角度偏大。这些研究成果丰富了人们对水稻分蘖角度调控机理的认识,为水稻的分子改良奠定了基础。植物生理学应用范围的扩展早已不再只限于指导合理灌溉，施肥和密植等，而是扩展到调节作物生长发育，控制同化物运输分配，改善产品质量、保鲜贮藏、良种繁育、除草抗病。与农林、园艺、环境保护、资源开发、能源、航天、医药、食品工业、轻工业和商业等的关系日益密切•人工种子、生物固氮、放氧放氢。•植物每年通过光合作用而贮存在有机物中的太阳能高达世界能源消耗量的10倍以上，每年从空气中固定的二氧化碳多达150亿吨，占全球工业源二氧化碳释放量的60％以上。在人口爆炸、资源枯竭和环境恶化等问题日益严重的今天，植物是人类解决这些难题希望所在。•如因阐明光合碳循环而于1961年获得诺贝尔奖的Calvin教授现在大力研究发展能源植物。•植物生理学特别是植物营养生理学和发育生理学等方面的知识被广泛应用于多种蔬菜和经济作物的工厂化无土栽培，用于模拟生物圈以及封闭条件下的生命支持系统研究，应用于载人航天和外星探测等领域。植物生理学工作者也更加注意与应用学科相结合以促进彼此的交流和发展。•如拟南芥基因组计划揭示了大量涉及氮素吸收、代谢和分配相关的基因，经过研究可以确定氮素状态(有机N和无机N)调控的基因网络,分析鉴别氮素反应的顺式因子并鉴定重要基因的功能,阐明该基因表达蛋白的生化特性,揭示出与其它生物大分子相互作用的意义，并确定每个基因的时空表达。研究将使人类更深入地了解植物体中的氮素代谢和复杂的调控网络。由于氮源和氮素代谢在作物产量中发挥着中心作用,这些结果将对农业发展有着广泛的影响。•植物抗逆是一个复杂的信号转导和调控过程,包括抗旱、抗盐碱、抗热、抗寒、抗养分缺乏和抗重金属毒害等,深入探讨其适应机理可以为提高作物适应环境的能力提供实验依据。应用逆境生理知识可以指导抗旱、抗涝、抗寒、抗盐和抗病,并在以植物生理学特征为指标的植物新品种选育中显示出优越性和重要性。•设施农业的兴起带来一系列新的课题。如温室大棚内光照不足，成为产量的限制因子；温度波动大而遭受逆温危害；大棚多年固定在同一位置造成土壤营养状况严重失衡，有害离子累集，病原物滋生繁殖等。这些促使人们就棚内作物的耐阴性、抗病性、抗寒与抗热性等方面进行研究。•随着植物激素研究的深入，人们在认识各种植物激素分子结构的基础上，合成了多种植物生长调节物质，研制出多种生长调节剂。使用生长调节剂已成为农林业生产不可或缺的重要措施。如赤霉素可以有效地解决杂交水稻“包颈”的问题；多效唑可以抑制很多作物秧苗徒长而具有壮秧的效果；乙烯可以催熟香蕉；树木扦插育苗时使用萘乙酸促进生根和提高成活率；施用乙烯利可以刺激流胶而增加橡胶的产量。此外，植物生长调节剂还能够用于化学除草、调节植物开花和座果、控制植物性别分化、防止衰老和器官脱落以及打破休眠等用途。•光合作用是植物最基本的生命特征,相关的研究结果是农业中作物、蔬菜、花卉等提高光能利用效率的基础。应用光合作用知识有利于改进作物的间作和轮作制度和推广合理密植，以提高作物的光能利用率，从而增加复种指数和产量；在作物育种上还可以指导理想株型育种和高光效育种。•植物生殖生理是提高作物育性和产量的理论基础,从传粉、受精、胚胎发生到种子生理等都成为当今植物学的研究热点之一。植物次生代谢研究也日趋受到重视,在农业上,代谢组可直接反映农作物的生理状况和农产品的品质性状(尤其是营养价值)。•次生代谢与植物的抗性和品质紧密相关,植物对病害和虫害的抗性在很大程度上取决于细胞内植保素的合成调控,而植物化学的研究是研制绿色抗杀虫剂的基础。应用光周期知识可以指导引种和两系法杂交水稻和杂交小麦的育种实践。应用组织培养知识可以指导优良作物和林木品种的快速繁殖。•营养代谢的探讨具体地阐明了植物生产中所需的能源太阳、光照与原料水分、肥料、,各自的品质、成分、数量等,以及它们如何被植物吸收、同化以及合成为各种有机物的过程。应用植物矿质营养知识可以指导营养诊断和合理施肥。农作物的生长发育,也多用营养成分的比例、盈亏与分配来说明。•因此,营养代谢成为合理利用农业资源,田间作业改革的主要依据。这些研究成果应用于田间生产，为光照、水分、肥源、土壤、物种、人工等资源制定了均衡安排的方案,田间作物的单位面积产量与经济效益得以成倍的提高。研究成果在很多作业技术方面改进和创造了大面积作物生产的新技术。诸如化肥、农药的制造与应用,叶面施肥,适于温室、大棚的无土栽培,工厂化育苗移栽的设置、复种作业轮、间、套作等的实施，花木的造型栽培,以及农产品加工、长期储藏保鲜等。科技成果与农业增产潜力科学技术至2030年增产%植物育种灌溉和作物保水遗传工程生长调节剂增加大气CO2浓度生物固氮提高光合效率复种多熟温度适应改善饮料营养品质作物成熟度蒸腾抑制剂间作保护栽培135133125124120118117115113112111110108105科技成果与农业增产潜力•植物育种•灌溉和作物保水•遗传工程•生长调节剂•增加大气CO2浓度•生物固氮•提高光合效率•复种多熟科技成果与农业增产潜力•温度适应•改善饲料营养品质•作物成熟度•蒸腾抑制剂•间作••温度适应•改善饲料营养品质•作物成熟度•蒸腾抑制剂•间作•保护栽培植物生理学研究四个动向•从研究生物大分子到阐明复杂生命活动――基因组学、基因结构与功能的研究；•实现生命整体性的重要环节――信号传递的研究；•生命活动的能量和物质基础――代谢及其调节的研究；•植物与环境(非生物和生物环境)的相互关系――生物的协同进化和适应的研究。•植物完成它们的生长发育是植物生命活动最终的和综合的结果，必然是建立在上述四个方面的基础上的。