1、高级植物生理学,主讲人:毛自朝 Tel:5227732(O)5225102(H) Cell phone :13114297551,You are welcome to the advanced plant physiology!,绪论 第一章 植物细胞及细胞壁 第二章 植物细胞信号传导 第三章 植物的光合作用 第四章 植物的氮硫代谢 第五章 植物的钾代谢 第六章 植物的磷代谢 第七章 植物的基因工程 第八章 植物激素及其信号传导 第九章 植物的生殖与发育 第十章 细胞程序化死亡 第十一章植物的次生代谢 第十二章RNAi,绪论,参考文献,余叔文，汤章城. 植物生理与分子生物学(第二版). 科学出
2、版社，1999，北京。 孙大业，郭艳林，马力耕.细胞信号转导(第三版).科学出版社，2002，北京。 Bob B ,Buchanan, Wilhelm Gruissem , Russell L.Jones Biochemistry &Molecular Biology of Plant ,科学出版社，American Society of plant physiologists 武维华. 植物生理学(第二版）.科学出版社，2007，北京。 吴平，印莉萍，张立平，等. 植物营养分子生理学. 科学出版社，2001，北京。 张立军，梁宗锁植物生理学科学出版社2007 汤华. RNA干扰原理与应用.
3、科学出版社，2006，北京。,一、植物生理学定义及研究内容,植物生理学定义,植物生理学（plant physiology）是研究植物生命活动规律的科学。它研究植物如何生活，如何生长，如何生殖以及与环境条件的相互关系。包括水分代谢，矿质营养，呼吸作用，光合作用，物质转化与运输分配等。在物质代谢和能量代谢的基础上，表现为种子萌芽、植株生长、分化、生殖、成熟、衰老、脱落或休眠的过程 .,研究内容,研究植物的物质代谢 研究植物的能量代谢 研究植物的形态建成 研究植物的信息传递 研究植物的类型变异 物质代谢和能量代谢是形态建成的基础；信息传递是形态建成的前提；形态建成是物质代谢，能量转化和信息传递的必然
4、结果；而类型变异是植物适应各种环境条件的综合表现。,第一章：细胞及细胞壁,Cell ,the basic unit of life ,require membrane for their existence Membrane:plasmsa embrane , endombrane system(ER, Golgi apparatus,Nuclear envelope ,vacuoles, plastid, peroxisomes and glyoxysomes) Cell wall :Constrain rate and direction of cell growth ,exerting
5、profound influence of plant development and morphology,Cell wall,(Structurally): middle lamella ,primary wall ，second wall Chemicallly )Composed of ploysaccharides ,proteins (and aromatic substances Polysaccharide :Cellulose microfibrils (scaffold), Hemicellulose cross link the Cellulose microfibril
6、s ,and the cellulose and hemicellulose complex is embedded by pectin gel Cell wall is borne at cell plate and cell enlargemnet depedent on combination activities of endoglycosidase ,endotransglycosidse ,and expansin Constitute major dietary fibers for human nutrition,used in wood paper and textile p
7、roduct ,biomass for bio-energy and bio-chemicals .,第二章 细胞信号传导（signal transduction）,研究细胞感受，转导环境刺激的分子途径及其在生物个体发育过程中如何调节基因表达和代谢生理反应。 如果细胞不能进行精巧的调节控制，生物在复杂的环境中是不可能保持平衡的生长，发育； 正常代谢细胞代谢速率被调节控制在一个十分精密的范围内，使得各种物质浓度处于执行功能所需的最适状态； 生物体在新陈代谢时，有物质流，能量流和信息流（信息论的观点）。,为什么说物质流、能量流和信息流是统一的？,物质的多少，包含着能量的多少； 物质流、能量流的流动
8、符合物理原理； 物质流和能量流包含着信息流； 物质代谢和能量代谢是形态建成的基础； 信息传递是形态建成的前提； 形态建成是物质代谢、能量转化和信息传递的必然结果。,有关细胞信号传递的观点,1955年Sutherland提出cAMP的第二信使学说，揭开了胞间激素信使向胞内信使传导过程研究的新篇章； 1978年Rasmussen依据Ca2+受体蛋白钙调素(Calmodulin）的发现和功能提出Ca2+第二信使学说； 19831984年Berridge等提出质膜肌醇磷酸的代谢途径产生胞内信使IP3和DG。 “细胞信号传导”的主要含义是指胞间以激素为主通讯以及外界环境因子作用于细胞表面（或胞内受体）后
9、，如何跨膜传递形成胞内第二信使，以及其后的信息分子级联传递，诱导基因表达和引起生理反应的过程。,三细胞信号的主要种类,1.生物大分子的结构信号:（1） 蛋白质 （2）多糖及糖蛋白、糖脂类 （3）核酸 2.物理信号 包括电场、磁场、光、声、辐射等物理因素。 3化学信号细胞内通讯的信号分子，一般公认的化学信号分子有：环腺苷酸（cAMP），环鸟苷酸（cGMP），钙离子（Ca2+）、 肌醇三磷酸（IP3）及甘油二脂（DG）等，但有人认为质子（H+），花生四烯酸等也是细胞内通讯的化学信号分子。,生物大分子的结构信号,细胞信号包含在大分子之三维外形的亚基结构顺序信息之中。结构顺序依靠强大的共价键保持长期稳
10、定。而大部分外形主要靠非共价弱键（氢键，离子键，范德华力和疏水键）维持相对稳定，并在分子内和分子间的识别上起重要作用。 以生物大分子结构信号为基础的分子识别在细胞中有独特功能。,大分子结构在进化中的意义：,可以建造大结构而节省DNA； 可以减少蛋白质生物合成中的差错，因而在组装时将差错排除； 亚基组装键多能量少，装卸容易，有利于完成快速生理反应。许多超分子结够亚基可以自我组装，其组装的信息主要存在于蛋白自身结构中。TMV包括了蛋白质和RNA亚基装配。TMV颗粒分子量4万KD，长300nm，由2,200条相同肽链及一条RNA分子组成。1955年，H. FraenkelConrat和R. C. W
11、illiams报道，TMV颗粒经去垢剂处理解离为多肽链与RNA后，只要简单的将其混合在一起，就可以重新组成有感染能力的TMV颗粒。 以上实例说明，多肽亚基的氨基酸序列含有两个水平信息：,A.决定了肽链的三维空间构象； B.每个肽链的三级结够必然含有一个或一个以上的识别位点，靠专一的几何形状形成特殊的四级结构以至超级分子结构。有些复杂结构的装配在酶的作用下或模板指导下完成。,（2）多糖及糖蛋白、糖脂类细胞表面糖被结构可能在细胞识别中（cell recognition）中起重要作用。如： A正常培养的细胞，分裂生长较快，但形成细胞层后，便受到抑制。 B癌细胞增殖时失去接触抑制，便大量增生。有人认为
12、这种识别信号可能存在于细胞质膜外表面的糖被（glycocalyx）结构之中。糖被由糖蛋白与糖脂组成，即由寡糖链与膜蛋白和膜脂相连而成，有时还包括吸附在表面的糖蛋白。 （3）核酸 DNA中的线性核苷酸序列携带遗传信息，这是一个普遍公认的真理。,2物理信号 电场、磁场、光、声、辐射等物理因素是可以影响生物生长发育的重要外界环境因子，但目前知电，光，磁场等可以在生物器官，组织细胞之间或其内起信号分子作用。在动植物中都发现，两个相隔一定距离的细胞，但其中之一给以电刺激，另一个细胞便产生电响应。 3化学信号 细胞内通讯的信号分子，一般公认的化学信号分子有：环腺苷酸（cAMP），环鸟苷酸（cGMP），钙离
13、子（Ca2+）、 肌醇三磷酸（IP3）及甘油二脂（DG）等，但有人认为质子（H+），花生四烯酸等也是细胞内通讯的化学信号分子。,环境刺激与胞外信号,1环境刺激 环境刺激因子：光、温、重力、风、雨、触摸、伤害、病原激发子（elicitor）等。红光在最初16-18min时引起Ca2+内流，但随后6-8min引起Ca2+外流。触摸植物10分钟引起5个基因（tch1-tch5）高效表达。其他因子如喷水、根部供水、切伤、吹风、黑暗处理、移动、音乐、湿度变化等刺激，除后三者外，其他均可以引起tch1-tch4中全部或部分表达的变化，其中mRNA水平增加可达100倍。,胞间信号传导 信号作用位点与效用信号
14、不同时，就必然有胞间信号传递信息。如土壤干旱引起地上部叶片气孔关闭时，由ABA能传递信息；叶片虫咬伤害引起周身性防御反应可能由寡聚糖和ABA等传递信息。ABA在引起气孔关闭时经常使保卫细胞Ca2+增加。Kearns等认为细胞质Ca2+增加使质膜去极化。产生动力使K+外流和苹果酸含量下降，保卫细胞失水从而使气孔关闭。,For example Pis gene expression,诱导pin基因表达信号分子可能是ABA。,pin基因活化-蛋白酶抑制物（PIs） 立即去掉后就没有PIs产生，但将受害 叶的细胞壁水解片段（主要为寡聚糖）加到叶片中以有PIs产生。,For example PIs ge
15、ne expression,可能的机制,寡糖素是受伤叶片释放到维管束后转移到植物其它部分,诱导pin基因活化的信号分子(PIIF,即PI诱导因子; Willmitzer认为,ABA 是PIIF,因为伤害使受害叶及相邻叶片的ABA大大增加,直接喷洒ABA于番茄叶片亦可活化pin基因,而缺乏ABA 的番茄突变体,受伤害时,pin 基因的活化能力大大减弱.,3.胞间物理信号 电波的信息传递在高等植物中是普遍存在的。娄成后院士认为： （1）植物为了对环境变化作出反应，既需要专一的化学信息传递，也需要快速的电波传递； （2）植物的电波传递有多种形式：对高敏感植物，外界刺激无需达到伤害程度即可产生动作电波
16、（action pulse）；中度敏感的植物在伤害刺激条件下产生变异电波(variant pulse)；最不敏感的植物只引起不可传递的局部电位变化，而且植物都有经逆境或剧烈刺激激活的潜在兴奋性；,（3）与动物相似，植物的电波也是质膜极化及透性变化的结果，而且伴随有化学信号的产生（如乙酰胆碱生成）； （4）植物电波长途传递是维管束，短途传递则通过共质体和质外体； （5）各种电波传递都可以产生生理效应。,跨膜信号转换,受体尤其是质膜外侧受体是胞间信使起作用并转换为胞内信使的首要步骤。ABA、赤霉素及生长素受体位于质膜外侧。植物光敏素是受体之一。 光敏素基因已被克隆。激发子（elicitor）及植物
17、毒素（phytotoxin）受体的研究是一个热点。病原或寄主植物细胞壁衍生的激发子，首先作用于寄主细胞表面受体，通过两者的识别与受体激活引起胞内的防御反应,G蛋白（GTP-binding protein）G蛋白的发现使用使Gilman与Rodbell于1994年获诺贝尔医学生理学奖。植物G蛋白研究始于1980年代后期，蛋白印迹法检出的多种G蛋白分子量大都在3137KD之间。用GTP结合试验、免疫反应、分离纯化以及分子生物学和生理试验说明植物中存在G蛋白类似物，但其结构是否与动物G蛋白相同仍有待研究。,细胞内信号,1Ca2+信号 （1）Ca2+信使不同的胞外刺激引起的胞内Ca2+信号也不仅仅是C
18、a2+ 的变化，而是有多种Ca2+信号形式，其中多数产生一种短暂（从秒到分量级）、突发而单一的Ca2+峰；而激素GA及细胞分裂常常表现一种适度而持久（分小时）的Ca2+增加，缓慢回落；ABA与植物生长素（Auxin）则常表现为Ca2+振荡（出现多个Ca2+峰）。,植物细胞Ca2+转移系统的研究取得了重要进展。质膜Ca2+泵蛋白已在玉米叶和鸭趾草细胞上纯化并重组入脂质体，并产生ATP依赖的Ca2+吸收。 （2）钙调蛋白 Ca2+信息通过其受体-钙调蛋白的传递信息。已研究的植物钙调蛋白有两种：钙调素（CM）和钙依赖的蛋白激酶。,2双信使 （1）已肯定植物细胞质膜中三种主要的磷脂酰肌醇，即PI、PI
19、（4）P及PI（4、5）P2，其中PI（4、5）P2水解产生的肌醇三磷酸（I（1、4、5）P3）及甘油二脂（DG）两个胞内信使，以及两种信使进一步代谢的产物等。同时整个磷脂酰肌醇代谢的多种酶，如磷酯酶C、质膜上的PI及PI（4）P激酶、DG激酶的多种磷酸酶也已被鉴定出来。 （2）植物细胞中存在IP3/Ca2+传递途径的观点得到更多支持。,第三章植物的氮硫代谢(于虹曼）,Nitrogen and Sulfur often exist in soli at oxidized form ,they must be reduced before utilized by plant metabolism
20、 Few group of plant can obtain NH4+ from N2 by symbiosis nitrogen fixing process Nitrate uptaking by plant is mediated by high and low proton symporters NRT1 and NRT2 And it was reduced by nitrate reductase and nitrite reductase to amommonium for amino acid synthesis Sulfur which derived and reduced
21、 from sulfate , is essential for life. many enzymes for sulfate reduction and sulfur assimilation in plant has been defined and mechanisms for regulation was revealed,第四章植物钾的代谢,1.钾离子是植物细胞中含量最丰富的阳离子之一。它的功能： K+能促进细胞内酶的活性。细胞内有50多种酶或完全依赖于K+ ，或受K+的激活，如丙酮酸激酶、谷胱合成酶、6-磷酸果糖激酶等能被K+激活。作用方式为：同其他一价阳离子都是通过诱导酶构象的改
22、变，使酶得到活化，从而提高催化反应的速率。在某些情况下K+能增加酶对底物的亲和力。K+对膜结合ATP酶也有激活作用。,2.K+与蛋白质的合成有关。小麦胚芽中分离出的核糖体，合成蛋白质达到最佳速率时，其所需K+浓度为130mM。 3 K+可能参与tRNA与核糖体结合过程中的几个步骤。 4 K+能调节植物体的许多生理功能，如增强植物光合作用，增强植株体内物质合成和转运，提高植物抗性，维持细胞膨压等。,一、转运途径 1 真核生物细胞膜上存在Na+ - K+ ATPase，高亲和K+吸收转运体和组织特异性的K+通道。 2 原核生物中至少有4种功能上独立的K+转运系统。,第五章植物的磷代谢,磷是植物生长
23、发育不可缺少的大量营养元素之一，是植物的重要组成部分，同时又以多种方式参与植物体内各种生理生化过程，对促进植物的生长发育和新陈代谢起重要作用 我国农田中有2/3严重缺磷。原因： 被酸性土壤中的铁铝氧化物及石灰性土壤中的碳酸钙化合物固定，成为难被利用的固态磷。如石灰性土壤中磷肥当季利用率一般只有10左右。-土壤磷的遗传学缺乏。实际上，酸性红黄壤与石灰性土壤中总磷一般比有效磷高几百倍。土壤中的总磷很低土壤学缺磷（本质缺磷）。 高亲和磷酸盐吸收转运体基因及表达 分离到的基因 AtPT1、AtPT2、PHT1、PHT2、PHT3、pht1。其中前两者是最早分离到的高亲和磷酸盐吸收转运体基因。,第六章光
24、合作用（海梅荣）,The overall process of plant, algae ,and prokaryotes directly using light as energy to synthesize organic chemicals In eukaryotic organism photosynthesis is occurred in chloroplast and its is composed of “light” and “dark” reaction Light reaction involved photosynthetic pigments ,photosynth
25、etic proton transporter chain and ATP synthesis machinery Dark reaction is process involving reduction CO2 to carbohydrates For surviving plant developed C3 C4 and CAM pathways,Photosynthesis,H2O,CO2,O2,C6H12O6,Light Reaction,Dark Reaction,Light is Adsorbed By Chlorophyll,Which splits water,Chloropl
26、ast,ATP and NADPH2,ADP NADP,Calvin Cycle,Energy,Used Energy and is recycled.,+,+, ,第七章植物基因工程,Transgenic plants have potential to impact many areas, including our food supply and our healthcare system and basic research There is no doubt that the technology works It is essential that proper testing o
27、f all products be carried out prior to commercialization. Popular transformation method is Agrobacterium tumefacis mediate method and its mechanisms,Genes and Proteins,Restriction enzymes,As biological scissors,“Gene Gun” Technique,Gene gun,Electroporation Technique,Power supply,Plant Expression Vec
28、tor Mono Vector System Two component Vector system,Genes = the coding system for instructions A gene = is a segment of DNA,Guanine (G),Cytosine (C),Adenine (A),Thymine (T),bases,DNA,DNA and Genes,gene,Restriction enzymes,As biological scissors,Next Generation of Transgenic Crops,Plant-based vaccines
29、 Enhanced nutritional content Functional foods and phytoceuticals Transgenic plants for phytoremediationPlant-derived plastics and polymers,第八章植物激素及其信号传导,Biosynthesis ,catabolic and conjugated pathway of hormone for homeostasis of plant hormone pools Factions and partial signaling pathway of GAs, CT
30、Ks, IAA , ABA , Ethylene, BRs, PAsand JA will be discussed,Comparison between auxin and gibberellin signaling pathway,第九章植物的生殖与发育,Inducing of flower and MADs genes expression Gametes formation and double fertilization Seed development and gene expression,第十章 植物的衰老与细胞程序化死亡,Selective cells tissues and
31、 organs are essential for plant development and survival PDC: any process which involving protoplasm,W/O cell wall is eliminate as part of development and adaptive events in life cycle of plant,Senescing cell turn on chlorophyll degrading pathway and unmasking carotenoid and other pigment , protein
32、and nuclear acid are broken down for transporting nitrogen or phosphate for reutilization Plant hormone influences the sequencing process HR is part of PDC and it mechanism and function for preventing pathgens further infection,H2H2 induced ,第十一章：植物的次生代谢,ENERGY,hn,CO2,O2,H2O,“N”,N2,NO2-/NO3-/NH4+,TR
33、ACE METALS,Na, Ca, K, Mg Fe, Cu, Co, Mo,Photosynthesis,A TYPICAL PLANT,Glycolysis,bacteria,H2O,(daytime),Respiration,(nighttime),PRIMARY METABOLISM,Primary metabolism comprises the chemical processes that every plant must carry out every day in order to survive and reproduce its line.,Photosynthesis
34、 Glycolysis Citric Acid Cycle Synthesis of amino acids Transamination Synthesis of proteins and enzymes Synthesis of coenzymes Synthesis of structural materials Duplication of genetic material Reproduction of cells (growth) Absorption of nutrients,SECONDARY METABOLISM,Secondary metabolism comprises
35、the chemical processes that are unique to a given plant, and are not universal.,Secondary metabolism is the chemistry that leads to the formation of a natural product.,Sometimes portions of this chemistry are common to a number of different plants or plant families, but the actual chemical produced
36、(natural product) is usually different in one plant than in another.,Common chemical precursors can lead to different results.,Secondary metabolites (in most cases) do not appear to be necessary to the survival of the plant, but they may give it a competitive advantage.,CO2 + H2O,Photosynthesis,Gluc
37、ose,Carbohydrates,G L Y C O L Y S I S,Acetyl CoA,Citric AcidCycle,Fatty Acids Lipids,Acetogenins Terpenes Steroids,Building Blocks,Amno Acids,Proteins,synthesis,enzymes,regulation,Nucleic Acids,reproduction,Alkaloids,Phenyl- propanoids,RNA DNA,PRIMARY METABOLISM,SECONDARY METABOLISM,SECONDARY METABO
38、LISM,hn,CO2 + H2O + ATP,Flavonoids,photosynthesis,Glucose (6 carbons),starch,n,glycolysis,phosphoenol pyruvate (PEP) (3 carbons),acetyl- coenzymeA(2 carbons),energy (ATP)+ CO2 + H2O,mevalonicacid,terpenes steroids carotenoids,erythrose- 4-phosphate,shikimic acid,anthanilic acid,phenylalanine tyrosin
39、e,tryptophan,oxalo- acetate,lysine ornithine,aspartic acid,nicotinic acid,glutamic acid,NH3,Secondary Metabolites?,Primary Metabolites (PMs) The universal compounds found in all plants: the known sugars, protein amino acids, purines, purimidiness of nucleic acids, chlorophylls, etc. Secondary Metabo
40、lites (SMs) All other plant chemicals that vary in plant species and also do not appear to have an essential role in metabolism: Alkaloids, terpenoids, phenolics, etc.,OriginSecondary Metabolites are said to have first been a photosynthetic byproduct or chemical waste, proving fit those plants creat
41、ing them. Then evolution did its stuff,1) According to carbon skeletal type. This was found to be “far too cumbersome for practical use.”2) According to biogenesis or biosynthetic origin. This is the most widely used system of SM classification.,Using a biosynthetic classification system, largest gr
42、oups of Secondary Metabolites: Terpenoids Alkaloids and other nitrogen compounds Phenolics,Classification Choices,第十二章 RNAi,Definition History Advancement Mechanism Applications,Why is RNAi important?,Most widely held view is that RNAi evolved to protect the genome from viruses (or other invading DN
43、As or RNAs) Recently, very small (micro) RNAs have been discovered in several eukaryotes that regulate developmentally other large RNAs May be a new use for the RNAi mechanism besides defense,Recent applications of RNAiModulation of HIV-1 replication by RNA interference. Hannon(2002).Potent and spec
44、ific inhibition of human immunodeficiencyvirus type 1 replication by RNA interference. An et al.(1999)Selective silencing of viral gene expression in HPV-positive human cervical （颈 ）carcinoma cells treated with siRNA, a primer of RNA interference. Jung et al. 2002.RNA interference in adult mice. Mcc
45、affrey et al.2002Successful inactivation of endogenous Oct-3/4 and c-mos genes in mouse pre implantation embryos and oocytes usingshort interfering RNAs. Le Bon et al.2002,Posttranscriptional gene silencing,Promoters active Gene hypermethylated in coding region Purpose - Viral immunity?,S. Grant (19
46、99),Transcriptional gene silencing (TGS),Posttranscriptional gene silencing (PTGS),This has recently been termed “RNAi”,Promoters silenced Genes hypermethylatedin promoter region Purpose - Viral immunity?,RNAi(RNA interference)是近年来发现的在生物体内普遍存在的一种古老的生物学现象，是由dsRNA介导的由特定酶参与的特异性基因沉默现象，它在转录水平、转录后水平和翻译水平上阻断基因的表达。RNAi是真核生物体抵抗外源基因(如病毒基因、转座子、人工转入基因等)入侵的一种保护性反应，它还是生物体在不同时期通过调控基因表达来调节细胞分化的机制。RNAi已成为一种极为有用的使基因失活的工具应用于多方面的研究中。,
