植物-plantcell

1、為什么要研究植物?,www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.109.tt1009,植物，像大多數(shù)動物一樣，是多細(xì)胞真核生物,Photo credits: Public Health Image Library; NASA; © Dave Powell, USDA Forest Service; tom donald,多種多樣的植物,綠藻,地衣,苔蘚,石松類,蕨類植物,圓錐花序植物,禾本植物

2、,寬葉植物,植物進(jìn)化出能在不同類型陸地生息繁衍的能力,Images courtesy tom donald,陸生植物,維管植物,種子植物,有花植物,植物能使我們快樂,Dravigne, A., Waliczek, T.M., Lineberger, R.D., Zajicek, J.M. (2008) The effect of live plants and window views of green spaces on employ

3、ee perceptions of job satisfaction. HortScience 43: 183–187. Photo credit: tom donald,據(jù)報道，在工作時，能見到植物的人比不能見到植物的人有明顯的工作滿足感。,植物是神奇的生命有機體,,最大的花 (~ 1米),最長的壽命 （ ~ 5000 年）,最高的生物體 (> 100米),Photo credits: ma_suska; Bradluke22;

4、 Stan Shebs,沒有植物，我們就不能生存,植物提供我們呼吸所需的大部分氧氣。植物為我們提供我們需要的化學(xué)能，如食物和燃料。植物提供了多種多樣的有用的化合物。,沒有氧氣，我們就不能生存！,,無氧氣,Joseph Priestley 認(rèn)為動物的呼吸會“污染”空氣。 生活在密閉空間的動物最終會死亡。,沒有氧氣，我們就不能生存!,產(chǎn)生氧氣,Priestley 也認(rèn)識到植物可以“凈化空氣”。 現(xiàn)在，我們知道，作為光合作用的副產(chǎn)物，

5、植物可以產(chǎn)生氧氣。,,植物可以固定二氧化碳，生長成富含能量的生物體，作為動物的食物,植物通過“光合作用”把二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)樘穷悺?植物可以產(chǎn)生多種多樣神奇的化合物,,CO2,為什么要研究植物？,有利于保護瀕危植物和環(huán)境更多地了解自然界更好的利用植物資源，為我們提供食物、藥品和能源,Photo credit: tom donald,,研究植物使我們更好地了解我們的世界,羅伯特·虎克 畫的軟木結(jié)構(gòu), 發(fā)現(xiàn)了“細(xì)胞”,細(xì)胞首先

6、在植物中被觀察到,光學(xué)顯微鏡下的軟木塞,Photo credit: ©David B. Fankhauser, Ph.D,,病毒首先從植物中被純化出來,煙草花葉病毒,病毒能感染人類和植物，造成許多疾病，如：艾滋病、肝炎、SARS、豬流感、子宮頸癌、禽流感和小兒麻痹癥。,Image Copyright 1994 Rothamsted Research.,孟德爾的豌豆實驗揭示了遺傳的規(guī)律,孟德爾的豌豆實驗揭示了遺傳的規(guī)律,能幫助我

7、們了解疾病，比如鐮刀形細(xì)胞貧血癥...,孟德爾的豌豆實驗揭示了遺傳的規(guī)律,...血友病，和其他數(shù)不盡的人類遺傳病。,攜帶血友病基因的家族譜系,孟德爾的豌豆實驗揭示了遺傳的規(guī)律,孟德爾的工作奠定了植物遺傳和育種的基礎(chǔ)。,著名的植物育種學(xué)家Norman Borlaug 1914-2009,1970 年諾貝爾獎獲得者,為什么研究植物？,世界人口不斷增長,,,,從1950年到2020年，世界人口有望增長3倍，從25億人口增長到75億人

8、口,,,世界人口不斷增長,,,,,,植物研究的一個主要目標(biāo)是提高作物產(chǎn)量，估計未來40年我們需要將產(chǎn)量提高70% 。,營養(yǎng)不良和饑餓造成兒童死亡,,在2004年，全球有6000萬人死亡。,(Source:  World Health Organization, 2008),,,,他們中1000萬人小于5歲，他們中99%的人生活在低等或中等收入的國家。,(Source: The State of the World&#

9、39;s Children, UNICEF, 2007),營養(yǎng)不良和饑餓造成兒童死亡,,,,每年有5百萬5歲以下的兒童死于營養(yǎng)不良和相關(guān)的原因。每6秒，就有一位學(xué)齡前的兒童死于本來可以避免的原因。,營養(yǎng)不良和饑餓造成兒童死亡,,,,,每年，由于缺乏維生素A，有100萬兒童死亡。,(Source: Vitamin and Mineral Deficiency, A Global Progress Report, UNICEF),營養(yǎng)不良

10、和饑餓造成兒童死亡,面對一種影響美國、加拿大和歐洲的病害，世界應(yīng)該怎么辦？,全球范圍內(nèi)，每年超過10億人處于長期慢性饑餓的狀態(tài)。,這超過了美國、加拿大和歐洲人口的總和。,(Source: FAO news release, 19 June 2009),這大概是美國、加拿大、歐洲和中國人口的總和。,(Source:  World Health Organization, WHO Global Database on Anaem

11、ia),由于缺鐵，每年超過20億人患有慢性貧血病,面對這些問題，科學(xué)家能做什么?,通過培育新型作物耐干旱脅迫需要較少的水肥抗病蟲更有營養(yǎng),植物學(xué)家可以為緩解饑餓作出貢獻(xiàn),植物生長經(jīng)常受干旱條件的限制,Image source: IWMI,物理性及經(jīng)濟性水資源缺乏區(qū)域,未發(fā)生水缺乏物理學(xué)水缺乏接近物理性水缺乏經(jīng)濟性水缺乏未估算,干旱脅迫伴隨著全球氣溫上升,Gornall, J., Betts, R., Burke, E.,

12、 Clark, R., Camp, J., Willett, K., and Wiltshire, A. Implications of climate change for agricultural productivity in the early twenty-first century. Phil. Trans. Royal Soc. B: 365: 2973-2989.m,在溫帶，氣溫每升高1℃，作物的產(chǎn)量下降3-5%。,到2

13、050年，耕地平均溫度升高的一個模型。,甚至輕度的干旱脅迫也會降低作物產(chǎn)量,輕度干旱脅迫降低光合作用和生長的速率，然而極度干旱脅迫是致命的。,我們需要在逆境脅迫條件下生長良好的作物,,高溫和干旱降低植物產(chǎn)量,,,需要更多的土地來種植更多的植物,高溫和干旱降低植物產(chǎn)量,我們需要在逆境脅迫條件下生長良好的作物,,,,砍伐森林讓土地種植作物導(dǎo)致釋放更多的CO2,需要更多的土地來種植更多的植物,高溫和干旱降低植物產(chǎn)量,我們需要在逆境脅迫條件下生

14、長良好的作物,改變基因可以提高植物的抗旱能力,Yu, H., Chen, X., Hong, Y.-Y., Wang, Y., Xu, P., Ke, S.-D., Liu, H.-Y., Zhu, J.-K., Oliver, D.J., Xiang, C.-B. (2008) Activated expression of an Arabidopsis HD-START protein confers drought tolera

15、nce with improved root system and reduced stomatal density. Plant Cell 20:1134-1151.,抗旱型,野生型,發(fā)達(dá)的根系有利于抗旱,培育具有發(fā)達(dá)根系的植物可以幫助它們在干旱地方生長。,Yu, H., Chen, X., Hong, Y.-Y., Wang, Y., Xu, P., Ke, S.-D., Liu, H.-Y., Zhu, J.-K., Oliver

16、, D.J., Xiang, C.-B. (2008) Activated expression of an Arabidopsis HD-START protein confers drought tolerance with improved root system and reduced stomatal density. Plant Cell 20:1134-1151.,肥料是一種耗能的有限資源,作物需要肥料–氮、磷、鉀和其他

17、營養(yǎng)元素。鉀和磷是不可再生的礦質(zhì)元素氮肥的合成需要消耗大量的資源,Photo credits: Mining Top News; Library of Congress, Prints & Photographs Division, FSA-OWI Collection, LC-USW361-374,化肥的使用是環(huán)境污染的一個重要來源,Photo courtesy of NASA/Goddard Space Flight

18、 Center Scientific Visualization Studio,化肥的流失造成了死亡地帶，藻類瘋長，然后死亡腐爛，降低了水體中的氧含量，使水中的動物缺氧而大量死亡。,Yuan, L., Loque, D., Kojima, S., Rauch, S., Ishiyama, K., Inoue, E., Takahashi, H., and von Wiren, N. (2007). The organization of

19、 high-affinity ammonium uptake in Arabidopsis roots depends on the spatial arrangement and biochemical properties of AMT1-type transporters. Plant Cell 19: 2636-2652.,可以提高植物營養(yǎng)吸收的效率,科學(xué)家通過將作物和多年生植物雜交來降低作物對水和肥料的依賴。,土地研究所Wes

20、 Jackson手拿一種多年生小麥近緣植物偃麥草（Thinopyrum intermedium）,多年生植物比大多數(shù)作物具有更好的水分和養(yǎng)分吸收能力,Photo credit: Jodi Torpey, westerngardeners.com,目前兩種嚴(yán)重的病害威脅著世界糧食的供應(yīng),馬鈴薯晚疫病，由致病疫霉菌造成馬鈴薯生長后期枯萎，反復(fù)出現(xiàn)。小麥稈銹病，小麥稈銹菌已經(jīng)發(fā)展成為有很強侵染力的菌株。,Photo credits: ww

21、w.news.cornell.edu; www.fao.org,晚疫病危害馬鈴薯生長,馬鈴薯晚疫病由致病疫霉菌（Phytophthora infestans）引起的。在1840年的爆發(fā)造成作物失產(chǎn)，導(dǎo)致歐洲100萬人以上的死亡。,Photo credits: USDA; Scott Bauer,侵染的 對照,抗性基因的鑒定,抗性,,,接種病原菌,未接種,易感植株,左側(cè)的植株攜帶抗性基因，沒有表現(xiàn)出病癥。,,So

22、ng, J., Bradeen, J.M., Naess, S.K., Raasch, J.A., Wielgus, S.M., Haberlach, G.T., Liu, J., Kuang, H., Austin-Phillips, S., Buell, C.R., Helgeson, J.P., Jiang, J. (2003) Gene RB cloned from Solanum bulbocastanum confers b

23、road spectrum resistance to potato late blight. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100:9128–9133.,遺傳學(xué)家已經(jīng)鑒定出了一些抗性基因，并將其引入食用品種中。,小麥稈銹病是一種新型的嚴(yán)重威脅,在1999年，在烏干達(dá)出現(xiàn)一種新型高致病性的菌株，被稱為Ug99。大部分小麥缺乏對這種菌株的抗性。,被侵染的小麥,Photo credit: ARS USDA,Ug99

24、 到處威脅小麥的生長,這是一個需要關(guān)注的全球性的問題。Ug99 的孢子不因國界而停止傳播... – 聯(lián)合國糧食和農(nóng)業(yè)組織 (FAO),Photo credit: ARS USDA,這種真菌隨風(fēng)傳播,Ug99在烏干達(dá) 、肯尼亞、埃塞爾比亞、蘇丹、也門和伊朗已發(fā)現(xiàn)，并威脅中東、東非、中亞和南亞地區(qū)。,Photo credit: www.wheatrust.cornell.edu,攜帶孢子的氣流在圖上顯示為紅色。,這種

25、真菌隨風(fēng)傳播,在這些受威脅的地區(qū)，小麥?zhǔn)侵饕募Z食作物，尤其在貧窮地區(qū)。,Ug99 可能的傳播軌跡,Photo credit: www.wheatrust.cornell.edu,全球科學(xué)家合作監(jiān)控Ug99的傳播并培育抗性品種。這個時候，沒有人知道抗性植株能否及時培育出來，以避免大規(guī)模的饑荒發(fā)生.. .. ..,Photo credits: Bluemoose; FAO,植物生物學(xué)家研究采后植物保鮮的機制,收獲后，水果變軟，熟透，

26、最終腐爛。,這些生理變化導(dǎo)致水果吸引力下降，并且影響營養(yǎng)品質(zhì)。,Photo credits: Cornell University ; ARC,,馬鈴薯在儲存不當(dāng)?shù)臈l件下會變綠并積累茄堿。茄堿是有害的，較大劑量可導(dǎo)致中毒。,Photo credits: Dr. C.M. Christensen, Univ. of Minnesota.; WSU; Pavalista, A.D. 2001,玉米粒上長有曲霉菌。,釆后變質(zhì)造成50%或更

27、多的谷物收獲的損失。,植物科學(xué)家研究采后保鮮的各種方法,缺乏維生素A,饑餓,勉強生存的飲食通常是缺乏營養(yǎng)的。人體需要維生素、礦物元素和能量。營養(yǎng)不良主要發(fā)生在貧窮人群。,,貧血(幼兒童),,提高植物中的營養(yǎng)含量可以減緩營養(yǎng)不良的問題,Image sources: Petaholmes based on WHO data; WHO,,通過食用添加維生素（如葉酸、維生素A）和微量元素（如鐵、鋅、碘）的強化食物，已經(jīng)顯著緩解了世界上大多數(shù)

28、地區(qū)營養(yǎng)不良的問題。,Photo credit: © UNICEF/NYHQ1998-0891/Giacomo Pirozzi,木薯在非洲是一種營養(yǎng)含量低的主食作物,科學(xué)家已經(jīng)鑒定出一個突變體，該突變體比標(biāo)準(zhǔn)白色品種含有更多的維生素A。,Welsch, R., Arango, J., Bar, C., Salazar, B., Al-Babili, S., Beltran, J., Chavarriaga, P., Cebal

29、los, H., Tohme, J., and Beyer, P. Provitamin A accumulation in cassava (Manihot esculenta) roots driven by a single nucleotide polymorphism in a phytoene synthase gene. Plant Cell: tpc.110.077560.,標(biāo)準(zhǔn)白色品種,新發(fā)現(xiàn)的黃色品種,基因生物強化食

30、物,富含鐵的大米,野生型 (上) 和富含抗氧化物番茄,Photo credits: Golden Rice Humanitarian Board © 2007; Credit: ETH Zurich / Christof Sautter; Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: Butelli, E., et al., Nature Biotechnolo

31、gy 26, 1301 - 1308 copyright (2008).,富含維生素A的大米,植物提供的不只是食物,植物：是新型藥品的來源為造紙和紡織提供纖維原料是可再生產(chǎn)品的來源可再生能源的原料,Photo credit: tom donald,植物產(chǎn)生上百種化合物用于生產(chǎn)藥物,柳樹(Salix) ：其樹皮是生產(chǎn)阿司匹林（乙酰水楊酸）的來源毛地黃 (Digitalis purpurea) ：毛地黃（用于心臟病的治療）Pac

32、ific yew短葉紫杉 (Taxus brevifolia) 紫杉酚（用于癌癥的治療）的來源咖啡 (Coffea arabica) 和茶 (Camellia sinensis) ：咖啡因（興奮劑）的來源,數(shù)以百萬計的人死于瘧疾,圖示世界上各地區(qū)的瘧疾風(fēng)險程度。,Hay, S.I., et al., (2009) PLoS Med 6(3): e1000048. doi:10.1371/ journal.pmed.1000048,瘧疾

33、由原生動物瘧原蟲引起,小鼠細(xì)胞中的瘧原蟲,,Image by Ute Frevert; false color by Margaret Shear.,瘧原蟲是通過蚊蟲叮咬傳播的,Photo credit: CDC,,但是瘧原蟲逐漸對奎寧產(chǎn)生抗藥性，因此需要尋找其他抗瘧疾的藥物。,Image credits: Köhler; CDC,金雞納樹樹皮含有奎寧，其可以殺死瘧原蟲,杜松子酒和奎寧？,(Crown copyright;

34、Photograph courtesy of the Imperial War Museum, London - Q 32160),在熱帶地區(qū)的英國士兵配有奎寧藥片用來預(yù)防瘧疾。為了掩蓋其苦味，在奎寧中加入甜甜的蘇打水和杜松子酒——這就是“杜松子補酒”的來源。,青蒿素是一種新型的抗瘧疾藥物,Photo credit: www.anamed.net,青蒿素,中國藥劑師已經(jīng)使用青蒿上千年了。1972年其活性成分“青蒿素”才被提取出來。,植物

35、學(xué)家正在研發(fā)高產(chǎn)的青蒿,Photo credit: www.york.ac.uk/org/cnap/artemisiaproject/,植物可產(chǎn)生安全便宜的可食用疫苗和抗體,植物細(xì)胞壁提供了重要的耐用材料,木材主要是由植物細(xì)胞壁組成的。,Photo credit: tom donald,細(xì)胞壁,Photo credit: www.wpclipart.com/plants; Zhong, R., et al., (2008) Plant

36、Cell 20:2763-2782 .,初級植物細(xì)胞壁主要是由糖類和蛋白質(zhì)組成的。,一些細(xì)胞利用木質(zhì)素（一種不可溶性的交聯(lián)大分子化合物）生成堅硬的次生細(xì)胞壁,木材和纖維遍及各處,Rembrandt van Rijn (1631),衣服由植物纖維制成（棉花、亞麻）,在利用紙莎草之前，植物纖維用于造紙,木材用于制造建筑物和家具,油畫布是由亞麻和大麻纖維做成的。,植物提供纖維用于造紙和紡織行業(yè),當(dāng)前正在培育抗蟲和高纖維產(chǎn)量的棉花品種,Phot

37、o credits: Chen Lab; IFPC,作為造紙行業(yè)的纖維來源，楊樹的基因組測序最近剛完成,基因組的信息可用于提高紙張生產(chǎn)的效率,Photo credit: ChmlTech.com,,植物可取代石油來生產(chǎn)多種產(chǎn)品和用途,creativecartoons.org.,然而將古代有機物轉(zhuǎn)化為石油需要上億年，現(xiàn)在石油資源正日益枯竭。,石油是一種不可再生資源。,,,,,,creativecartoons.org.,然而將古代有機物

38、轉(zhuǎn)化為石油需要上億年，現(xiàn)在石油資源正日益枯竭。,石油是一種不可再生資源。,,,,,當(dāng)我長大后想變成化石燃料,植物可取代石油來生產(chǎn)多種產(chǎn)品和用途,植物可以作為生物燃料的來源,,太陽能,Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory,蔗糖、淀粉和纖維素可用于生產(chǎn)乙醇,植物可以作為生物燃料的來源,Image sources: T

39、ilo Hauke, University of Minnesota, Iowa State University Extension.,油菜、藻類和大豆產(chǎn)生的生物柴油正在代替石油衍生的柴油。,,生物能源作物不會影響食物產(chǎn)量和價格,芒草（Miscanthus giganteus）是一種速生的多年生能源作物，可在不適合作物生長的土地上生長。,Photo Illustration courtesy S. Long Lab, Universi

40、ty of Illinois, 2006,從細(xì)胞壁纖維素提取的乙醇是一種重要的能源,,,乙醇,Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory,植物是可再生和可降解生物原材料的來源,,太陽能,可再生的植物原料可生產(chǎn)塑料,Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University

41、 of Illinois, 2006,,,生物降解,科學(xué)家正在研究將植物轉(zhuǎn)化為塑料的高效方法。,Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006,植物是可再生和可降解生物原材料的來源,太陽能,為什么研究植物？,學(xué)習(xí)植物可以增加我們對生命的基本認(rèn)識，幫助我們與植物和諧相處，提供我們必需的食品、健康、住所、衣服和帶來快樂。,“Why Study Pl

42、ants?”Created by the American Society for Plant Biology and published in the series “Teaching Tools in Plant Biology” on the website of The Plant Cell (http://www.plantcell.org),Translated by Peng Zhang and Zuhua He S