《植物营养原理》课件 第一章 绪论.ppt

- Principle of Plant NutritionPrinciple of Plant Nutrition (植物营养原理) 学时：48个，3个学分 性质和地位：学位课(植物营养学专业) 重点掌握： 1 植物营养学科发展的动态及前沿领域。 2 植物养分吸收、运转、转化及其营养功能 的理化机制和分子机理。 3 植物适应非生物逆境胁迫的根形态、生理 生化和分子机理。 4 植物营养的新方法、新技术等。 课堂讲授 第一讲 绪论 第二讲 植物对养分物质的吸收 第三讲 养分在植物体内的运输 第四讲 植物大量营养元素 第五讲 植物中量营养元素 第六讲 植物微量营养元素 第七讲 植物抗非生物环境 第八讲 植物营养研究的现代技术概况 实 验 学时：8学时（1 d），12周周六，日各1组。 内容： RNA (DNA)的提取，浓度测定，质量检测， 反转录，特异基因的PCR扩增与电泳等。 地点：资环楼（土化楼）2楼 课堂形式：课堂讲授、实验和自学 考核方式：笔试60%、试验10、读书报告30% 参考书 1 Principles of Plant Nutrition， K. Mengel and E. A. Kirkby 2 Mineral Nutrition in Higher Plants， Horst Marscher 3 Biochemistry and Molecular Biology of plants. Bob B. Buchanan et al. （ 或 瞿礼嘉等翻译。植物生物化学与分子生物学。2004 ， 北京 科学出版社） 4 植物营养分子生理学，吴平等，2001，科学出版社 5 高级植物营养学，廖红，严小龙，2003, 北京科学出版社 读书报告的要求（30%） 1 纸质报告（20%） 2 报告（10%） 要求： 1 15篇2005年第1期之后的SCI文献的读后心得（有别 于摘要，应具有评价），包括：前言（问题的提出和研 究目的），材料和方法，主要结果，讨论（学术观点、 研究的意义、存在的问题等），并鼓励对论文的结果、 观点进行评论。 10002000字（单词），鼓励用英文 写，但不能抄原文。 2 PPT报告时间1015分钟（含提问讨论），图表文有 机结合！ 3 能反应学科前沿！ 要自学！要投入！ Lecture 1 Introduction 1 植物营养的早期探索 2 植物矿质营养学说的建立和发展 3 现代植物营养学研究进展 4 植物营养学的研究内容 5 植物营养学的研究方法 6 我国植物营养学面临的挑战 Aristotle (384-322 B.C.) All matter was composed of the four basic elements: earth, air, fire and water. 古时候人们认为 植物营养来自腐烂有机物所形成的一种物质， 即腐殖质。 1 植物营养的早期探索 van Helmont （1577-1644, Belgium） Willow experiment (1640) Soil: 200 P Willow: 5 P Rain water 5 years later Willow: 169P (S and R) Soil: lost 2 Ounces Water is only nutrient matter of plant-water nutrition theory -Soil and salt have nutrition role！ Woodwards Experiment with spearmint(1699) Solutions Provided Increase of plant Weight (a) Rain (=distilled ) water 62% (b) River water 93% (c) Drain water 126% (d) Drain water plus soil solution 309% Woodward （1665-1782，England) 18世纪末，普遍认为植物营养包括水、气、土、盐、硝、油和 火（燃素）等。 Von Thaer（1752-1828, Germany） 提出腐殖质营养学说（ humus theory ） Humus was the sole source of plant nutrition, and inorganic elements were considered to act merely as “stimulants” De Saussure ( 1733-1804，Switzerland) 不同浓度CO2的空气中培养植 物，测定空气中剩余的CO2含量 与植物体中的碳含量，证明植 物中碳来自空气中的CO2。 准确测测定植物灰分组组成，发发 现矿质现矿质 元素来自土壤。 CO2 C, O, H come from air, and mineral elements from soil. De Saussure ( 1733-1804，Switzerland) # Established a precedent for quantitative plant nutrition # Plant composition varied with the nature of soil and the age of the plant. Boussingault (1802-1887, France) The first person to establish experiment station and do field trials to confirm the results of Saussure （田间试验）(1834). And found that non-legumes absorb nitrates and ammonium salts from the soil by the roots, and satisfied N requirement. 豆科植物从空气中固氮，并能提高土壤中的 氮含量。 2 植物矿质营养学说的建立和发展 Justus von Liebig 普良尼什尼柯夫 尤李比西 (Justus Von Liebig 1803-1873， Germany) Giessens university was founded 1607. The official name “Justus-Liebig-University“ stems from the famous German “Justus von Liebig“, who became professor in Giessen at the age of 21 and who taught in the agricultural chemistry department for 28 years. Organic chemistry in its application to agriculture and physiology (1840) Three main theory A: Mineral Element Theory (矿质营养学说） C： Minimum Nutrient Law（最小养分律，1843） B: Nutrient Return Theory （归还学说） 李比希是植物营养学科 杰出的奠基人！ 杰出学者，光辉著作 纪念农业化学奠基者 尤李比希逝世110周年 (金善宝，1983) Justus von Liebig 1803-1873 尤李比西 (Justus Von Liebig 1803-1873， Germany) Giessens university was founded 1607. The official name “Justus-Liebig-University“ stems from the famous German “Justus von Liebig“, who became professor in Giessen at the age of 21 and who taught in the agricultural chemistry department for 28 years. Rothamsted Research Institute The oldest agricultural research station in the world founded by John Bennet Lawes in 1843 John Bennet Lawes Start the long-term field experiments in 1843 Practices and Principles of crop nutrition Soil Science Pesticide Resistance Nematology Virology 1843年Lawes (鲁茨 )建立 洛桑实验站 1843 兽骨加硫酸制成过磷酸钙-磷肥工业 1855年德国开采钾盐矿制成钾肥 1903 挪威由电弧法制造硝酸钠 1905 电石法固定氮素制造石灰氮 1913 德国合成氨 1934 侯德榜 普良尼什尼柯夫 (1865-1948) - 3 现代植物营养学研究进展 Hoagland Epstein Barber Marschner Hoagland (1884-1949,University of California) Hoagland 营养液，无土栽培（水培）产业的迅 猛发展。 Epstein （University of California, ） 离子吸收的酶动力学假说（1950s）， 离子泵假说，变构酶假说，离子通道，转 运子等 Barber (Purdue University) 植物养分生物有效性，应用数学模型研究养分在 根土界面中的运动规律。 Marschner （1929-1996，Hohenheim University) 开展根际营养的研究，阐明根际分泌物对养分吸收 的作用，提出植物适应缺铁胁迫的途径I 和途径II。 “创新是民族进步的灵魂，是国家兴 旺发达的不竭动力。- 如果不能创新 ，一个民族就难以兴盛，难以屹立于世 界民族之林。” 江泽民 (1995) 植物营养学发展中最重要的创新! 1) 布森高(Boussingault)1834年，开创了田间试验 2）李比西在18401843间创建植物营养的三大学说 1843年制成过磷酸钙 1855年制成钾肥 1903年制成硝酸钠 1905年制成石灰氮 1913年合成氨 3) 鲁茨(Lawes)1843年创立英国洛桑试验站 4) 萨克斯(Sachs)和克诺普(Knop)1860年和1861年， 水培试验研究的先躯 5) 普良尼施尼柯夫20世纪初，主张把植物土壤肥料 联系起来研究，提出“肥肥土，土肥苗”的观点，形成了“生理 学路线的农业化学派” 6) 阿农(Arnon)和斯道特(Stout)1939年，提出高等植物必需 营养元素的三条标准 7) 植物必需微量元素的发现和确定：1860，19221938，1954 9) 元素功能等方面研究： 深入理解了16种必需营养元素得营养生理作用； 明确了有益元素及其与有害元素间的差异； 加强了中量元素得研究； 认识了营养元素之间相互作用的重要性； 微量元素的功能研究进展迅速； 完善了养分跨膜运输理论，更新了许多传统概念 8) 霍格兰(Hoagland)和阿农(Arnon) 20世纪2030 年代，研究营养液中营养元素。 11）Epstein提出离子吸收的酶动力学假说（1950s）， 离子泵假说，变构酶假说，离子通道，转运子等 12）Barber 提出植物养分生物有效性，发明系列应用数学 模型研究养分在根土界面中的运动规律（ 1970s ）。 10) 根际 海得尔(Hiltner)在1904年提出根际的概念； 德国马斯纳(H. Marschner)自20世纪80年代以来， 系统地开展了植物根际营养的研究。 Dennis Hoagland Emanuel Epstein University of California “植物营养遗传学” 和 “植物营养生态学” 都 是21世纪人类重要的 研究课题 13) 创立“植物营养遗传学”：美国的爱泼斯坦(E. Epstien)在 植物的矿质营养( 1972年)一书中详细叙述了植物营养遗传性 状；我国的严小龙等编著了植物营养遗传学。 14) 提出“植物营养生态学”：研究植物土壤及其环境的相互 关系；Rorison在植物矿质营养的生态问题(1969)一书总结 了当时植物营养生态的研究成果；近年来环境保护更成为研究 的热点 15). Anderson 和Sentenac等(1992)克隆拟南芥钾离子通道基因 KAT1和AKT1，并转化缺乏钾离子通道活性的酵母和非洲瓜蛙 母细胞的突变体中获得成功 (Anderson PNAS 1992; Sentenac et al. Science 1992)。 K+ NH4+, NO3+ H2PO4- Ca, Mg, S, Zn, Fe, B, Si - 如雨后春笋！ 古典时期 （19世纪） 新古典发 展时期 （20世纪 前半叶） 现代植物营养 发展时期 （20世纪50年代以后） 100多年来，植物营养学从零散的经验和 现象描述到揭示机理，最后建立完整的学科体 系，经历了 在现代植物营养发展时期，植物营养 学科逐渐与其它学科相互滲透，形成许 多新的研究领域并获得大量成果。经过 长期积累并不断充实，植物营养学已逐 渐发展为一门体系更为完整，内容更加 丰富，并具有现代科技特点的一门学科 。 4 植物营养学的研究内容 植物营养原理 肥料学 作物施肥学 植物营养研究法 植物营养原理 是这个学科的核心，包括： 植物营养元素的种类及其主要功能； 营养元素的吸收、运转、同化及代谢过程和分子 机理； 植物营养与植物各时期的生长、发育和环境的关 系等； 植物营养性状的遗传改良等。 涉及植物生理学、生物化学、生态学、遗 传学、分子生物学等学科。 Agronomy Traditional Understanding on Plant NutritionTraditional Understanding on Plant Nutrition Plant Nutrition Plant PhysiologyPlant Physiology Soil ScienceSoil Science Crop Plant Soil Fertilizer Soil ScienceSoil Science Plant Nutriology Plant Plant PhysiolPhysiol. . Molecular BiologyMolecular Biology AgronomyAgronomy GeneticsGenetics Molecular Molecular GeneticsGenetics Environ. Environ. EcologyEcology Modern Discipline of Plant NutritionModern Discipline of Plant Nutrition Medical Medical ScienceScience qqGenomicsGenomics qqProteomicsProteomics qqMetabomicsMetabomics qqPlant Plant NutriomicsNutriomics qqIonomicsIonomics Main Goals of Plant Nutriology nTo increase crop productivity -food security nTo enhance resource use efficiency - sustainability nTo improve plant quality - food safety nTo improve environ. quality-ecological safety nTo secure ecosystem health-human health 5 植物营养学的研究方法 生物试验和植物营养分析 生物试验： 田间试验 培养试验 实验室试验 植物营养分析： 化学分析，仪器分析，分子生物学分析（个 体组织细胞亚细胞分子水平）； 3S 技术。 国内 人口数量持续增长（2030：16亿) 粮食需求持续增长（5亿吨+1.4亿吨） 农业土地持续减少（年减少3000万亩） 单产大幅度增加是保障我国粮食安全的必由之路 6 我国植物营养学面临的挑战 肥料施用量 万吨） 粮食总产（万吨）、单产（kg/10hm2 ） 中国 国家高峰年 用量 Mt 2000年 用量Mt 2000年占高峰年 % 德国19795.32.751.7 日本19792.31.562.0 英国19862.71.763.9 法国19896.14.167.9 美国198021.5 18.586.2 部分发达国家2000年化肥消费量与高峰年消费量的比较 18.5 51.9 40.2 西欧国家化肥消费量的变化及与高峰年消费量的比较西欧国家化肥消费量的变化及与高峰年消费量的比较 荷兰环保政策和波兰政治危机对化肥施用的影响 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 19611965196919731977198119851989199319972001 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 化肥总量(百万吨) 单产 (吨/公顷) 总产 (千万吨) 德国化肥消费量和粮食产量40年来的变化 单产(吨/公顷)和总产(千万吨) 化肥总量(百万吨) 在现有品种基础上，目前增加单产主要靠化肥投入 氮肥用量占全世界总用量的33%（2000： 2467万/7276万t） 磷肥用量占全世界总用量的29%（2000： 1154万t/4000万t） 2030年化肥总用量将突破6000万吨 肥料施用量 万吨） 粮食总产（万吨）、单产（kg/10hm2 ） 提高单产而过量施肥造成的问