植物的生长生理1

关于植物的生长生理1任何一种生物的个体，总是要有序地经历发生、发展和死亡等时期，人们把生物体从发生到死亡所经历的过程称为生命周期(lifecycle)。第一节细胞发育开花植物的生长周期

一、生长发育的概念第2页,共54页，2024年2月25日，星期天

种子植物的生命周期，要经过胚胎形成、种子萌发、幼苗生长、营养体形成、生殖体形成、开花结实、衰老和死亡等阶段。

生命周期中呈现的个体及其器官的形态结构的形成过程，称作形态发生(morphogensis)或形态建成。伴随着形态发生，植物体发生着生长、分化和发育的变化。（A）拟南芥的示意图。（B）表现花器官的花的示意图。（C）丛生叶的营养植株（D）成熟的植株。第3页,共54页，2024年2月25日，星期天1.生长(growth)生长是指在生命周期中，生物的细胞、组织和器官的数目、体积或干重的不可逆增加的过程。通过原生质的增加、细胞分裂和细胞体积的扩大来实现。营养生长(vegetativegrowth)——营养器官(根、茎、叶)的生长，生殖生长(reproductivegrowth)——繁殖器官(花、果实、种子)的生长。根据生长量是否有上限，把生长分为：有限生长(determinategrowth)：叶、花、果和茎的节间等器官的生长属于有限生长类型；无限生长(indeterminategrowth)：营养生长中的茎尖和根尖生长，以及茎和根中形成层的生长属于无限生长类型。第4页,共54页，2024年2月25日，星期天2.分化(differentiation)分化是指从一种同质的细胞类型转变成形态结构和功能与原来不相同的异质细胞类型差异性生长的过程。植物的分化可从不同水平上表现出来：细胞、器官、组织细胞水平：受精卵细胞分裂转变成胚；薄壁细胞分化成厚壁细胞、导管细胞、筛管细胞器官水平：从生长点转变成叶原基、花原基；根尖分化出根毛。组织水平：从形成层（分生组织）转变成输导组织、机械组织、保护组织等。干细胞细胞与组织的分化是在生长过程中发生的，因此分化又可称为“变异生长”。第5页,共54页，2024年2月25日，星期天3.发育(development)发育是指在生命周期中，生物的组织、器官或整体在形态结构和功能上的有序变化过程。叶发育：叶原基→幼叶→成熟叶根发育：根原基→幼根→完整的根系花发育：花原基→花蕾→开花。果实发育：受精后子房膨大→果实形成→成熟。广义上的发育概念：泛指生物的发生与发展。狭义上的发育概念：仅指生物从营养生长向生殖生长的有序变化过程，其中包括性细胞的出现、受精、胚胎形成以及新繁殖器官的产生。人们常把生长发育连在一起谈，这时发育的概念也是狭义的。第6页,共54页，2024年2月25日，星期天4.生长、分化和发育的相互关系生长、分化和发育之间区别：生长-是量变，是基础；分化-是质变，变异生长；发育-是器官或整体有序的量变与质变。生长、分化和发育的相互关系发育包含了生长和分化，如：花的发育：包括花原基的分化和花器官各部分的生长；

果实的发育：包括了果实各部分的生长和分化等。发育必须在生长和分化的基础上才能进行；生长和分化又受发育的制约。例如，水稻幼穗的分化和生长必须在通过光周期的发育阶段之后才能进行；油菜、白菜、萝卜等在抽薹前后长出不同形态的叶片，这也表明不同的发育阶段有不同的生长数量和分化类型。第7页,共54页，2024年2月25日，星期天发育是遗传信息在内外条件影响下有序表达的结果：发育在时间上有严格的进程，如种子发芽、幼苗成长、开花结实、衰老死亡都是按一定的时间顺序发生的。发育在空间上也有巧妙的布局，如:茎上的叶原基就是按一定的顺序排列形成叶序；花原基的分化通常是由外向内进行，如先发生萼片原基，以后依次产生花瓣、雄蕊、雌蕊等原基；在胚生长时，胚珠周围组织也同时进行生长与分化等。第8页,共54页，2024年2月25日，星期天二、细胞分裂、伸长和分化的控制植物形态建成以细胞的分裂、生长和分化为基础

植物体各个器官的形态及整体的宏观结构都是由组成它们的细胞的分裂方向、频度、细胞生长速率和分化状态所决定的。拟南芥根的横切面模型根尖后1mm横切面，已经形成了不同的组织第9页,共54页，2024年2月25日，星期天1、细胞分裂植物的顶端分生组织或侧生分生组织中的细胞处在不断生长和不断分裂的过程中，称为分生细胞。分生细胞的特点：细胞不断分裂，细胞数目不断增加，但体积变化不大。一次细胞分裂后所产生的新细胞又继续生长增大，随后又平均地分裂成两个与母细胞相似的子细胞。从亲代细胞分裂结束到子代细胞分裂终止所经历的时期称为细胞周期(cellcycle)。把G1、S与G2持续过程称为分裂间期(interphase)其中S期较长，M期最短，G1与G2期长短变化较大。M期严格按前期、中期、后期和末期的次序进行。第10页,共54页，2024年2月25日，星期天细胞周期第11页,共54页，2024年2月25日，星期天

2、细胞的伸长细胞伸长受多种因素的影响：受核质遗传基因的控制，因为细胞核与细胞质的数量比只能维持在一定的范围内；受细胞壁以及周围细胞作用力的影响(图)；受环境因素的制约，如在水分少，温度低，光照强时，细胞体积会变小……。细胞生长和分裂同时进行从而维持最适的细胞体积第12页,共54页，2024年2月25日，星期天细胞生长方向受微纤丝取向的影响植株细胞中最常见的是圆柱形细胞，它的伸长程度要远大于加粗的程度，这是由于细胞圆柱面中所沉积的微纤丝通常与伸长轴的方向垂直，成圈状排列，因而限制了细胞的加粗生长，而对伸长生长的限制较小。

细胞生长的原动力是膨压。这种压力是均等地向各个方向的。如果没有壁的束缚，在膨压的作用下，细胞应呈球状。然而，植物细胞都有各种各样的形状，这主要取决于细胞壁中微纤丝的取向和交织程度。第13页,共54页，2024年2月25日，星期天增加膨压因为只有当膨压超过细胞壁的抗张程度时细胞才能生长；(渗透物质增加）细胞壁松弛减弱壁的强度。在通常情况下，植物通过第二种方式使细胞生长。壁松驰的机理：植物的细胞质膜中有ATP酶，它被IAA激活后，可将细胞质中的H+分泌到细胞壁中。低pH值一方面可降低壁中氢键的结合程度，另一方面也可提高壁中适于酸化条件的水解酶的活性，使壁发生松驰。壁一旦松驰，在膨压的作用下，细胞就得以伸展。同时，一些新合成的成壁物质会填充于壁中，以增加壁的厚度和强度。细胞壁的存在阻碍着细胞体积的增长。克服这种阻碍有两种方式：第14页,共54页，2024年2月25日，星期天激素和一些外界因素因能影响微管在质膜内侧的排列方向，从而影响微纤维在细胞壁中的沉积方向，进而影响到细胞的伸长和植株的形态。例如乙烯和赤霉素对豌豆幼茎表层细胞中微管的排列有着不同的效应：赤霉素能使微管在质膜内侧的排列与细胞长轴方向成直角，因而当用赤霉素处理豌豆芽时，幼茎伸长而不增粗；乙烯则能使微管在质膜内侧的排列与细胞长轴方向平行，因而当用乙烯处理豌豆芽时，幼茎增粗而少伸长。A.乙烯处理后的豌豆幼苗形态；B.乙烯处理表层细胞中微管排列的方向；C.赤霉素处理表层细胞中微管排列的方向；D.赤霉素处理后的豌豆幼苗形态。空心箭头表示细胞伸展的方向乙烯GA第15页,共54页，2024年2月25日，星期天3、细胞的分化

(1)细胞分化的分子机理当细胞体积停止增大后，细胞进入分化期，形成具有一定结构和功能的组织、器官，如薄壁组织、机械组织、维管组织、表皮细胞等。细胞分化的分子基础是细胞基因表达的差别。一般情况下，同一植物体中的细胞都具有相同的基因，因为它们都是由同一受精卵分裂而来的，而且其中的每一个细胞在适宜的条件下有可能发育成与母体相似的植株。在个体的发育过程中，细胞内的基因不是同时表达的，而往往只表达基因库中的极小部分。比如，在胚胎中有开花的基因，但在营养生长期，它处于关闭状态。一定要到达花熟状态，处在生长点的开花基因才表达，即花芽才开始分化。这就是个体发育过程中基因在时间和空间上的顺序表达。第16页,共54页，2024年2月25日，星期天细胞的基因是如何有选择性地进行表达，合成特定蛋白质的，即基因是如何调控的，这是细胞分化的关键。在已分化的细胞中仍然保留着整套染色体的全部基因，因此，细胞分化一般不是因为某些基因丢失或永久性失活所致，而是不同类型细胞有不同基因表达的结果。从某种意义上讲，具有相同基因的细胞而有着不同蛋白质产物的表达，即为细胞分化。细胞分化的本质就是不同类型的细胞专一地激活了某些特定基因，再使它转录成特定的mRNA的过程。第17页,共54页，2024年2月25日，星期天叶片在枝条顶端的起源以及它们在茎杆上的排列（A）枝条顶端分生组织侧向的叶原基。（B）沿着不同的轴发生枝条的示意图。第18页,共54页，2024年2月25日，星期天（A）通过根中央的纵切面，原生组织中包含了能够形成根的所有组织的中心细胞以浅色标出。（B）在A中标出的原生分生组织的示意图。这其中只描述了四个静止细胞中的两个。黑线表示的是发生在茎细胞中的细胞分裂平面。白线表示皮层—内皮层以及侧生根冠—表皮茎细胞中发生的次级细胞分裂。拟南芥根中的所有组织都是从根尖分生组织中的中心细胞衍生而来的第19页,共54页，2024年2月25日，星期天(2)细胞分化的控制因素1）极性——是细胞分化的前提极性(polarity)是指细胞(也可指器官和植株)内的一端与另一端在形态结构和生理生化上的差异。主要表现在:细胞质浓度的不一；细胞器（细胞核）的不均衡分布；质膜表面功能蛋白的不均衡分布；胞内Ca2+浓度梯度；pH梯度的存在等方面。细胞极性是细胞不均等分裂的基础，而不均等分裂（分化分裂）又是植物组织结构极性分化的基础。第20页,共54页，2024年2月25日，星期天荠菜胚的形成

A-B.受精卵的第一次不均等分裂；C-H.胚与胚柄的形成；I.球状胚；J-K.由于球状胚近胚柄处的胚细胞垂周分裂，形成心形胚；L.鱼雷形胚；M.成熟胚。

以荠菜胚发育为例，受精卵的不均等分裂产生大小不等的两个细胞，靠近珠孔端的细胞大，将来发育成为胚柄细胞，其对侧的细胞小，将来形成胚。胚细胞和胚柄细胞在形态、功能方面差异很大：胚柄细胞大且液泡化，能合成营养物质和GA等激素，并运至胚细胞，供胚发育所需。胚柄细胞通常在胚发育后消亡。而胚细胞的细胞质浓，能持续进行分裂与分化。胚细胞也有极性，经分裂分化后，与胚柄相对的一端形成叶和胚，而近胚柄的一端则形成胚根。第21页,共54页，2024年2月25日，星期天

拟南芥胚珠在双受精后4小时就会出现胚囊。受精卵出现明显的极性。受精卵顶端的那一半具有浓厚的细胞质与一个单一的大核，而另一个大的中央液泡占据了细胞基部的一半。在这个阶段，包围受精卵的胚囊也具有了四个内胚乳核。受精卵的极性第22页,共54页，2024年2月25日，星期天拟南芥胚胎发生的细胞分裂的模式（A）受精卵第一次分裂后的单细胞胚胎，形成顶细胞和基细胞；（B）两细胞胚胎；（C）八细胞胚胎；（D）早球形期阶段，形成了一个独特的原表皮层（；（E）早心期阶段；（F）晚心形期阶段；（G）鱼雷形期阶段；（H）成熟胚胎第23页,共54页，2024年2月25日，星期天多细胞的植物体中，细胞之间紧密连接，相互作用，每个细胞在组织中的位置不仅决定它的生理功能，而且也决定其分化方向——位置效应（positionaleffect)2)细胞分化的位置效应拟南芥胚胎发育过程

植物组织和器官的顶端—基部结构在胚胎发生早期就已经形成本图阐述了早期拟南芥幼苗是如何从胚胎的特定区域发生的。第24页,共54页，2024年2月25日，星期天3)细胞分化受环境条件诱导如短日照处理，可诱导菊花提前开花；低温处理，能使小麦通过春化)而进入幼穗分化；对作物多施氮肥，则能使其延迟开花。光照对墨角藻受精卵发育的影响：光照、温度、营养、PH、离子和电势等环境条件以及地球的引力都能影响细胞的分化14h第25页,共54页，2024年2月25日，星期天进一步研究发现，照光能使Ca2+离子浓度在细胞中产生梯度，即照光的一面Ca2+从细胞中流出，而背光的一面Ca2+则从介质中流入。同时由肌动蛋白组装的微丝以及大量的线粒体、高尔基体、核糖体等细胞器都聚集在背光一侧，细胞核也向背光一侧移动。这样，Ca2+梯度和微丝聚集使细胞产生极性而引起不均等的分裂墨角藻受精卵极性建立的过程A.未极化的合子；B.极性尚未稳定的合子；C.极化的合子；D.胚胎产生极性而引起不均等的分裂。

第26页,共54页，2024年2月25日，星期天4)植物激素在细胞分化中的作用植物激素能诱导细胞的分化，这在组织培养中已被证实。1955年韦特莫尔在丁香愈伤组织中插入一个茎尖(内含IAA)，可以看到在茎尖的下部愈伤组织中有管胞的分化。如以含有IAA的琼脂代替茎尖，也可以诱导管胞的分化。证明了IAA有诱导维管组织分化的作用。另一个经典的实验是对烟草愈伤组织器官分化的研究，在改变培养基中生长素和细胞激动素的比例时，可改变愈伤组织的分化。IAA与KT的比值低时，则有利于芽的形成，而抑制根的分化；反之，则有利于根的形成，而抑制芽的分化。第27页,共54页，2024年2月25日，星期天第28页,共54页，2024年2月25日，星期天将拟南芥组织置于含生长素IBA和细胞分裂素的环境中诱导愈伤组织的产生。当愈伤组织被放在只有生长素的环境中作次培养时，诱导根产生（左图）；当被放在细胞分裂素与生长素之比比较高的环境中培养时，芽激增（右图）。第29页,共54页，2024年2月25日，星期天

一.组织培养的意义和分类

(一)组织培养的概念与分类植物组织培养（planttissureculture)是指植物的离体器官、组织或细胞在人工控制的环境下培养发育再生成完整植株的技术。用于离体培养的各种植物材料称为外植体（explant）。根据外植体的类型，又可将组织培养分为：器官培养、组织培养、胚胎培养、细胞培养以及原生质体培养等(见下图)。第三节植物的组织培养第30页,共54页，2024年2月25日，星期天由高等植物的细胞、组织和器官培养成植株的过程1.器官培养2.花药和花粉培养3.组织培养4.胚胎培养5.细胞培养6.原生质体培养组织培养的分类第31页,共54页，2024年2月25日，星期天理论依据：植物细胞的全能性第32页,共54页，2024年2月25日，星期天外植体（离体的植物器官、组织、细胞）脱分化愈伤组织再分化不定根或不定芽或胚状体植物体外植体：在组织培养中，由植物体上取下来进行离体培养的那部分组织或器官。脱分化/去分化：由高度分化的植物器官、组织或细胞，经过离体培养，产生愈伤组织的过程。（一个成熟细胞转变为分生状态的过程）再分化：指脱分化的分生细胞重新恢复分化能力，沿着正常的发育途径形成具有特定结构和功能的细胞的过程。（脱分化产生的愈伤组织继续进行培养，又可以重新分化成根或芽等器官的过程。）植物组织培养过程第33页,共54页，2024年2月25日，星期天

二、组织培养的基本方法

1.培养基成分

(1)水

用蒸馏水或去离子水配制培养剂。(2)无机营养包括大量和微量必需元素。(3)有机营养主要有糖、氨基酸和维生素。(4)天然附加物如椰子乳、酵母提取物、玉米胚乳、麦芽浸出物或番茄汁等。(5)植物生长物质

常用的有生长素类和细胞分裂素。长素类2，4D、萘乙酸、吲哚乙酸、吲哚丁酸离体培养物的根芽分化取决于生长素/细胞分裂素的比值。细胞分裂素

激动素、6-苄基腺嘌呤、异戊烯基腺嘌呤、玉米素等第34页,共54页，2024年2月25日，星期天2.培养方式通常半月至一后须移换新鲜培养基。固体培养液体培养基中加入0.7%～1%的琼脂作凝固剂液体培养静止不需增添专门设备，适合于某些原生质体培养振荡需要摇床或转床等设备，可使培养基充分混和，也可使培养物交替地浸没在液体中或暴露在空气中，有利于气体交换。第35页,共54页，2024年2月25日，星期天

三、组织培养的应用(一)无性系的快速繁殖兰花、甘蔗和名贵品种的无性繁殖(二)培育无病毒种苗马铃薯、香蕉、苹果、甘蔗、葡萄、桉树、毛白杨、草莓、甜瓜、花卉(三)新品种的选育1.花培和单倍体育种2.离体胚培养和杂种植株获得3.体细胞诱变和突变体筛选4.细胞融合和杂种植株的获得(四)人工种子和种质保存(五)次生物质工业化生产第36页,共54页，2024年2月25日，星期天人工种子(artificialseeds)又称人造种子或超级种子，是指将植物组织培养产生的胚状体、芽体、及小鳞茎等包裹在含有养分的胶囊内，具有种子的功能并可直接播种于大田的颗粒。人工种子通常由培养物、人工胚乳和人工种皮三部分组成(图)。人工种皮常采用海藻酸钠、聚氯乙烯、明胶、树胶等。制作方法：1.双重管的外管内含有海藻酸钠，内管中放入胚状体和培养液，先从外管放出少量海藻酸钠，使双重管的下端形成半球；2.从内管中放入含有不定胚的培养液(含保水剂)；3.再从外管放出一点海藻酸钠，形成球状液滴；4.将液滴滴入CaCl2水溶液(含杀菌剂)；5.放置一定时间，使海藻酸钠外层形成不溶于水的海藻酸钙膜；6.播种后人工种子的发芽。第37页,共54页，2024年2月25日，星期天四、组织培养的优点或意义：1，便于研究植物体的生长发育规律2，人工调控植物的生长3，生长周期短，繁殖系数高4，管理方便，利于工厂化管理第38页,共54页，2024年2月25日，星期天第四节种子的萌发种子是由受精胚珠发育而来的，是脱离母体的延存器官。严格地说，生命周期是从受精卵分裂形成胚开始的，但人们习惯上还是以种子萌发作为个体发育的起点，因为农业生产是从播种开始的。播种后种子能否迅速萌发，达到早苗、全苗和壮苗，这关系到能否为作物的丰产打下良好的基础。第39页,共54页，2024年2月25日，星期天风干种子的生理活动极为微弱，处于相对静止状态，即休眠状态。在有足够的水分、适宜的温度和正常的空气条件下，种子开始萌发。从形态角度看，萌发是具有生活力的种子吸水后，胚生长突破种皮并形成幼苗的过程。通常以胚根突破种皮作为萌发的标志。从生理角度看，萌发是无休眠或已解除休眠的种子吸水后由相对静止状态转为生理活动状态，呼吸作用增强，贮藏物质被分解并转化为可供胚利用的物质，引起胚生长的过程。从分子生物学角度看，萌发的本质是水分、温度等因子使种子的某些基因表达和酶活化，引发一系列与胚生长有关的反应。第40页,共54页，2024年2月25日，星期天一、种子萌发的环境条件

—水分、温度、氧气、光照

(一)水分水分是种子萌发的第一条件。吸水是种子萌发的第一步。水分对种子萌发的生理作用：吸水后，种子细胞中的原生质胶体由凝胶转变为溶胶，使细胞器结构恢复，基因活化，转录萌发所需要mRNA并合成蛋白质。吸水能使种子呼吸上升，代谢活动加强，让贮藏物质水解成可溶性物质供胚发育所需要。吸水后种皮膨胀软化，有利于种子内外气体交换，也有利于胚根胚芽突破种皮而继续生长。水分可促进可溶性物质运输到正在生长的幼芽和幼根，供给呼吸和形成细胞结构的有机物。第41页,共54页，2024年2月25日，星期天种子的发芽需水量，决定于储藏养分的类型：蛋白种子（豆科）的种子吸水要超过干种子的重量时才能发芽。淀粉和油料种子吸水达风干重的30%～70%即可发芽。如不能达到发芽需水量，消耗养分，失去发芽能力。第42页,共54页，2024年2月25日，星期天(二)温度温度与种子萌发的呼吸代谢及酶促反应有关，存在温度三基点。最适温度是指种子发芽率最高、发芽时间最短的温度。系统发育不同，最适温度不同：一般冬作物种子萌发的温度三基点较低，而夏作物较高。生产上种子萌发的温度范围是确定适宜播种期的重要依据。温度过高或过低都会影响发芽。一般播种温度要高于最低温度。难以萌发的种子，采用变温处理比恒温更有利于种子萌发，原因：变温促进种子内外气体交换，呼吸增强；增强了某些酶的活性，有利于贮藏物的转化和呼吸；使种皮胀缩，有利于胚根、胚芽突破种皮。第43页,共54页，2024年2月25日，星期天(三)氧气种子萌发是一个非常活跃的生长过程，需要呼吸作用中的能量代谢和物质的转化运输来提供能量和物质，通气不良，造成无氧呼吸，烂种。不同作物种子需氧情况不同，一般作物种子氧浓度需要在10%以上才能正常萌发，当氧浓度在5%以下时，很多作物种子不能萌发。尤其是含脂肪较多的油料种子在萌发时需氧较多（如花生、大豆和棉花等），而淀粉种子较少（脂肪转变糖，呼吸商小于1）。因此，油料种子宜浅播。若播后遇雨，要及时松土排水，改善土壤的通气条件，否则会引起烂种。第44页,共54页，2024年2月25日，星期天(四)光照根据种子萌发对光的反应，将种子分为：中光种子：如水稻、小麦、大豆、棉花等。需光种子：如莴苣、紫苏、胡萝卜、桦木以及多种杂草种子。喜暗(或嫌光)种子：如葱、韭菜、苋菜、番茄、茄子、南瓜等。光线对种子萌发的影响与光的波长有关：红光（R）和远红光（FR）发现其萌发情况决定于最后一次照射的光谱成分。如最后照射的是红光则促进种子萌发，最后照射的是远红光则抑制种子萌发。红光远红光第45页,共54页，2024年2月25日，星期天二、种子的萌发过程根据萌发过程中种子吸水量变化，即种子鲜重增加量的“快-慢-快”的特点，可把种子萌发分为三个阶段：I：吸胀性吸水阶段II：缓慢吸水阶段III：生长的渗透吸水阶段

种子萌发的三个阶段和生理转变过程示意图

第46页,共54页，2024年2月25日，星期天1.阶段I——吸胀吸水阶段即依赖原生质胶体吸胀作用的物理吸水。此阶段的吸水与种子代谢无关：无论种子是否休眠，是否有生活力，同样都能吸水。通过吸胀吸水，活种子中的原生质胶体由凝胶状态转变为溶胶状态，使那些原在干种子中结构被破坏的细胞器和不活化的大分子物质得到伸展与修复，表现出原有的结构和功能。凝胶→溶胶大分子物质结构修复与代谢无关，只与成分有关（豆类>淀粉>油料种子）第47页,共54页，2024年2月25日，星期天2.阶段Ⅱ——缓慢吸水阶段经阶段Ⅰ的快速吸水，原生质的水合程度趋向饱和；细胞膨压增加，阻碍了细胞的进一步吸水；再则，种子的体积膨胀受种皮的束缚，因而种子萌发在突破种皮前，有一个吸水暂停或速度变慢的阶段。酶促反应与呼吸作用增强贮藏物→可溶性小分子物质（胚发育；降低胚细胞水势）新合成mRNA，并合成蛋白酶促反应与呼吸作用增强。子叶或胚乳中的贮藏物质开始分解，转变成简单的可溶