植物学讲义.docx

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植物学讲义

植 物 学 讲 议

植物学参考书

植物学（第二版）上册，陆时万等，高等教育出版社，1991年4月。

植物学（第二版）下册，吴国芳等，高等教育出版社，1992年4月。

植物学，张宪省等，中国农业出版社，2003年8月。

植物学，李扬汉，上海科学技术出版社，1984年12月。

如何认识《植物学》？

1.植物学是一门自然科学

   植物学研究的是植物形态、结构的规律性、个体发育的规律性以及系统演化的规律性。

它揭示的是自然的奥妙。

   学习和研究植物学将会使你懂得许多植物学的知识，并利用植物学的知识去认识问题、思考问题和解决问题。

   学好植物学知识会让你科学地解答许多令人费解的问题。

如：

（1）俗话说树怕剥皮猪怕壮，为什么？

（2）连理枝是如何形成的？

   （3）路灯下的树或枝条容易冻坏或冻死，为什么？

   （4）嫁接是如何成活的？

   （5）果树环割、环剥会提早结果，为什么？

   （6）病原菌如何侵入植物体内？

   （7）为什么要植树造林？

为什么要保护环境？

植被如何呼风唤雨？

……

2.植物学是艺术

   植物世界无论从宏观还是从微观无不给人以美学的享受。

   宏观方面，从热带雨林到极地苔原；从平原到丘陵再到高山；处处展示着植物带给人类的无穷魅力。

参天的大树，鲜艳的花朵，无名的小草等等，让人赏心悦目。

   微观方面，从植物细小的形态到显微构造；从微形态到超微构造；展现了微观世界的精妙绝伦。

从而激发了人们对微观世界的探索。

   植物世界是美丽的，微观世界更奇妙。

植物所创造的艺术美，是任何伟大的艺术家所无法创造的。

植物的美

绪    论

植物学（Botany）：

主要研究植物的形态结构和功能、生长发育的基本特性、植物多样性及植物与环境之间的关系。

一、植物的多样性

   1.植物总数：

50余万种。

   2.分布范围：

极其广大。

热带、温带、寒带至南北两极；平原、丘陵至高山；海洋、湖泊、沼泽至陆地。

   3.细胞组成：

单细胞、群体、多细胞。

   4.演化趋势：

水生到陆生，低等到高等，简单到复杂。

   5.植物的功能：

   绿色植物体内具有叶绿素，吸收太阳光能，呈现绿色一大类植物。

光合作用。

   非绿色植物：

不具叶绿素的一大类植物。

矿化作用。

二、植物界

   生物的分界

   地球上生活着的生物约有200万种，但每年还有许多新种被发现，估计生物的总数可达2000万种以上。

   对这么宠大的生物类群，必须将它们分门别类进行系统的整理，这就是分类学的任务。

   1.二界分类

   公元前300多年，古希腊的亚里士多德将生物分为二界：

   植物界

   动物界

   林奈（CarolusLinnaeus，1707—1778），1735年发表自然系统（SystemaNaturae）：

植物界和动物界。

2.三界分类

   1866年德国生物学家海克尔（E.Haeckel）提出三界分类法：

   原生生物界：

单细胞动物、细菌、真菌、多细胞藻类。

   植物界

   动物界

3.四界分类

   由美国人科帕兰（Copeland）提出。

   原核生物界：

包括蓝藻和细菌、放线菌、立克次氏体、螺旋体、支原体等多种微生物。

   原生生物界：

包括原生动物和单细胞的藻类。

   动物界

   植物界

   1959年，魏泰克（R.H.Whittaker）提出。

   植物界，动物界，真菌界和原生生物界。

4.五界分类

   1969年美国学者魏泰克提出五界分类法：

植物界，动物界，真菌界，原生生物界和原核生物界

   原核生物界：

细菌、立克次体、支原体、蓝藻。

   特点：

环状DNA位于细胞质中，不具成形的细胞核，细胞器无膜，为原核生物。

细胞进行无丝分裂。

   原生生物界：

单细胞的原生动物、藻类。

   特点：

细胞核具核膜的单细胞生物，细胞内有膜结构的细胞器。

细胞进行有丝分裂。

真菌界：

真菌，包括藻菌、子囊菌、担子菌和半知菌等。

   特点：

细胞具细胞壁，无叶绿体，不能进行光合作用。

无根、茎、叶的分化。

营腐生和寄生生活，营养方式为分解吸收型，在食物链中为还原者。

   植物界：

包括进行光合作用的多细胞植物。

   特点：

具有叶绿体，能进行光合作用。

营养方式：

自养，为食物的生产者。

   动物界：

包括所有的多细胞动物。

   特点：

营养方式：

异养。

为食物的消费者。

5.六界分类

   1977年，我国生物学家陈世骧提出了六界分类系统：

   Ⅰ非细胞生物   

   病毒界       

   Ⅱ 原核生物   

   细菌界

   蓝藻界

   Ⅲ 真核生物

   植物界

   动物界

   真菌界

三、植物的重要性

（一）推动地球和生物的发展

   地球约在46亿年前形成。

原始的地球缺乏氧气，存在许多还原性气体如H2、NH3、CH4、水蒸气（H20），也可能有CO2、 H2S等。

缺乏臭氧层的保护，紫外线辐射很强。

   地球形成到5.7亿年前为前寒武纪。

   在41亿年前出现最早的结晶矿物。

   在38亿年前出现沉积岩。

20世纪50年代以前，古生物学家在前寒武纪地层找不到动植物化石。

以后，科学家通过显微镜，找到并确认沉积岩中存在微体古生物化石，是一些细菌、蓝细菌（蓝藻）等。

   最早的生物化石存在于34亿年前的南非燧石层中，是一种能进行光合作用的蓝细菌。

（二）合成有机物质，贮存能量

   光合作用，把简单的无机物、水和二氧化碳合成复杂的有机物（化学能）－－糖类，再进一步同化为脂类、蛋白质等物质。

   （三）促进物质循环，维持生态平衡

   氧的循环、碳的循环、氮的循环和其它元素的循环。

   氮气变成含氮化合物；植物吸收合成蛋白质；动物食用后变成动物蛋白。

   生物有机体死亡后，被分解为氨。

一部分氨成为铵盐，一部分氨经硝化细菌的硝化作用形成硝酸盐，二者均可被植物吸收利用。

环境中的硝酸盐由反硝化细菌的反硝化作用再度释放出氮气和氧化亚氮。

（四）人类赖以生存的物质基础

   1.衣食住行

   2.农林业生产

   植物多样性是天然基因库，是引种驯化和抗病育种等的宝贵资源。

   3.工业

   食品、制糖、油脂、纺织、造纸、橡胶、油漆、酿造、石油、冶金、煤炭等都需植物原料或参与。

   4.医药

   药用植物，生物碱，抗生素。

   此外，水土保持、土壤改良、园林绿化、环境保护、污染治理等方面，植物资源的影响十分重要和深远。

（五）植物与人类的三大难题

   人口、资源、环境是人类面临的三大难题。

   能源耗费、资源枯竭、人口膨胀、粮食短缺、环境退化、生态因素失调都与植物资源的合理利用和保护有着直接或间接的关系，因为植物在任何环境中，几乎都是唯一的、第一级生产者（有时是二级生产者）。

1.植物新能源研究：

代替石油和煤。

   2.作物品种选育：

提高粮食和其它农产品产量。

   3.保护植物资源：

植被就是空调。

   现状：

世界高等植物濒危种类2～2.5万种，占10%；

   我国森林覆盖率16%。

   措施：

保护植被，永续利用；植树造林、绿化祖国；再造山川秀美的大西北、华北、东北、西南、东南，再造山川秀美的中华，重塑地球形象。

四、植物学发展简史及今后的发展趋势

（一）植物学发展简史

   1.描述植物学时期

   时间 17世纪前

   内容 以认识和描述植物为主，积累植物学的基本资料和发展栽培植物。

对农业栽培植物的发展起了重要作用。

   方法 以描述和比较为主。

重要事件

   A 公园前371－286，希腊，特奥弗拉斯托，植物的历史，植物本原，500多种植物

   B 16世纪末：

意大利，西沙尔比诺，提出以植物生殖器官为分类基础。

   C 1665年，英，虎克发现细胞

   D 1690年，英，雷给物种下定义，依据花和营养器官的性状分类

2.实验植物学时期

   时间 18世纪到20世纪初

   方法 以实验方法为主，了解植物生命活动过程。

   内容 已形成植物形态学，植物分类学和植物生理学等分支学科。

   重要事件

   A 18世纪，林奈，自然系统

   B 19世纪，德，施莱登和施旺，细胞学说

   C 达尔文，物种起源

   D 孟德尔，摩尔根

3.现代植物学时期

   时间 20世纪初至今

   内容 分子生物学时期，应用先进技术从分子水平研究植物生命现象。

   重要事件

   A 1954年，DNA双螺旋结构模型

   B 1972年，分子克隆技术诞生　         

   C 植物发育基因的克隆与功能鉴定　         

   D 离体培养与发育

   E 双子叶模式植物拟南芥全基因组测序　         

   F 单子叶模式植物水稻全基因组测序

4.当代植物学发展趋势

   两极分化及融合

   植物学科中的各分支学科彼此交叉渗透，界限逐渐淡化，与其它学科的交叉渗透进一步加强，基因组学和蛋白质组学用于植物学研究。

5.我国植物学研究

   2000年前，诗经：

200多种植物

   公园6世纪，北魏贾思勰：

齐民要术

   明代徐光启：

农政全书（1639年）

   明李时珍：

本草纲目

   清吴启睿：

植物名实图考

   清李善兰：

植物学

   1999年：

中国植物志

   袁隆平：

杂交水稻之父

   水稻全基因组测序（籼稻）

（二）植物学的分支学科

   1.按内容分

   植物形态学（Plant Morphology）

   植物分类学（Plant Taxonomy）

   植物生理学（Plant Physiology）

   植物生态学（Plant Ecology）

   地植物学（Geobotany）

   植物细胞学（Plant Cytology）

   植物分子生物学（Plant Molecular Biology）

   植物基因组学（Plant Genomics）

2.按植物类群分

   藻类学

   真菌学

   地衣学

   苔藓学

   蕨类学

   种子植物学

3.按对象和方法分

   经济植物学

   药用植物学

   古植物学

   植物病理学

   植物地理学

   放射植物学

（三）植物学发展趋势

   1、生物技术向植物学各领域渗透

   2、应用基础方面的研究正在加强

   3、在系统研究方面，应用计算机为手段的模拟方面的研究

五、学习植物学的目的和方法

   植物学是生物学的重要专业课，是农林院校的一门重要专业基础课。

（一）目的

   研究植物学的目的：

了解植物的生活习性，掌握植物的生长发育、遗传变异和分布的规律，从而控制、改良和利用植物，为工农业生产和改善人类生活服务。

   学习植物学的目的：

掌握植物学的基本知识和基本技能，加深对植物的认识，为进一步学习农学、果树、园林花卉、植物保护、草业科学等学科的专业基础课和专业课打下坚实的基础。

（二）方法

   1.树立辩证的观点：

理解植物的组成与各器官之间、形态结构与生理功能之间、植物与环境之间的相互关系。

   2.建立立体概念和动态发育的观点：

理解植物有机体是一个整体，个体成长需要经过一系列生长发育的过程。

   3.运用系统进化的观点：

物竞天择，由低级到高级，由简单到复杂。

植物种类繁多，类群复杂，是在自然界中经过长期演化的结果。

   4.重视理论联系实际：

认真细致地进行实验观察，加强基本实验技能的训练。

教科书给你的是抽象的文字描述和平面的图像，授课教师仅仅是帮助你去理解教科书的内容。

每一位同学要运用平面的图像、立体的思维、动态的观点、实践的手段，加深对所学内容的理解，为以后专业基础课和专业课的学习打下良好坚实的基础。

第一章 植物细胞

   细胞结构发现的历史轨迹

   细胞发现的历史：

   1665，胡克（R.Hooke），死细胞

   1667，列文·虎克（A.vanLeeuwenhoek），活细胞

   1831，布朗（R.Brown），细胞核

   1838，施莱登（M.J.Schleiden），核仁

   1839，浦金野（Purkinje），原生质

   1839，莫尔（H.von.Mohl），动物细胞肉样质

   显微镜下的细胞结构：

20世纪初

   电镜下的细胞结构：

20世纪40年代

   细胞学说：

由德国植物学家Schleiden，M.J.和动物学家Schwann，T. 于1838～1839年共同提出。

   植物和动物的组织都是由细胞构成的；所有的细胞是由细胞分裂或融合而来的；卵和精子都是细胞；一个细胞可以分裂而形成组织。

   恩格斯高度评价了细胞学说的创立，将其列为19世纪自然科学的三大发现之一。

   细胞学说的重要意义：

   在细胞水平上提供了有机界统一的证据，证明了植物和动物有着细胞这一共同的起源，为19世纪自然科学领域中辩证唯物主义战胜形而上学、唯心主义，提供了一个有力的证据；为近代生物科学的发展，接受生物界进化的观念准备了条件，推动了近代生物学的研究。

细胞的研究技术：

   光学显微镜：

分辨率0.2微米（μm），有效放大倍数1200倍。

用于研究细胞的主要显微结构。

   超速离心机：

分离活细胞的不同结构部分，用于研究细胞各部分的生理功能。

   显微放射自显影术（microradioautography）：

对细胞代谢进行动态研究。

   透射电子显微镜（transmissionelectronmicroscope，TEM）：

分辨率1埃（Å），有效放大倍数超过100万倍。

用于研究细胞的超微结构（ultrastructure）。

   电镜放射自显影术（electronmicroscopicautoradiography）：

用于研究细胞结构和功能的关系。

   扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope,SEM）：

焦点深度大，用于观察细胞、组织、器官、孢粉、器官发生、木材结构和断面结构等表面的三维立体图像。

   X射线衍射技术：

研究生物大分子的空间结构。

   细胞显微光谱分析技术：

精确定量研究细胞内的物质。

   显微操作仪；

   共聚焦显微镜；

   细胞离体培养和细胞杂交技术等。

第一节 细胞的基本特征

   一、细胞的基本概念

   细胞是生物体结构的基本单位

   细胞是代谢和功能的基本单位

   细胞是生长发育的基础

   细胞是遗传的基本单位，具有遗传上的全能性，在一定条件下能发育新的个体。

   亚细胞结构不是构成植物体的单位

   真核细胞（eukaryoticcell）与原核细胞（prokaryoticcell）

   原核生物（prokaryote）和真核生物（eukaryote）。

病毒（virus）：

是比细胞更简单的生命有机体，也是目前已知的最小生命单位。

它们只是由蛋白质外壳包围核酸芯子所组成的，并不具有细胞结构，可称为非细胞的生命形态（non-cellularformoflife）。

二、细胞的化学组成

   原生质（protoplasm）：

构成细胞的生活物质，是细胞生命活动的物质基础。

所有的原生质有着相似的基本组成成分。

   组成原生质的化学元素及化合物

   主要化学元素是：

碳、氢、氧、氮占90％。

   少量几种元素是：

硫、磷、钠、钙、钾、铁等。

   极微量的其他化学元素：

钡、硅、矾、锰、钴、铜、锌、钼等。

   上述元素构成许多类化合物，可分为有机物质和无机物质两类。

（一）水和无机盐

   水一般占细胞全重的60~90%。

   液态的水：

是溶剂，也是分散介质。

95％的水参入代谢，以游离水的形式存在，也有少量的结合水。

   水含量的多少，影响原生质的胶体状态，水分多时，原生质呈溶胶状态，代谢活动旺盛；水分少时，原生质呈凝胶状态，代谢活动缓慢。

水的比热大，能吸收大量的热能，从而使原生质的温度不致过高，这对维持原生质的生命活动具有很大意义。

   原生质中还有溶于水中的气体（如二氧化碳和氧等）、无机盐以及许多呈离子状态的元素，如铁、铜、锌、锰、镁、钾、钠、氯等。

（二）有机化合物

   蛋白质、核酸、脂类和糖，以及极其微量的生理活跃物质等。

   1.蛋白质（protein）：

是极其重要的高分子有机化合物，含量仅次于水，占干重的60％。

是原生质的结构物质，以酶等形式起着重要的作用。

除碳、氢、氧、氮等元素外，还含有硫、磷、碘、铁、锌等元素。

   由很多较简单的化合物—氨基酸（aminoacid）聚合形成的高分子长链化合物。

氨基酸有20多种。

由于氨基酸的数量、种类、排列顺序⋯⋯等方面的差异，可形成各种各样的蛋白质。

脂蛋白、核蛋白和色素蛋白。

   酶（enzyme）是生化反应的催化剂，多数情况下，一种酶只能催化一种反应。

一个细胞约有3000种酶，原生质的不同部分或结构的特定功能，就和所含的特定酶有关。

   酶的非蛋白质组分种类很多，如维生素、核苷酸或某些金属等。

   酶可以从细胞中分离出来，并仍保持其活性，这在工农业生产、医疗等方面有广泛的实用价值。

   2.核酸（nucleicacid）：

遗传物质，由许多单体——核苷酸经脱水聚合而成的高分子有机化合物。

   单个核苷酸由一个含氮碱基、一个五碳糖和一个磷酸分子组成。

   核酸中仅有五种含氮碱基，它们是两种嘌呤——腺嘌呤（adenine，缩写A）和鸟嘌呤（guanine，缩写G）；三种嘧啶——胞嘧啶（cytosine，缩写C），胸腺嘧啶（thymine，缩写T）和尿嘧啶（uracil，缩写U）。

   根据所含有的糖的不同，核酸可分为含有核糖的核糖核酸（ribonucleicacid，缩写RNA）和含有脱氧核糖的脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，缩写DNA）。

   DNA主要存在于细胞核内，是构成染色体的遗传物质；RNA则主要存在于细胞质中，而在碱基种类上，DNA含A、G、C、T等四种，在RNA中则以U代替T。

在分子结构上，RNA是以单链存在，而DNA则以双链形式存在。

3.脂类（lipid）：

凡是经水解后产生脂肪酸的物质属于脂类。

它是一大类脂肪性质的物质，其共同特点是在水内很难溶解。

（1）脂肪酸：

饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。

（2）中性脂肪和油：

甘油三酯

   （3）磷脂类：

磷酸甘油酯

   （4）其它脂类物质：

蜡、类固醇、萜。

   β胡萝卜素

   脂类在原生质中有的作为结构物质，有些脂类物质形成角质（cutin）、木栓质（suberin）和蜡（wax），有些脂类物质，在细胞生理上有活跃的作用，如类胡萝卜素……等。

   4.糖类（saccharide）：

糖类是光合作用的同化产物，参与构成原生质和细胞壁。

是能源，也是原料。

   糖类化合物含有碳、氢、氧三种元素。

可分为单糖、双糖和多糖三类。

   单糖是不能用水解的方法再降解成更小糖单位的糖类。

细胞内最重要的单糖是五碳糖和六碳糖，前者如核糖和脱氧核糖，是核酸的组成成分之一；后者如葡萄糖（C6H12O6），是细胞内能量的主要来源。

。

   双糖是由两个单糖分子脱去一个水分子聚合而成，植物细胞中最重要的双糖是蔗糖和麦芽糖。

多糖是由许多单糖分子，脱去相应数目的水分子聚合而成的高分子糖类化合物，植物细胞中最重要的多糖有纤维素、淀粉、果胶……等。

   纤维素是细胞的最重要的构架物质，而淀粉是贮藏的营养物质，果胶物质也是壁的组成成分之一。

   多糖可分为两类：

（1）营养储备多糖：

淀粉

   直连淀粉：

250－300葡萄糖

   支连淀粉：

1000以上葡萄糖

（2）结构多糖：

纤维素、果胶、半纤维素

   5.生理活性的物质：

主要有酶、维生素、激素、抗菌素……等。

   维生素（vitamin）：

可分为脂溶性和水溶性两大类。

前者如维生素A、D、E、K等，后者如维生素B、C、P等。

   激素（hormone）：

生长素、赤霉素、细胞分裂素、乙烯和脱落酸是植物体内产生的五大类已知的激素。

一般说来，低浓度激素能促进植物的生长，而高浓度抑制植物的生长。

   抗菌素（antibiotic）：

很多真菌和放线菌的细胞能产生抑制杀死某些微生物的物质。

如青霉素、链霉素、土霉素、金霉素等以及农业上防治稻瘟病、甘薯黑斑病等植物病害的各种抗菌素等。

溶胶——凝胶

   生活的原生质，必须从环境中吸收水分、空气以及营养物质，经过一系列复杂的生理、生化作用，合成为构成原生质的物质。

称为同化作用（anabolism，assimilation）。

   原生质的某些物质，不断地分解，成为简单的物质，并且释放出能量，供生命活动的需要，这个过程称为异化作用（catabolism，dissimilation）。

   同化和异化分别包含一系列合成和分解的生化反应，共同构成了原生质的新陈代谢（metabolism）。

三、植物细胞的基本特征

（一）植物细胞的大小和形状

   细胞的形状和大小取决于其遗传性、生理功能、对环境的适应以及分化状态等。

   1.细胞的大小：

绝大多数细胞体积都很小。

体积小，表面积大，有利于和外界进行物质交换，对细胞生活有特殊意义。

   最小的细胞：

枝原体（mycoplasma），直径0.1μm。

   分生组织细胞：

直径5~25μm。

   分化成长的细胞：

15~65μm。

   大型的细胞：

肉眼可见。

西瓜瓤的细胞直径1mm；棉籽的表皮毛长达75mm；苎麻茎纤维细胞长可达550mm。

2.细胞的形状

   单细胞藻类、细菌等游离生活的细胞常为球形或近于球形；

   多细胞植物体由于细胞间的相互挤压，往往形成不规则的多面体－－十四面体；

   高等植物内的许多细胞的特殊形状，更体现形态与功能的统一。

（二）植物细胞与动物细胞的主要区别

   植物细胞：

细胞壁、大液泡、质体，具有明显细胞体积增大的过程。

   动物细胞：

中心粒

第二节 植物细胞的基本结构和功能

   植物细胞的基本结构，包括细胞壁、细胞膜、细胞质和细胞核等四部分。

   细胞膜、细胞质和细胞核三者均由原生质特化而来，总称原生质体，即细胞壁内各种结构的总称，是各种代谢活动进行的场所。

   后含物

   显微结构

   超