Этапы развития физиологии растений, ее связь с общим развитием биологии и практикой. Этапы развития физиологии растений
Основные направления исследований современной физиологии растений
В современной физиологии растений различают (по А.Л. Курсанову, 1975) шесть направлений исследований: биохимическое, биофизическое, онтогенетическое, эволюционное, экологическое, синтетическое (кибернетическое).
Биохимическое направление исследует функциональную роль различных органических веществ, образующихся в растениях, закономерности минерального питания, и биосинтеза органических соединений, роль минеральных веществ как регуляторов состояния клеточных коллоидов, биокатализаторов процессов метаболизма, центров электрических явлений в клетке.
Биофизическое направление исследует биофизические основы физиологических функций и функциональных систем, вопросы энергетики, электрофизиологии, физико-химические закономерности фотосинтеза и дыхания, водного режима, корневого питания, роста и развития, раздражения растений.
Онтогенетическое направление исследует возрастные закономерности развития растений, морфогенез, приемы управления развитием растений (фотопериодизм, светокультура, закаливание растений и др.).
Эволюционное (сравнительное) направление исследует физиологические особенности филогенеза конкретных видов, особей растений, особенности онтогенеза растений при определенных внешних условиях, изучает онтогенез как функцию генотипа и внешних условий.
Экологическое направление исследует зависимость физиологических функций растений от экологических факторов среды, участвует в разработке эффективных приемов управления ростом и развитием растений в производственных условиях (оптимизация условий минерального питания, водного режима, приемы повышения белковости, сахаристости урожая, повышение устойчивости растений к неблагоприятным внешним условиям и др.).
Синтетическое (кибернетическое) направление исследует общие закономерности роста растений, энергетики и кинетики взаимосвязанных физиологических процессов в системе целого растения, разрабатывает способы регуляции и управления процессами в биологических системах. В дополнение к названным целесообразно выделить прикладное (частная физиология) направление. Оно исследует физиологию конкретных видав и сортов сельскохозяйственных культур с целью совершенствования их агротехники, получения максимально возможных и устойчивых урожаев, разрабатывает физиологические паспорта и модели сортов основных сельскохозяйственных культур применительно к региональным почвенно-климатическим условиям страны, разрабатывает методы и приборы диагностики физиологического состояния и оценки устойчивости растений.
В биохимии растений также существуют различные направления: аналитическое, физиологическое, прикладное, генетическое, молекулярное и квантовое. Большое будущее принадлежит биохимической генетике.
Для фундаментальных исследований процессов жизнедеятельности растений все направления физиологии и биохимии растений важны и взаимосвязаны.
Теоретическая физиология растений и ее влияние на практику будут развиваться по пяти основным направлениям, объективно вытекающим из мировых тенденций развития науки и практики (А. Т. Мокроносов, 1988).
Первое направление развития физиологии растений - организация, регуляция и интеграция функциональных систем в растительном организме на разном уровне организации (от молекулярно-биологического до ценотического). На молекулярно-биологическом уровне это организация и экспрессия генома, его регуляция, исследование мембранных структур и веточных органел, взаимодействие компартментов в клетках, исследование регуляция, исследование мембранных структур и клеточных органел, взаимодействие компартментов в клетках, исследование потоков веществ, энергии и информации в различных системах клетки. На надкеточном уровне - исследование плазмодесм и других канализированных путей передачи сигнала, информации, энергии в этих специализированных многоклеточных композициях. На уровне целого растения - изучение систем дальнего транспорта, донорно-акцепторных отношений, физиологии запасающих органов. аттрагирующих систем. И наконец, исследования на уровне ценозов в практических целях в связи с проблемами регуляции и оптимизации природных и агрономических систем.
Второе направление развития физиологии растений - молекулярно-генетические и физиологические основы онтогенеза растений. Проводятся исследования проблем организации, координации и кооперации всех геномов клетки- ядерного, пластидного, митохондриального и даже вирусного, взаимодействие которых обеспечивает рост, специализацию, морфогенез, развитие, сексуализацию растительного организма в онтогенезе. Это направление связано с ролью фитогормонов и других природных регуляторов гормонально-ингибиторной природы в реализации генетической программы онтогенеза растений, включает разработки приемов вмешательства в процессы жизнедеятельности растений в практических целях.
Третье направление развития физиологии растений- фотосинтез и продукционный процесс. Исследуются принципы структурной организации фотосинтетического аппарата как системы первичной трансформации и запасания световой энергии: физиолого-генетические и энергетические составляющие фотосинтетической продуктивности в онтогенезе растения, ядерно-пластидные генетические отношениям фотосинтоический метаболизм углерода и азота, организация донорно-акцепторных систем фотосинтеза на клеточном. субклеточном и организменном уровнях, оптимизация фотосинтетической деятельности агрофитоценозов, разработка принципов управления фотосинтетической продуктивностью и продукционным процессом в биотехнологических. промышленных и биорегенерационных системах, промышленная фитотроника, создание высокоэффективных систем культуры растений в закрытом грунте, где растение соединено с управляющей ЭВМ, создание систем жизнеобеспечения для наземных и космических целей.
Четвертое направление развитом физиологии растений - это физиолого-биохимические и молекулярные основы устойчивости растений к неблагоприятным условиям температуры, водного режима, избытка солей, гипо- н аноксии, радиации, устойчивости к биологическим патогенам и другим факторам. Проблема адаптации растений к стрессовым условиям, иммунитета к биологическим патогенам - ключевая для земледелия. Изучаются защитные системы на клеточном структурно-метаболическом уровне, включающие индукцию синтеза протекторных соединений, сопряженность всех последовательных процессов, начиная с восприятия сигнала клеточными рецепторами, индукции экспрессии генома, синтеза адаптивных белков, изменения липидного и белкового комплекса мембран, далее следуют морфо-структурные изменения растений.
Помимо названных фундаментальных проблем развития физиологии растений эта наука решает значительный комплекс практических задач в условиях природных экосистем (количественное исследование энерго-, массообмена, экология растений, зашита генофонда), в условиях полевого земледелия (неблагоприятное воздействие на экологическую среду, резкое ухудшение качества растительной продукции- загрязнение нитратами и нитратами, повышенный мутагенный фон, загрязнение среды пестицидами и другие проблемы адаптивного земледелия), в условиях фитотрона (проблемы промышленной фитотроники, реализация биологического потенциала растения, методы оптимального поиска и оптимизации среды с помощью специальных датчиков растений и ЭВМ).
Особенно важны дал нашей страны разработка научных основ адаптивного земледелия, гарантирующего получение устойчивых урожаев независимо от погодных условий, основ экологического земледелия, создание энерго- и ресурсосберегающих технологий в растениеводстве, обеспечение высокого качества растениеводческой продукции. В решении этих вопросов большая роль принадлежит физиологии и биохимии растений. Влияние физиологии растений на селекционный процесс должно быть более эффективным. Необходимо помнить слова академика Н. И. Вавилова о том, что «генетика и селекция ждут от физиолога разработки частной физиологии отдельных культур, сортовой физиологии, физиологической систематики сортов. Создание такой «физиологической систематики» оплодотворит всю работу селекции и упростит ее». Ставится задача вывести интенсивные, отзывчивые на высокий фон, имеющие комплексную устойчивость сорта и гибриды сельскохозяйственных культур, создать оптимальные физиологические модели сортов для различных зон страны. Реализация указанной программы исследований имеет большое значение для ускорения научно-технического прогресса в земледелии. Раскрывая зависимость биологических процессов, происходящих в растениях, от условий внешней среды, физиология растений создает теоретическую основу для системы приемов, направленных на повышение продуктивности растений, улучшение качества сельскохозяйственной продукции.
studfiles.net
Этапы развития физиологии растений, ее связь с общим развитием биологии и практикой.
Трудно выделить какую-либо из работ прошлого в области биологии,которая легла бы в основу физиологии растений. В.В. Полевой, автор базового учебника по физиологии растений, в качестве таковой рассматривает работу Я.Б. Ван Гельмонта (1634), в которой ученый сделан вывод о том, что вода используется для построения органической массы растения. В большинстве учебников становление физиологии растений как самостоятельной науки относят к 18 веку.
В 1727 г. С. Гейлс установил, что движение воды по растению вызывают корневое давление и транспирация. В 1771 г. Дж. Пристли открыл способность зеленых растений выделять на свету кислород. В 1782 г. Ж. Сенебье назвал поглощение СО2 на свету «углекислотным дыханием». В 1797–1804гг. Н. Т. Соссюр открыл дыхание у растений и рассчитал баланс газов при фотосинтезе. В 1800 г. Ж. Сенебье опубликовал пятитомный трактат«Physiologie vegetale», в котором впервые определил физиологию растений
как самостоятельную науку, собрал, обработал и осмыслил известные к тому времени данные, сформулировал основные задачи физиологии растений, определил ее предмет и используемые методы.
В России основателем физиологии и биохимии растений справедливо считается Андрей Сергеевич Фаминцын (1835–1918) – автор первого учебника (1887), создатель первой университетской кафедры и академической лаборатории физиологии растений (1889), которая в последующем была преобразована в Институт физиологии растений. А.С. Фаминцын основал ряд направлений в области эволюционной физиологии и биохимии растений. Наиболее известны его взгляды на симбиотическую эволюцию, единство принципов жизнедеятельности растительных и животных организмов. Список имен известных ученых-физиологов растений с кратким указанием тем и направлений их работы мог бы составить несколько сотен страниц.
4. Структурная организация клетки – основа ее биохимической активности и функционирования как целостной живой системы; общий план строения растительной клетки.
Клетка – термин (от греческого cytos – «клетки» или латинского cellula – «полость») впервые употребил Роберт Гук в 1665 г. при описании строения пробки. Позже наблюдения Р. Гука повторили Грю, Мальпиги и другие исследователи на различных растениях. Однако признание универсальности клеточного строения всего живого произошло лишь в 1838–1839 гг., когда была сформулирована клеточная теория независимо друг от друга ботаником М. Шлейденом и зоологом Т. Шванном. Наука, занимающаяся микроскопическим изучением клетки, называлась в то время цитологией. В конце XIX в., а затем уже в ХХ в., изучение клеток приобрело в значительной мере экспериментальный характер, и теперь существует целая большая отрасль науки, именуемая биологией клетки, которая использует самые разнообразные методы для того, чтобы постичь жизнедеятельность организма на клеточном уровне.
Усовершенствование методов исследования и использование физических и химических подходов привело к успешному проникновению в тайны организации клетки. Было выявлено единство в строении клетки разных организаций, доказана связь между ее структурой и функцией. Основные положения клеточной теории, которые были сформулированы более 150 лет назад, были развиты и углубленны и на современном этапе развития биологии формулируются следующим образом:
1. Клетка является основной структурой и функциональной единицей жизни. Все организмы состоят из клеток, жизнь организма в целом обусловлена взаимодействием составляющих его клеток.
2. Клетки всех организмов сходны по химическому составу, строению и ряду функций.
3. Все новые клетки образуются при делении начальных клеток.
Для всех клеток характерна способность к росту, размножению, дыханию, выделению, использованию и преобразованию энергии, они реагируют на раздражение. Таким образом, клетки обладают всей совокупностью свойств, необходимых для поддержания жизни. Отдельные части клеток не могут выполнять весь комплекс жизненных функций, только совокупность структур, которые образуют клетку, проявляют все признаки жизни. Поэтому только клетка является основной структурой и функциональной единицей живых организмов. Клетка – это самостоятельная, саморегулирующая химическая система.
В многоклеточных организмах, в том числе и в растениях, отдельные клетки тесно и слаженно взаимодействуют одна с другой.
Размеры клетки даже в пределах одного организма очень разные, что, в значительной мере, зависит от их специализации и выполняемых функций. Они могут быть в виде многогранников, могут иметь шаровидную, кубическую и другие формы.
Размеры клеток – от нескольких десятков микрометров до нескольких сантиметров: клетка с зоны растяжения стебля или корня имеет размеры 50×20×10 мкм, а клетка харовой водоросли – несколько сантиметров в длину и до 1 мм в диаметре.
Строение растительной клетки довольно сложное и высокодифференцированное, но, на первый взгляд, можно выделить три компартмента (три отдельных пространства): клеточная стенка, протоплазма и вакуоль.
Существует значительное количество классификаций структурных элементов клетки: рассмотрим одну из них (рис. 1.1).
Эта классификация несколько отличается от общепринятой. Обычно все компоненты клетки, за исключением ядра, обозначают общим понятием цитоплазма, причисляя митохондрии и пластиды к «органеллам цитоплазмы», хотя присутствие в них собственного материала позволяет в той же степени отделить их от цитоплазмы, как это принято при рассмотрении клеточного ядра. Рибосомы имеются не только в цитоплазме, но и в структурных элементах, в том числе в клеточном ядре.
Клеточная стенка, вакуоль и пластиды – типичные образования растительной клетки, не встречающиеся в клетках животных.
 |
Читайте также:
lektsia.com
Основные направления исследований современной физиологии растений
В современной физиологии растений различают (по А.Л. Курсанову, 1975) шесть направлений исследований: биохимическое, биофизическое, онтогенетическое, эволюционное, экологическое, синтетическое (кибернетическое).
Биохимическое направление исследует функциональную роль различных органических веществ, образующихся в растениях, закономерности минерального питания, и биосинтеза органических соединений, роль минеральных веществ как регуляторов состояния клеточных коллоидов, биокатализаторов процессов метаболизма, центров электрических явлений в клетке.
Биофизическое направление исследует биофизические основы физиологических функций и функциональных систем, вопросы энергетики, электрофизиологии, физико-химические закономерности фотосинтеза и дыхания, водного режима, корневого питания, роста и развития, раздражения растений.
Онтогенетическое направление исследует возрастные закономерности развития растений, морфогенез, приемы управления развитием растений (фотопериодизм, светокультура, закаливание растений и др.).
Эволюционное (сравнительное) направление исследует физиологические особенности филогенеза конкретных видов, особей растений, особенности онтогенеза растений при определенных внешних условиях, изучает онтогенез как функцию генотипа и внешних условий.
Экологическое направление исследует зависимость физиологических функций растений от экологических факторов среды, участвует в разработке эффективных приемов управления ростом и развитием растений в производственных условиях (оптимизация условий минерального питания, водного режима, приемы повышения белковости, сахаристости урожая, повышение устойчивости растений к неблагоприятным внешним условиям и др.).
Синтетическое (кибернетическое) направление исследует общие закономерности роста растений, энергетики и кинетики взаимосвязанных физиологических процессов в системе целого растения, разрабатывает способы регуляции и управления процессами в биологических системах. В дополнение к названным целесообразно выделить прикладное (частная физиология) направление. Оно исследует физиологию конкретных видав и сортов сельскохозяйственных культур с целью совершенствования их агротехники, получения максимально возможных и устойчивых урожаев, разрабатывает физиологические паспорта и модели сортов основных сельскохозяйственных культур применительно к региональным почвенно-климатическим условиям страны, разрабатывает методы и приборы диагностики физиологического состояния и оценки устойчивости растений.
В биохимии растений также существуют различные направления: аналитическое, физиологическое, прикладное, генетическое, молекулярное и квантовое. Большое будущее принадлежит биохимической генетике.
Для фундаментальных исследований процессов жизнедеятельности растений все направления физиологии и биохимии растений важны и взаимосвязаны.
Теоретическая физиология растений и ее влияние на практику будут развиваться по пяти основным направлениям, объективно вытекающим из мировых тенденций развития науки и практики (А. Т. Мокроносов, 1988).
Первое направление развития физиологии растений - организация, регуляция и интеграция функциональных систем в растительном организме на разном уровне организации (от молекулярно-биологического до ценотического). На молекулярно-биологическом уровне это организация и экспрессия генома, его регуляция, исследование мембранных структур и веточных органел, взаимодействие компартментов в клетках, исследование регуляция, исследование мембранных структур и клеточных органел, взаимодействие компартментов в клетках, исследование потоков веществ, энергии и информации в различных системах клетки. На надкеточном уровне - исследование плазмодесм и других канализированных путей передачи сигнала, информации, энергии в этих специализированных многоклеточных композициях. На уровне целого растения - изучение систем дальнего транспорта, донорно-акцепторных отношений, физиологии запасающих органов. аттрагирующих систем. И наконец, исследования на уровне ценозов в практических целях в связи с проблемами регуляции и оптимизации природных и агрономических систем.
Второе направление развития физиологии растений - молекулярно-генетические и физиологические основы онтогенеза растений. Проводятся исследования проблем организации, координации и кооперации всех геномов клетки- ядерного, пластидного, митохондриального и даже вирусного, взаимодействие которых обеспечивает рост, специализацию, морфогенез, развитие, сексуализацию растительного организма в онтогенезе. Это направление связано с ролью фитогормонов и других природных регуляторов гормонально-ингибиторной природы в реализации генетической программы онтогенеза растений, включает разработки приемов вмешательства в процессы жизнедеятельности растений в практических целях.
Третье направление развития физиологии растений- фотосинтез и продукционный процесс. Исследуются принципы структурной организации фотосинтетического аппарата как системы первичной трансформации и запасания световой энергии: физиолого-генетические и энергетические составляющие фотосинтетической продуктивности в онтогенезе растения, ядерно-пластидные генетические отношениям фотосинтоический метаболизм углерода и азота, организация донорно-акцепторных систем фотосинтеза на клеточном. субклеточном и организменном уровнях, оптимизация фотосинтетической деятельности агрофитоценозов, разработка принципов управления фотосинтетической продуктивностью и продукционным процессом в биотехнологических. промышленных и биорегенерационных системах, промышленная фитотроника, создание высокоэффективных систем культуры растений в закрытом грунте, где растение соединено с управляющей ЭВМ, создание систем жизнеобеспечения для наземных и космических целей.
Четвертое направление развитом физиологии растений - это физиолого-биохимические и молекулярные основы устойчивости растений к неблагоприятным условиям температуры, водного режима, избытка солей, гипо- н аноксии, радиации, устойчивости к биологическим патогенам и другим факторам. Проблема адаптации растений к стрессовым условиям, иммунитета к биологическим патогенам - ключевая для земледелия. Изучаются защитные системы на клеточном структурно-метаболическом уровне, включающие индукцию синтеза протекторных соединений, сопряженность всех последовательных процессов, начиная с восприятия сигнала клеточными рецепторами, индукции экспрессии генома, синтеза адаптивных белков, изменения липидного и белкового комплекса мембран, далее следуют морфо-структурные изменения растений.
Пятое направление развития физиологии растений - фотосинтез и продуктивность как фактор сбалансированности биосферных процессов на земле исследует биосферные процессы, начиная от состояния озонового экрана, включая процесс снижения гумуса в почвах.
Помимо названных фундаментальных проблем развития физиологии растений эта наука решает значительный комплекс практических задач в условиях природных экосистем (количественное исследование энерго-, массообмена, экология растений, зашита генофонда), в условиях полевого земледелия (неблагоприятное воздействие на экологическую среду, резкое ухудшение качества растительной продукции- загрязнение нитратами и нитратами, повышенный мутагенный фон, загрязнение среды пестицидами и другие проблемы адаптивного земледелия), в условиях фитотрона (проблемы промышленной фитотроники, реализация биологического потенциала растения, методы оптимального поиска и оптимизации среды с помощью специальных датчиков растений и ЭВМ).
Особенно важны дал нашей страны разработка научных основ адаптивного земледелия, гарантирующего получение устойчивых урожаев независимо от погодных условий, основ экологического земледелия, создание энерго- и ресурсосберегающих технологий в растениеводстве, обеспечение высокого качества растениеводческой продукции. В решении этих вопросов большая роль принадлежит физиологии и биохимии растений. Влияние физиологии растений на селекционный процесс должно быть более эффективным. Необходимо помнить слова академика Н. И. Вавилова о том, что «генетика и селекция ждут от физиолога разработки частной физиологии отдельных культур, сортовой физиологии, физиологической систематики сортов. Создание такой «физиологической систематики» оплодотворит всю работу селекции и упростит ее». Ставится задача вывести интенсивные, отзывчивые на высокий фон, имеющие комплексную устойчивость сорта и гибриды сельскохозяйственных культур, создать оптимальные физиологические модели сортов для различных зон страны. Реализация указанной программы исследований имеет большое значение для ускорения научно-технического прогресса в земледелии. Раскрывая зависимость биологических процессов, происходящих в растениях, от условий внешней среды, физиология растений создает теоретическую основу для системы приемов, направленных на повышение продуктивности растений, улучшение качества сельскохозяйственной продукции.
studfiles.net
Этапы развития физиологии растений, ее связь с общим развитием биологии и практикой.
Трудно выделить какую-либо из работ прошлого в области биологии,которая легла бы в основу физиологии растений. В.В. Полевой, автор базового учебника по физиологии растений, в качестве таковой рассматривает работу Я.Б. Ван Гельмонта (1634), в которой ученый сделан вывод о том, что вода используется для построения органической массы растения. В большинстве учебников становление физиологии растений как самостоятельной науки относят к 18 веку.
В 1727 г. С. Гейлс установил, что движение воды по растению вызывают корневое давление и транспирация. В 1771 г. Дж. Пристли открыл способность зеленых растений выделять на свету кислород. В 1782 г. Ж. Сенебье назвал поглощение СО2 на свету «углекислотным дыханием». В 1797–1804гг. Н. Т. Соссюр открыл дыхание у растений и рассчитал баланс газов при фотосинтезе. В 1800 г. Ж. Сенебье опубликовал пятитомный трактат«Physiologie vegetale», в котором впервые определил физиологию растений
как самостоятельную науку, собрал, обработал и осмыслил известные к тому времени данные, сформулировал основные задачи физиологии растений, определил ее предмет и используемые методы.
В России основателем физиологии и биохимии растений справедливо считается Андрей Сергеевич Фаминцын (1835–1918) – автор первого учебника (1887), создатель первой университетской кафедры и академической лаборатории физиологии растений (1889), которая в последующем была преобразована в Институт физиологии растений. А.С. Фаминцын основал ряд направлений в области эволюционной физиологии и биохимии растений. Наиболее известны его взгляды на симбиотическую эволюцию, единство принципов жизнедеятельности растительных и животных организмов. Список имен известных ученых-физиологов растений с кратким указанием тем и направлений их работы мог бы составить несколько сотен страниц.
4. Структурная организация клетки – основа ее биохимической активности и функционирования как целостной живой системы; общий план строения растительной клетки.
Клетка – термин (от греческого cytos – «клетки» или латинского cellula – «полость») впервые употребил Роберт Гук в 1665 г. при описании строения пробки. Позже наблюдения Р. Гука повторили Грю, Мальпиги и другие исследователи на различных растениях. Однако признание универсальности клеточного строения всего живого произошло лишь в 1838–1839 гг., когда была сформулирована клеточная теория независимо друг от друга ботаником М. Шлейденом и зоологом Т. Шванном. Наука, занимающаяся микроскопическим изучением клетки, называлась в то время цитологией. В конце XIX в., а затем уже в ХХ в., изучение клеток приобрело в значительной мере экспериментальный характер, и теперь существует целая большая отрасль науки, именуемая биологией клетки, которая использует самые разнообразные методы для того, чтобы постичь жизнедеятельность организма на клеточном уровне.
Усовершенствование методов исследования и использование физических и химических подходов привело к успешному проникновению в тайны организации клетки. Было выявлено единство в строении клетки разных организаций, доказана связь между ее структурой и функцией. Основные положения клеточной теории, которые были сформулированы более 150 лет назад, были развиты и углубленны и на современном этапе развития биологии формулируются следующим образом:
1. Клетка является основной структурой и функциональной единицей жизни. Все организмы состоят из клеток, жизнь организма в целом обусловлена взаимодействием составляющих его клеток.
2. Клетки всех организмов сходны по химическому составу, строению и ряду функций.
3. Все новые клетки образуются при делении начальных клеток.
Для всех клеток характерна способность к росту, размножению, дыханию, выделению, использованию и преобразованию энергии, они реагируют на раздражение. Таким образом, клетки обладают всей совокупностью свойств, необходимых для поддержания жизни. Отдельные части клеток не могут выполнять весь комплекс жизненных функций, только совокупность структур, которые образуют клетку, проявляют все признаки жизни. Поэтому только клетка является основной структурой и функциональной единицей живых организмов. Клетка – это самостоятельная, саморегулирующая химическая система.
В многоклеточных организмах, в том числе и в растениях, отдельные клетки тесно и слаженно взаимодействуют одна с другой.
Размеры клетки даже в пределах одного организма очень разные, что, в значительной мере, зависит от их специализации и выполняемых функций. Они могут быть в виде многогранников, могут иметь шаровидную, кубическую и другие формы.
Размеры клеток – от нескольких десятков микрометров до нескольких сантиметров: клетка с зоны растяжения стебля или корня имеет размеры 50×20×10 мкм, а клетка харовой водоросли – несколько сантиметров в длину и до 1 мм в диаметре.
Строение растительной клетки довольно сложное и высокодифференцированное, но, на первый взгляд, можно выделить три компартмента (три отдельных пространства): клеточная стенка, протоплазма и вакуоль.
Существует значительное количество классификаций структурных элементов клетки: рассмотрим одну из них (рис. 1.1).
Эта классификация несколько отличается от общепринятой. Обычно все компоненты клетки, за исключением ядра, обозначают общим понятием цитоплазма, причисляя митохондрии и пластиды к «органеллам цитоплазмы», хотя присутствие в них собственного материала позволяет в той же степени отделить их от цитоплазмы, как это принято при рассмотрении клеточного ядра. Рибосомы имеются не только в цитоплазме, но и в структурных элементах, в том числе в клеточном ядре.
Клеточная стенка, вакуоль и пластиды – типичные образования растительной клетки, не встречающиеся в клетках животных.
Читайте также:
lektsia.info
Учебные дисциплины
Московский Государственный Университет имени М.В.ЛомоносоваБиологический факультетКафедра биофизики119991, Москва, ГСП-2, Ленинские горы. Телефон (495) 939-1116, факс 939-1115.
Физиология растений
Программа
Физиология растений – наука об организации и координации функциональных систем зеленого растения. Физико-химический, экологический и эволюционный аспекты физиологии растений. Ее задача - познание закономерностей жизнедеятельности растений, раскрытие молекулярных основ сложных функций и механизмов их регуляции в системе целого организма.
Методологические основы фитофизиологии. Редукционизм, органицизм и интегратизм как подходы к изучению живых систем. Сочетание различных уровней исследования (субклеточный, клеточный, организменный, биоценотический) как необходимое условие прогресса физиологии растений. Специфические методы фитофизиологии как науки.
Объект физиологии растений – эукариотный организм, осуществляющий фототрофный образ жизни. Специфика обмена зеленых растений по сравнению с другими объектами, характеризующимися фототрофным образом жизни. Космическая роль зеленого растения.
Этапы развития физиологии растений, их связь с общим развитием биологии и с практикой. Отечественные школы физиологов растений. Физиология растений – теоретическая основа растениеводства и новых отраслей биотехнологии. Физиологические основы продуктивности растений. Главные проблемы современной фитофизиологии.
Структурно-функциональная организация растительной клетки
Клетка как организм и как элементарная структура многоклеточного организма - сравнение функций. Специфические особенности растительной и животной клеток. Автотрофность и гетеротрофность.
Структурная организация клетки - основа ее биохимической активности и функционирования как целостной живой системы. Эволюция клеточной организации на примере сравнения прокариотной и эукариотной клетки.
Мембранные системы клетки и мембранный принцип ее организации. Структура и свойства биологических мембран, их роль в клетке (проницаемость, системы активного транспорта, биосинтезов и процессинга макромолекул). Модели структурно-функциональной организации мембран. Биохимическая и функциональная разнокачественность мембран.
Основные структурные элементы эукариотной клетки.
Ядро, его организация и функционирование. Генетический аппарат растительной клетки. Пластиды и митохондрии. Гипотезы происхождения клеточных органелл. Взаимодействие ядерного, митохондриального и хлоропластного геномов. Двойной генетический контроль за синтезом белков в хлоропластах и митохондриях.
Плазмалемма. Эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, микротела (пероксисомы, глиоксисомы, лизосомы и др.), вакуоли, их строение и основные функции.
Цитоскелет, особенности его строения в связи с биологическими функциями.
Строение клеточной стенки, ее химический состав и основные функции (защитная, опорная, функции в морфогенезе, транспорте и др.).
Физико-химические свойства протоплазмы и их изменения в жизненном цикле клетки.
Функциональные взаимодействия различных органоидов клетки, их изменения в клеточном цикле и при ее дифференциации. Регуляторные системы клетки. Внутриклеточные факторы регуляции обмена: биохимические, генетические, мембранные. Регуляция с участием вторичных мессенджеров. Компартментация каталитических систем и метаболических фондов как один из механизмов регуляции клеточного метаболизма.
Дыхание
Физиологическая роль дыхания. Специфика дыхания у растений.
Развитие представлений о природе механизмов и о путях окислительно-восстановительных превращений в клетке. Каталитические системы дыхания (дегидрогеназы, оксидазы, оксигеназы, карбоксилазы, трансферазы и др.). Механизмы активации водорода субстрата и молекулярного кислорода.
Митохондрии. Их структура и функции. Изменение ультраструктуры митохондрии в зависимости от функционального состояния организма.
Пути окисления органических веществ в клетке. Унификация субстратов дыхания. Механизм активации дыхательных субстратов, пути их включения в процессы биологического окисления.
Основные пути диссимиляции углеводов. Пентозомоно-фосфатный путь окисления глюкозы и его роль в конструктивном обмене клетки. Гликолитический путь окисления; основные стадии.
Гликолиз. Цикл Кребса. Глиоксалатный цикл. Механизмы регуляции циклов.
Электронтранспортная цепь митохондрий: структурная организация, основные компоненты, их окислительно-восстановительные потенциалы. Комплексы переносчиков электронов. Альтернативность каталитических механизмов биологического окисления.
Окислительное фосфорилирование. Единство элементарных энергетических процессов в живой природе. Фосфорилирование на уровне субстрата и фосфорилирование в дыхательной цепи. Основные положения хемиосматической теории сопряжения Митчела. Мембраны как структурная основа биоэнергетических процессов. Трансформация энергии на сопрягающих мембранах. Электро-химический потенциал -движущая сила фосфорилирования. Регуляция электронного транспорта и фосфорилирования.
Дыхание как центральное звено обмена веществ. Значение дыхания в конструктивном метаболизме. Связь с другими функциями клетки. Дыхание роста и дыхание поддержания.
Количественные показатели газообмена (поглощение кислорода, выделение углекислоты, дыхательный коэффициент и др.).
Регуляция дыхания. Зависимость дыхания от внешних и внутренних факторов.
Фотосинтез
Развитие учения о фотосинтезе. Историческое значение работ К.А.Тимирязева.
Сущность и значение фотосинтеза. Общее уравнение фотосинтеза, его компоненты. Роль фотосинтеза в процессах энергетического и пластического обмена растительного организма. Фотосинтез как процесс трансформации энергии света в энергию химических связей. Масштабы фотосинтетической деятельности в биосфере.
Эволюция биосферы и фотосинтез.
Структурная организация фотосинтетического аппарата. Строение листа как органа фотосинтеза, изменения в онтогенезе. Хлоропласты. Основные элементы структуры хлоропластов (двойная мембрана, матрикс, тилакоиды, граны). Онтогенез хлоропластов.
Эволюция структуры фотосинтетического аппарата.
Пигментные системы фотосинтезирующих организмов. Хлорофиллы. Химическая структура, спектральные свойства. Отдельные представители группы хлорофиллов. Распространение хлорофиллов среди различных групп организмов. Функции хлорофиллов. Основные этапы биосинтеза молекулы хлорофилла. Хлорофилл-белковые комплексы.
Фикобилины. Распространение, химическое строение, спектральные свойства. Роль в фотосинтезе.
Каротиноиды. Химическое строение, свойства. Спектры поглощения. Функции в фотосинтезе.
Регуляция биосинтеза пигментов. Зависимость биосинтеза пигментов от интенсивности и качества света, снабжения С02, 02 и минеральными элементами. Явление хроматической адаптации.
Функциональное и экологическое значение спектрально-различных форм пигментов у фотосинтезирующих организмов.
Первичные процессы фотосинтеза. Электронно-возбужденные состояния пигментов (синглетное, триплетное). Типы дезактивации возбужденных состояний. Флуоресценция. Механизмы миграции энергии в системе фотосинтетических пигментов.
Представление о фотосинтетической единице. Антенные комплексы. Реакционные центры, модели их структурной организации. Преобразование энергии в реакционном центре. Окислительно-восстановительные превращения хлорофилла реакционного центра.
Электрон-транспортная цепь фотосинтеза, природа ее основных компонентов. Представление о совместном функционировании двух фотосистем. Эффекты Эмерсона. Основные функциональные комплексы электронтранспортной цепи - ФС1, ФС2, цитохром b6/f комплекс; их структура и функции. Образование соединений с высоким восстановительным потенциалом. Системы фотоокисления воды и выделения кислорода при фотосинтезе. Участие хинонов, цитохромов, Cu- и Fe-протеидов в реакциях транспорта электронов. Циклические и нециклические потоки электронов, системы регуляции.
Фотофосфорилирование. Характеристика основных типов фотофосфорилирования - циклического, нециклического, псевдоциклического. Механизм сопряжения электронного транспорта и образования АТФ.
Темновая стадия фотосинтеза. Связь фотосинтетической ассимиляции С02 с фотохимическими реакциями. Природа первичного акцептора углекислоты. Химизм реакций цикла Кальвина, его ключевые ферменты. Первичные продукты фотосинтеза, их превращения. Регенерация акцепторов СO2. Первичный синтез углеводов. Фотодыхание. Цикл Хэтча-Слэка-Карпилова. Особенности С3- и С4- растений и САМ-тип метаболизма.
Взаимосвязь фотосинтеза и процессов усвоения азота. Функциональная роль хлоропласта. Потоки метаболитов в хлоропласт и из него.
Экология фотосинтеза. Зависимость фотосинтеза от внешних условий и состояния организма. Влияние на фотосинтез температуры, условий освещения, содержания углекислоты, условий минерального питания, водоснабжения. Компенсационная точка при фотосинтезе и ее зависимость от особенностей организма. Ассимиляционное число.
Фотосинтез и общая продуктивность растительных организмов и их сообществ. Фотосинтез в онтогенезе растения. Теория фотосинтетической продуктивности.
Культура растений в условиях искусственного освещения и при повышении концентрации СO2 и O2. Фотосинтез в условиях промышленной фитотроники и в замкнутых системах жизнеобеспечения.
Эволюция фотосинтеза. Хемосинтез. Бактериальный фотосинтез.
Физиология водообмена растений
Значение воды в жизнедеятельности растений. Растения и круговорот воды на Земле.
Молекулярная структура и физические свойства воды. Взаимодействие молекул воды и биополимеров, гидратация. Свободная и связанная вода. Физиологическое значение различных фракций воды в растении.
Основные закономерности поглощения воды клеткой. Набухание биоколлоидов, осмос - явления, лежащие в основе поступления воды в растение. Термодинамические показатели, определяющие поведение воды: активность воды, химический потенциал, водный потенциал. Составляющие водного потенциала: осмотический потенциал, матричный потенциал, потенциал давления. Градиент водного потенциала как движущая сила поступления и передвижения воды в системе "почва-растение-атмосфера", в клетках, тканях и целом растении.
Механизм передвижения воды по растению. Пути ближнего и дальнего транспорта. Движущие силы восходящего тока воды в растении. Верхний и нижний концевые двигатели. Корневое давление, механизм его развития и значение в жизни растений. Натяжение воды в сосудах; значение сил молекулярного сцепления.
Выделение воды растением. Гуттация, транспирация. Физиологическое значение этих процессов. Количественные показатели транспирации: интенсивность, продуктивность, транспирационный коэффициент. Устьичная и кутикулярная транспирация. Строение устьиц и механизмы их движений, влияние света. Устьичное и внеустьичное регулирование транспирации. Влияние внешних факторов (света, температуры, влажности воздуха и почвы и др.) на интенсивность транспирации. Суточный ход транспирации.
Экология водообмена растений. Особенности водообмена у растений разных экологических групп (ксерофитов, мезофитов, гигрофитов, галофитов) и пути адаптации растений к водному дефициту.
Физиология минерального питания
Роль растений в круговороте минеральных элементов в биосфере. Потребность растений в элементах минерального питания. Содержание и соотношение минеральных элементов в почве и в растениях и факторы, их определяющие. Классификации элементов, необходимых для растений. Основная функция ионов в метаболизме: структурная и каталитическая.
Почва как источник минеральных элементов. Твердая фаза почвы, почвенный раствор, состав и структура почвенного поглощающего комплекса.
Корень как орган поглощения минеральных элементов и воды, а также место специфических синтезов. Система взаимодействия "корень-почва". Рост корня как основа поступления минеральных элементов.
Ближний транспорт ионов в тканях корня. Симпластический и апопластический пути. Дальний транспорт. Восходящее передвижение веществ по растению: пути и механизмы. Перераспределение и реутилизация ионов в растении. Поступление и превращения ионов и дыхание. Взаимосвязь минерального питания с процессами роста и развития растений.
Механизм поглощения ионов. Роль процессов диффузии и адсорбции, их характеристика. Понятия водного свободного пространства и Доннановского свободного пространства. Транспорт ионов через плазматическую мембрану. Пассивный перенос. Активный транспорт ионов (первичный и вторичный активный транспорт). Уравнение Нернста. Движущие силы транспорта ионов и формы потребляемой энергии. Механизмы транспорта ионов через мембраны:
АТФазы, редокс-цепи, ионные каналы, портерные системы (симпорт, антипорт,унипорт).
Кинетика процессов поглощения. Участие мембранных структур клетки в поглощении и компартментации ионов. Роль вакуоли. Пиноцитоз. Взаимосвязь процессов поглощения веществ корнем с другими функциями растения (дыханием, фотосинтезом, водообменом, биосинтезами, ростом и др.).
Физиологическая и биохимическая роль основных элементов питания.
Азот и его значение в жизни растений. Круговорот азота в природе. Источники азота для растений. Симбиотическая фиксация молекулярного азота. Структурная и функциональная характеристика нитрогеназы. Минеральные формы азота, используемые растением. ферментные системы, участвующие в усвоении нитратов, регуляция их синтеза и активности. Биохимические пути ассимиляции аммиака в растении. Синтез аминокислот, амидов, реакции переаминирования. Запасные и транспортные формы минерального и органического азота, накопление нитратов в тканях. Круговорот азота по растению.
Азотный обмен и дыхание. Азотный обмен и фотосинтез: взаимодействие азотного и углеродного потоков; роль первичных реакций фотосинтеза в усвоении окисленного азота.
Сера. Основные соединения серы в растении, их роль в структурной организации клетки, участие в окислительно-восстановительных реакциях. Источники серы для растения. Механизм восстановления сульфатов, отдельные этапы процесса, ферментные системы.
Фосфор. Значение разных типов фосфорсодержащих соединений в клетке. Поступление фосфора в клетку, пути его включения в обмен. Участие соединений, содержащих фосфор, в образовании клеточных структур, ферментных систем. Макроэргические соединения фосфора, их роль в энергетическом обмене.
Калий, его значение в обмене растительного организма. Влияние калия на физические свойства протоплазмы, на ферменты углеводного обмена, синтез белков и др. Роль калия в поддержании ионного баланса в тканях, в процессах осморегуляции.
Кальций. Структурообразовательная роль кальция. Участие в образовании клеточной стенки, поддержании структурной целостности мембран и регуляции их проницаемости. Регуляторная роль кальция.
Магний. Формы участия магния в метаболизме. Магний в составе хлорофилла. Участие в реакциях переноса фосфатных групп, в формировании функционально-активных клеточных структур.
Микроэлементы. Представления о роли микроэлементов в метаболизме растений. Металлы как компоненты простетических групп и как активаторы ферментных систем. Особенности поступления микроэлементов в растения. Физиологическая роль железа, меди, марганца, молибдена, цинка, бора и других микроэлементов. Участие микроэлементов в формировании и функционировании электронтранспортных цепей фотосинтеза и дыхания, в азотном и углеводном обмене, в ростовых процессах и других реакциях метаболизма.
Водная, песчаная и почвенная культуры, их применение в физиологии растений. Питательные смеси. Физиологически кислые и физиологически основные соли. Взаимодействие ионов (антагонизм, синергизм, аддитивность). Физиологические основы применения удобрений. Гидропоника.
Значение работ Д.Н.Прянишникова и Д.А.Сабинина в создании теории минерального питания.
Корневое питание как важнейший фактор управления продуктивностью и качеством урожая. Генотипические различия в минеральном питании разных видов и сортов.
Транспорт веществ в растении
Понятие о восходящем и нисходящем токах веществ в растении. Передвижение органических веществ. Ближний и дальний (флоэмный) транспорт ассимилятов.
Транспортные формы веществ. Возможный механизм и регуляция флоэмного транспорта. Зависимость транспорта веществ от температуры, водного режима, минерального питания.
Донорно-акцепторные взаимодействия и роль транспортных систем в интеграции физиологических функций целого растения.
Физиология роста и развития растений
Определение понятий "рост" и "развитие" растений. Проблема роста и развития на клеточном и молекулярном уровнях. Существование организма как развертывание во времени генетической программы. Воздействие на этот процесс внутренних и внешних факторов.
Общие закономерности роста, типы роста у растений. Организация меристем корня и стебля. Рост и деятельность меристем. Кинетика ростовых процессов и их свойства. Ритмика, биологические часы. Корреляции. Полярность. Регенерация.
Рост растений и среда. Влияние температуры, света, воды, газового состава атмосферы, элементов минерального питания на ростовые процессы.
Клeточные основы роста. Фазы роста клеток и их характеристики. Изменения морфологии и метаболизма при прохождении каждой фазы. Понятие о клеточном цикле, влияние различных факторов на деление клеток. Рост клетки в фазе растяжения, механизм действия ауксина на этот процесс.
Дифференцировка клеток и тканей; компетенция и детерминация. Дифференциальная экспрессия генома как фактор реализации генетических программ развития. Тотипотентность растительной клетки.
Системы регуляции функций целого растения: трофическая, гормональная, электрическая. Доминирующие центры и физиологические градиенты. Системы восприятия и передачи сигналов. Системы связей и регуляторных контуров. Элементы теории сложных систем и их приложение к анализу систем регуляции в растении.
Механизм регуляции ростовых процессов. Фитогормоны (ауксины, гиббереллины, цитокинины, абсцизовая кислота, этилен, брассиностероиды), их строение, биосинтез, транспорт, физиологическое действие. Молекулярные основы действия гормонов и ингибиторов роста растений. Взаимодействие между различными гормонами. Синтетические регуляторы и ингибиторы роста (гербициды, ретарданты, морфактины), их практическое применение.
Ростовые и тургорные движения растений. Тропизмы (фото-, гео-, электро-, термотропизмы). Гормональная природа тропизмов. Настии. Сейсмонастические движения.Раздражимость; фитохромная и криптохромная системы; электрофизиологические процессы.
Жизненный цикл высших растений. Основные этапы онтогенеза (эмбриональный, ювенильный, репродуктивный, зрелости, старения), их морфологические, физиологические и метаболические особенности. Состояние покоя у растений. Типы покоя и их значение для жизнедеятельности растений.
Механизмы морфогенеза растений. Индукция генетических программ, морфогенетические градиенты и ориентация клеток в пространстве. Целостность и коррелятивное взаимодействие органов. Физиологические и молекулярные основы эмбриогенеза растений. Созревание и прорастание семян как фазы морфогенеза.
Внутренние и внешние факторы, определяющие переход растений от вегетативного развития к генеративному. Индукция цветения. Яровизация. Фотопериодизм. Роль фитохромной системы в фотопериодических реакциях. Типы фотопериодической реакции. Природа флорального стимула. Гипотезы о бикомпонентной природе флоригена, о многокомпонентном контроле цветения. Цветение как многоступенчатый процесс. Эвокация цветения и ее регуляция. Модель переключения генной активности. Закладка и рост соцветий и цветка. Оплодотворение.
Детерминация пола. Генетические, фенотипические и гормональные факторы, определяющие пол у растений.
Физиология вегетативного размножения. Размножение клубнями, луковицами, корневищами, усами, отводками и черенками.
Культура изолированных зародышей, органов, тканей, клеток, протопластов как модель для изучения процессов роста и развития. Биология изолированных клеток и тканей, клеточная биотехнология. Использование метода культуры клеток для изучения биологии клетки и понимания взаимоотношений части и целого при функционировании клеток в растительном организме.
Пути практического использования культуры растительных клеток (освобождение от вирусных инфекций, массовое размножение, сохранение генофонда редких видов, получение биомассы клеток-продуцентов практически важных веществ.
Устойчивость растений к неблагоприятным факторам
Устойчивость как приспособление растений к условиям существования. Ответные реакции растений на действие неблагоприятных факторов. Общие принципы адаптивных реакций растений на экологический стресс (изменение экспрессии генов и включение синтеза стрессовых, мембранных, структурных белков;
перестройки мембранных систем и физиологических процессов; синтез протекторных соединений и др.). Биохимическая адаптация. Пути повышения устойчивости растений.
Реакция растений на температуру. Влияние низких положительных температур (холодоустойчивость растений), низких отрицательных температур (морозоустойчивость растений) и почвенно-климатических факторов (зимостойкость растений), высоких положительных температур (жароустойчивость растений). Закаливание растений.
Реакция растений на водный дефицит (засухоустойчивость растений). Атмосферная и почвенная засуха. Приспособление различных ксерофитных форм и мезофитных растений к низкому водному потенциалу и гигрофитов - к гипоксии. Пути адаптации растений к гипо-и аноксии.
Реакция растений на высокое содержание солей в почве (солеустойчивость растений). Типы засоления почв. Классификация растений по отношению к засолению почв. Механизмы адаптации галофитных организмов к солям. Особенности загрязнения почв тяжелыми металлами. Токсичность их для высших растений.
Радиоустойчивость растений и ее механизмы.
Загрязнение атмосферы сернистым газом, оксидами азота и углерода, соединениями фтора и др. Токсичность их действия на растения. Формирование устойчивости к газам (регулирование их поступления, поддержание внутриклеточного гомеостаза, детоксикация образующихся ядов).
Физиологические и биохимические основы устойчивости высших растений к патогенным микроорганизмам и другим биотическим факторам. Конституционные и индуцированные защитные свойства. Приобретенный (индуцированный) иммунитет.
НА ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЯХ
студенты знакомятся с современными методами изучения основных функций растительного организма - фотосинтеза, дыхания, минерального питания, водного обмена, исследуют рост и развитие растительных клеток и тканей. Предметное содержание задач направлены на углубление знаний, получаемых студентами при изучении теоретического курса.
ЛИТЕРАТУРА
основная
- Гудвин Т., Мерсер Э. Введение в биохимию растений. В 2 т.: Пер. с англ. М."Мир", 1986.
- Полевой ВВ. Физиология растений. Учеб. для вузов. М.: "Высшая школа", 1989.464с.
- Якушкина Н.И. Физиология растений. 2-ое изд., перераб. М., "Просвещение", 1993, 351 с.
- Малый практикум по физиологии растений. Под ред. А.Т. Мокроносова, 9-ое изд., перераб. и доп. Изд-во Московского унта, 1994, 183с.
дополнительная
- В.Н.Жолкевыч, Н.А.Гусев, А. В. Капля и др Водный обмен растений. Отв. ред. И.А.Тарчевский, В.Н.Жолкевич. М.: Наука, 1989.
- Косулина Л. Г., Луценко Э.К., Аксенова В. А. Физиология устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды. Учеб. пособие. Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 1993. 235с.
- Курсанов А.Л. Транспорт ассимилятов в растении. М.: Наука, 1976. Мокроносов АЛ"., Гавриленко В. Ф. Фотосинтез: Физиолого- экологические и биохимические аспекты. М., Изд-во МГУ, 1992.
- Полевой В. В., Саламатова Т.С. Физиология роста и развития растений. Учеб. пособие. Л.: Изд-во ЛГУ, 1991. 238с.
- Чаилахян М.Х. Регуляция цветения высших растений. М.: Наука, 1988. 560с.
- Marschner Н. Mineral nutrition of higher plants. London etc..: Academic Ргеss, 1995, 889р.
Составитель: профессор Ермаков И.П.
Источник
| ! | Внимание! На сайте приведена приблизительная программа курса. Используйте этот материал при подготовке к экзаменам только по согласованию с преподавателем! |
www.biophys.msu.ru
