© 2013 American Society of Plant Biologists 为什么要研究植物 ? www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.109.tt1009.

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1 © 2013 American Society of Plant Biologists 为什么要研究植物 ? www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.109.tt1009

2 © 2013 American Society of Plant Biologists 植物，像大多数动物一样， 是多细胞真核生物 细菌 古细菌 动物 植物 真菌 共同的祖先 Photo credits: Public Health Image Library; NASA; © Dave Powell, USDA Forest Service; tom donald

3 © 2013 American Society of Plant Biologists 多种多样的植物 绿藻 地衣 苔藓 石松类 蕨类植物 圆锥花序植物 禾本植物 宽叶植物 植物进化出能在不同 类型陆地生息繁衍的 能力 Images courtesy tom donaldtom donald 陆生植物 维管植物 种子植物 有花植物

4 © 2013 American Society of Plant Biologists 植物能使我们快乐 Dravigne, A., Waliczek, T.M., Lineberger, R.D., Zajicek, J.M. (2008) The effect of live plants and window views of green spaces on employee perceptions of job satisfaction. HortScience 43: 183–187. Photo credit: tom donald183–187tom donald 据报道，在工作时， 能见到植物的人比不 能见到植物的人有明 显的工作满足感。

5 © 2013 American Society of Plant Biologists 植物是神奇的生命有机体 最大的花 (~ 1 米 ) 最长的寿命 （ ~ 5000 年） 最高的生物体 (> 100 米 ) Photo credits: ma_suska; Bradluke22; Stan Shebsma_suskaBradluke22Stan Shebs

6 © 2013 American Society of Plant Biologists 没有植物，我们就不能生存 植物提供我们呼吸所需的大 部分氧气。 植物为我们提供我们需要的 化学能，如食物和燃料。 植物提供了多种多样的有用 的化合物。

7 © 2013 American Society of Plant Biologists 没有氧气，我们就不能生存！ X X 无氧气 Joseph Priestley 认为动 物的呼吸会 “ 污染 ” 空气 。 生活在密闭空间的动 物最终会死亡。

8 © 2013 American Society of Plant Biologists 没有氧气，我们就不能生存 ! 产生氧气 Priestley 也认识到植物可以 “ 净化空气 ” 。 现在，我们知道 ，作为光合作用的副产物， 植物可以产生氧气。

9 © 2013 American Society of Plant Biologists 植物可以固定二氧化碳，生长成富含能量的 生物体，作为动物的食物 植物通过 “ 光合作用 ” 把二 氧化碳转变为糖类。 CO 2

10 © 2013 American Society of Plant Biologists 植物可以产生多种多样神奇的化合物 维生素 A 维生素 C 香草醛 咖啡因 吗啡 CO 2

11 © 2013 American Society of Plant Biologists 为什么要研究植物？ 有利于保护濒危植物和环境 更多地了解自然界 更好的利用植物资源，为我 们提供食物、药品和能源 Photo credit: tom donaldtom donald

12 © 2013 American Society of Plant Biologists 研究植物使我们更好地了解我们的世界 罗伯特 · 虎克 画的软木结构, 发现了 “ 细胞 ” 细胞首先在植物中被观察到 光学显微镜下的软木塞 Photo credit: ©David B. Fankhauser, Ph.D©David B. Fankhauser, Ph.D

13 © 2013 American Society of Plant Biologists 病毒首先从植物中被纯化出来 烟草花叶病毒 病毒能感染人类和植物，造成 许多疾病，如：艾滋病、肝炎 、 SARS 、猪流感、子宫颈癌 、禽流感和小儿麻痹症。 Image Copyright 1994 Rothamsted Research.

14 © 2013 American Society of Plant Biologists 孟德尔的豌豆实验揭示了遗传的规律

15 © 2013 American Society of Plant Biologists 孟德尔的豌豆实验揭示了遗传的规律 能帮助我们了解疾病，比如镰刀 形细胞贫血症...

16 © 2013 American Society of Plant Biologists 孟德尔的豌豆实验揭示了遗传的规律... 血友病，和其他数不尽 的人类遗传病。 携带血友病基因的家族谱系

17 © 2013 American Society of Plant Biologists 孟德尔的豌豆实验揭示了遗传的规律 孟德尔的工作奠定了植物遗传和育 种的基础。 著名的植物 育种学家 Norman Borlaug 1914-2009, 1970 年诺贝尔奖 获得者

18 © 2013 American Society of Plant Biologists 为什么研究植物？

19 © 2013 American Society of Plant Biologists 世界人口不断增长 从 1950 年到 2020 年，世 界人口有望增长 3 倍，从 25 亿人口增长到 75 亿人口

20 © 2013 American Society of Plant Biologists 世界人口不断增长 植物研究的一个主要目标 是提高作物产量，估计未 来 40 年我们需要将产量提 高 70% 。

21 © 2013 American Society of Plant Biologists 营养不良和饥饿造成儿童死亡 在 2004 年，全球有 6000 万人死亡。 (Source: World Health Organization, 2008)World Health Organization

22 © 2013 American Society of Plant Biologists 他们中 1000 万人小于 5 岁，他们中 99% 的人生活在低等或中等收入的国 家。 (Source: The State of the World's Children, UNICEF, 2007)The State of the World's Children 营养不良和饥饿造成儿童死亡

23 © 2013 American Society of Plant Biologists 每年有 5 百万 5 岁以下的儿童死于营养不良 和相关的原因。 每 6 秒，就有一位学龄前的儿童死于本来 可以避免的原因。 营养不良和饥饿造成儿童死亡

24 © 2013 American Society of Plant Biologists 每年，由于缺乏维生素 A ，有 100 万儿童死亡。 (Source: Vitamin and Mineral Deficiency, A Global Progress Report, UNICEF) 营养不良和饥饿造成儿童死亡

25 © 2013 American Society of Plant Biologists 面对一种影响美国、加拿大 和欧洲的病害，世界 应该怎么办？

26 © 2013 American Society of Plant Biologists 全球范围内，每年超过 10 亿人处于长期 慢性饥饿的状态。 这超过了美国、加拿大和欧洲人口的总和。 (Source: FAO news release, 19 June 2009)FAO news release,

27 © 2013 American Society of Plant Biologists 这大概是美国、加拿大、欧洲和中国人口的总和。 (Source: World Health Organization, WHO Global Database on Anaemia)World Health Organization 由于缺铁，每年超过 20 亿人患有慢性贫血病

28 © 2013 American Society of Plant Biologists 面对这些问题，科学家 能做什么 ?

29 © 2013 American Society of Plant Biologists 通过培育新型作物  耐干旱胁迫  需要较少的水肥  抗病虫  更有营养 植物学家可以为缓解饥饿作出贡献

30 © 2013 American Society of Plant Biologists 植物生长经常受干旱条件的限制 Image source: IWMIIWMI 物理性及经济性水资源缺乏区域 未发生水缺乏 物理学水缺乏 接近物理性水缺乏 经济性水缺乏 未估算

31 © 2013 American Society of Plant Biologists 干旱胁迫伴随着全球气温上升 Gornall, J., Betts, R., Burke, E., 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.m2973-2989 在温带，气温每升 高 1 ℃，作物的产 量下降 3-5% 。 到 2050 年，耕地平均温度 升高的一个模型。

32 © 2013 American Society of Plant Biologists 甚至轻度的干旱胁迫也会降低作物产量 轻度干旱胁迫降低光合作用和生长的速 率，然而极度干旱胁迫是致命的。

33 © 2013 American Society of Plant Biologists 我们需要在逆境胁迫条件下生长良好的作物 高温和干旱降低 植物产量

34 © 2013 American Society of Plant Biologists 需要更多的土地来 种植更多的植物 高温和干旱降低 植物产量 我们需要在逆境胁迫条件下生长良好的作物

35 © 2013 American Society of Plant Biologists 砍伐森林让土地种植作物 导致释放更多的 CO 2 需要更多的土地来 种植更多的植物 高温和干旱降低 植物产量 我们需要在逆境胁迫条件下生长良好的作物

36 © 2013 American Society of Plant Biologists 改变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 tolerance with improved root system and reduced stomatal density. Plant Cell 20:1134-1151.1134-1151 恢复浇水后 浇水 10 天干旱 20 天干旱 抗旱型 野生型

37 © 2013 American Society of Plant Biologists 发达的根系有利于抗旱 幼苗成熟植物 野生型 抗旱 培育具有发达根系的 植物可以帮助它们在 干旱地方生长。 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 tolerance with improved root system and reduced stomatal density. Plant Cell 20:1134-1151.1134-1151

38 © 2013 American Society of Plant Biologists 肥料是一种耗能的有限资源 作物需要肥料 – 氮、磷、钾和其他营 养元素。 钾和磷是不可再生的矿质元素 氮肥的合成需要消耗大量的资源 Photo credits: Mining Top News; Library of Congress, Prints & Photographs Division, FSA-OWI Collection, LC-USW361-374LC-USW361-374

39 © 2013 American Society of Plant Biologists 化肥的使用是环境污染的一个重要来源 Photo Photo courtesy of NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio 化肥的流失造成了死亡 地带，藻类疯长，然后 死亡腐烂，降低了水体 中的氧含量，使水中的 动物缺氧而大量死亡。

40 © 2013 American Society of Plant Biologists Yuan, L., Loque, D., Kojima, S., Rauch, S., Ishiyama, K., Inoue, E., Takahashi, H., and von Wiren, N. (2007). The organization of high-affinity ammonium uptake in Arabidopsis roots depends on the spatial arrangement and biochemical properties of AMT1-type transporters. Plant Cell 19: 2636-2652.2636-2652 根中更高效的吸收和转运系统可以降 低化肥的需求。 可以提高植物营养吸收的效率

41 © 2013 American Society of Plant Biologists 科学家通过将作物和多年生植 物杂交来降低作物对水和肥料 的依赖。 土地研究所 Wes Jackson 手拿一种多年生小麦 近缘植物偃麦草（ Thinopyrum intermedium ） 多年生植物比大多数作物具有更好的水分和养 分吸收能力 Photo credit: Jodi Torpey, westerngardeners.comwesterngardeners.com

42 © 2013 American Society of Plant Biologists 目前两种严重的病害威胁着世界粮食的供应 马铃薯晚疫病，由致病疫霉菌造 成马铃薯生长后期枯萎，反复出 现。 小麦秆锈病，小麦秆锈菌已经发 展成为有很强侵染力的菌株。 Photo credits: www.news.cornell.edu; www.fao.orgwww.news.cornell.edu

43 © 2013 American Society of Plant Biologists 晚疫病危害马铃薯生长 马铃薯晚疫病由致病疫霉菌 （ Phytophthora infestans ） 引起的。在 1840 年的爆发造 成作物失产，导致欧洲 100 万 人以上的死亡。 Photo credits: USDA; Scott BauerScott Bauer 侵染的 对照

44 © 2013 American Society of Plant Biologists 抗性基因的鉴定 抗性 接种病原菌 未接种 易感植株 左侧的植株携带抗性基因，没有表现 出病症。 Song, 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 broad spectrum resistance to potato late blight. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100:9128–9133.9128–9133 遗传学家已经鉴定出了 一些抗性基因，并将其 引入食用品种中。

45 © 2013 American Society of Plant Biologists 小麦秆锈病是一种新型的严重威胁 在 1999 年，在乌干达出现一 种新型高致病性的菌株，被 称为 Ug99 。 大部分小麦缺乏对这种菌株 的抗性。 被侵染的小麦 Photo credit: ARS USDAARS USDA

46 © 2013 American Society of Plant Biologists Ug99 到处威胁小麦的生长 这是一个需要关注的 全球性的问题。 Ug99 的孢子不因国界而停 止传播... – 联合国粮食和农业组织 (FAO) Photo credit: ARS USDAARS USDA

47 © 2013 American Society of Plant Biologists 这种真菌随风传播 Ug99 在乌干达 、肯尼亚、 埃塞尔比亚、苏丹、也门和 伊朗已发现，并威胁中东、 东非、中亚和南亚地区。 Photo credit: www.wheatrust.cornell.eduwww.wheatrust.cornell.edu 携带孢子的气流在图上 显示为红色。

48 © 2013 American Society of Plant Biologists 这种真菌随风传播 在这些受威胁的地 区，小麦是主要的 粮食作物，尤其在 贫穷地区。 Ug99 可能的传播轨迹 Photo credit: www.wheatrust.cornell.eduwww.wheatrust.cornell.edu

49 © 2013 American Society of Plant Biologists 全球科学家合作监控 Ug99 的传播并培育抗性品种。 这个时候，没有人知道抗性 植株能否及时培育出来，以 避免大规模的饥荒发生...... Photo credits: Bluemoose; FAOBluemooseFAO

50 © 2013 American Society of Plant Biologists 植物生物学家研究采后植物保鲜的机制 收获后，水果变软， 熟透，最终腐烂。 这些生理变化导致水果吸引力下降， 并且影响营养品质。 Photo credits: Cornell University ; ARCCornellARC

51 © 2013 American Society of Plant Biologists 马铃薯在储存不当的条件下 会变绿并积累茄碱。茄碱是 有害的，较大剂量可导致中 毒。 Photo credits: Dr. C.M. Christensen, Univ. of Minnesota.; WSU; Pavalista, A.D. 2001Dr. C.M. Christensen, Univ. of Minnesota.WSUPavalista, A.D. 2001 玉米粒上长有曲霉菌。 釆后变质造成 50% 或更 多的谷物收获的损失。 植物科学家研究采后保鲜的各种方法

52 © 2013 American Society of Plant Biologists 缺乏维生素 A 饥饿 勉强生存的饮食通常是缺乏营养的。 人体需要维生素、矿物元素和能量。 营养不良主要发生在贫穷人群。 贫血 ( 幼儿童 ) 提高植物中的营养含量可以减缓 营养不良的问题 Image sources: Petaholmes based on WHO data; WHO PetaholmesWHO dataWHO

53 © 2013 American Society of Plant Biologists 通过食用添加维生素（如叶酸、维生素 A ）和微量元素 （如铁、锌、碘）的强化食物，已经显著缓解了世界上 大多数地区营养不良的问题。 Photo credit: © UNICEF/NYHQ1998-0891/Giacomo Pirozzi© UNICEF/NYHQ1998-0891/Giacomo Pirozzi

54 © 2013 American Society of Plant Biologists 木薯在非洲是一种营养含量低的主食作物 科学家已经鉴定出一个突变体， 该突变体比标准白色品种含有更 多的维生素 A 。 Welsch, R., Arango, J., Bar, C., Salazar, B., Al-Babili, S., Beltran, J., Chavarriaga, P., Ceballos, 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.: tpc.110.077560 标准白色品种 新发现的黄色品种

55 © 2013 American Society of Plant Biologists 基因生物强化食物 富含铁的大米 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 Biotechnology 26, 1301 - 1308 copyright (2008).Golden Rice Humanitarian Board © 2007;ETH Zurich / Christof Sautter1301 - 1308 富含维生素 A 的大米

56 © 2013 American Society of Plant Biologists 植物提供的 不只是食物 植物： 是新型药品的来源 为造纸和纺织提供纤维原料 是可再生产品的来源 可再生能源的原料 Photo credit: tom donaldtom donald

57 © 2013 American Society of Plant Biologists 植物产生上百种化合物用于生产药物 柳树 (Salix) ：其树皮是生产阿司匹林（乙酰水杨酸） 的来源 毛地黄 (Digitalis purpurea) ：毛地黄（用于心脏病的 治疗） Pacific yew 短叶紫杉 (Taxus brevifolia) 紫杉酚（用于 癌症的治疗）的来源 咖啡 (Coffea arabica) 和茶 (Camellia sinensis) ：咖 啡因（兴奋剂）的来源

58 © 2013 American Society of Plant Biologists 数以百万计的人死于疟疾 图示世界上各地区的疟疾风险程度。 Hay, S.I., et al., Hay, S.I., et al., (2009) PLoS Med 6(3): e1000048. doi:10.1371/ journal.pmed.1000048

59 © 2013 American Society of Plant Biologists 疟疾由原生动物疟原虫引起 小鼠细胞中 的疟原虫 Image by Ute Frevert; false color by Margaret Shear.

60 © 2013 American Society of Plant Biologists 疟原虫是通过蚊虫叮咬传播的 Photo credit: CDCCDC

61 © 2013 American Society of Plant Biologists 但是疟原虫逐渐对奎宁产生抗药性， 因此需要寻找其他抗疟疾的药物。 Image credits: Köhler; CDCKöhlerCDC 金鸡纳树树皮含有奎宁，其可以 杀死疟原虫

62 © 2013 American Society of Plant Biologists 杜松子酒和奎宁？ (Crown copyright; Photograph courtesy of the Imperial War Museum, London - Q 32160) 在热带地区的英国士兵 配有奎宁药片用来预防 疟疾。为了掩盖其苦味 ，在奎宁中加入甜甜的 苏打水和杜松子酒 —— 这就是 “ 杜松子补酒 ” 的 来源。

63 © 2013 American Society of Plant Biologists 青蒿素是一种新型的抗疟疾药物 Photo credit: www.anamed.net 青蒿素 中国药剂师已经使用青蒿上千年了。 1972 年其活性成分 “ 青蒿素 ” 才被提取出来。

64 © 2013 American Society of Plant Biologists 植物学家正在研发高产的青蒿 Photo credit: www.york.ac.uk/org/cnap/artemisiaproject/

65 © 2013 American Society of Plant Biologists 植物可产生安全便宜的可食用疫苗和抗体 或者 ?

66 © 2013 American Society of Plant Biologists 植物细胞壁提供了重要的耐用材料 木材主要是由 植物细胞壁组 成的。 Photo credit: tom donaldtom donald

67 © 2013 American Society of Plant Biologists 细胞壁 Photo credit: www.wpclipart.com/plants; Zhong, R., et al., (2008) Plant Cell 20:2763-2782.www.wpclipart.com/plantsZhong, R., et al., 初级植物细胞壁主要是由糖类和蛋白质组成的。 一些细胞利用木质素（一种不可 溶性的交联大分子化合物）生成 坚硬的次生细胞壁

68 © 2013 American Society of Plant Biologists 木材和纤维遍及各处 Rembrandt van Rijn (1631) 衣服由植物纤维 制成（棉花、亚 麻） 在利用纸莎草之前， 植物纤维用于造纸 木材用于制造建 筑物和家具 油画布是由亚麻 和大麻纤维做成 的。

69 © 2013 American Society of Plant Biologists 植物提供纤维用于造纸和纺织行业 当前正在培育抗虫和高纤维产量的棉花品种 Photo credits: Chen Lab; IFPCChen LabIFPC

70 © 2013 American Society of Plant Biologists 作为造纸行业的纤维来源，杨树的基因组 测序最近刚完成 基因组的信息可用于提高纸张生产的效率 Photo credit: ChmlTech.comChmlTech.com

71 © 2013 American Society of Plant Biologists 植物可取代石油来生产多种产品和用途 creativecartoons.org creativecartoons.org. 然而将古代有机物转化为 石油需要上亿年，现在石 油资源正日益枯竭。 石油是一种 不可再生资 源。

72 © 2013 American Society of Plant Biologists creativecartoons.org creativecartoons.org. 然而将古代有机物转化为 石油需要上亿年，现在石 油资源正日益枯竭。 石油是一种 不可再生资 源。 当我长大后 想变成化石 燃料 植物可取代石油来生产多种产品和用途

73 © 2013 American Society of Plant Biologists 植物可以作为生物燃料的来源 太阳能 Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National LaboratoryGenome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory 蔗糖、淀粉和纤维素可 用于生产乙醇

74 © 2013 American Society of Plant Biologists 植物可以作为生物燃料的来源 Image sources: Tilo Hauke, University of Minnesota, Iowa State University Extension.Tilo Hauke 油菜、藻类和大豆产生的生物柴油正在代替 石油衍生的柴油。

75 © 2013 American Society of Plant Biologists 生物能源作物不会影响食物产量和价格 芒草（ Miscanthus giganteus ）是一种速生 的多年生能源作物，可 在不适合作物生长的土 地上生长。 Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006

76 © 2013 American Society of Plant Biologists 从细胞壁纤维素提取的乙醇是一种 重要的能源 玉米茎 秆细胞 壁和其 他农业 废弃物 乙醇 Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National LaboratoryGenome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory

77 © 2013 American Society of Plant Biologists 植物是可再生和可降解生物原材料 的来源 太阳能 可再生的植物原料 可生产塑料 Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006

78 © 2013 American Society of Plant Biologists 生物降解 科学家正在研究将植物转化 为塑料的高效方法。 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 的来源 太阳能

79 © 2013 American Society of Plant Biologists 为什么研究植物？ 学习植物可以增加我们对生命的基本认识，帮助我们与 植物和谐相处，提供我们必需的食品、健康、住所、衣 服和带来快乐。

80 © 2013 American Society of Plant Biologists “Why Study Plants?” 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 SIBS, Chinese Academy of Sciences