生物科學(xué)前沿課件

1、生命科學(xué)研究新進(jìn)展The Progress of Life Science Rresearch 當(dāng)今，在人類社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和高度繁榮的同時(shí)，也使人類面臨著諸多嚴(yán)峻問題與隱患：人口問題、生存問題、健康問題、糧食問題、資源問題、生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題等. 這些問題均與生命科學(xué)有著密切的關(guān)系，在某種程度上都依賴生命科學(xué)的發(fā)展或生命科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步加以解決。古代人們在從事漁獵、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中積累了動植物的知識，在防治疾病過程中積累了醫(yī)藥知識。19世紀(jì)前，主要研究生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和分類等19世紀(jì)后，隨著顯微鏡的發(fā)明，更關(guān)注各種生命現(xiàn)象之間的內(nèi)在聯(lián)系，特別是細(xì)胞學(xué)說的提出為研究生物的結(jié)構(gòu)、生理、生殖和發(fā)育等奠定

2、了基礎(chǔ)；自然選擇學(xué)說的提出推動了現(xiàn)代生物學(xué)的巨大發(fā)展。19世紀(jì)中后期，物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和研究成果的引入，趨向于用實(shí)驗(yàn)手段和理化技術(shù)來考察生命過程。隨著孟德爾遺傳定律的提出，使生物科學(xué)研究逐漸集中到分析生命活動的基本規(guī)律上來，生物化學(xué)、細(xì)胞遺傳學(xué)等分支學(xué)科不斷涌現(xiàn)。20世紀(jì)30年代以來，生物科學(xué)研究的主要目標(biāo)逐漸集中在與生命本質(zhì)密切相關(guān)的生物大分子蛋白質(zhì)和核酸上。DNA是遺傳物質(zhì)的證實(shí)， DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型提出，標(biāo)志著生物科學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新階段，生物科學(xué)的眾多分支學(xué)科都迅猛發(fā)展，生命學(xué)成為當(dāng)代成果最多和最吸引人的學(xué)科之一。 描述性生物學(xué)階段實(shí)驗(yàn)生物學(xué)階段分子生物階段 生物科學(xué)發(fā)展簡介

3、生物科學(xué)微觀：宏觀：從分子水平研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能以及細(xì)胞活動、發(fā)育、遺傳和進(jìn)化等生命現(xiàn)象本質(zhì)的探索整個(gè)生物圈范疇研究全球生態(tài)、環(huán)境等問題 生物科學(xué)發(fā)展趨勢 20世紀(jì)50年代以來，隨著數(shù)學(xué)、物理、信息科學(xué)等向生命科學(xué)的交叉和滲透以及一些先進(jìn)的儀器設(shè)備和研究技術(shù)的問世，生物科學(xué)已經(jīng)從靜態(tài)的、以形態(tài)描述與分析為主演化發(fā)展成動態(tài)的、以對分子、細(xì)胞、組織、器官全方位綜合研究為主。生命科學(xué)正向微觀、宏觀兩個(gè)方向縱深發(fā)展。 最活躍的前沿領(lǐng)域： 細(xì)胞與分子生物學(xué)、神經(jīng)與認(rèn)知科學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)與組學(xué)、計(jì)算生物學(xué)等。核心前沿問題： 干細(xì)胞的多能性與分化、小分子RNA的功能與作用機(jī)制、腫瘤的發(fā)生與轉(zhuǎn)移、認(rèn)知的

4、生物學(xué)機(jī)制、生物大分子計(jì)算模擬及計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)等。 當(dāng)今生物科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域及問題 課程內(nèi)容：推薦學(xué)習(xí)網(wǎng)站：生物谷報(bào)道生命科學(xué)研究最新進(jìn)展及成果普蘭塔報(bào)道生態(tài)學(xué)與生物多樣性最新觀點(diǎn)及進(jìn)展國內(nèi)外權(quán)威期刊及雜志：ANNUAL REVIEW OF PLANT BIOLOGY PLANT CELL PLANT JOURNAL TRENDS IN PLANT SCIENCE PLANT PHYSIOLOGY NEW PHYTOLOGIST PLANT BIOTECHNOLOGY JOURNAL 植物學(xué)報(bào) 生態(tài)學(xué)報(bào) 遺傳學(xué)報(bào) 動物學(xué)報(bào) 生理學(xué)報(bào) 專題 一 植物學(xué)研究新進(jìn)展 植物學(xué)研究趨勢與進(jìn)展 植物

5、通過提供基本的營養(yǎng)、能量等維持人類的健康，是人類賴以生存的根本。 面對世界人口的日趨增長（2050年，世界人口的數(shù)量將從目前的60億增加到90億），日益增長的世界需求，深入地了解植物的發(fā)育和生長對世界的未來至關(guān)重要。 植物學(xué)研究內(nèi)容包括植物的形態(tài)、分類、生理、生態(tài)、分布、發(fā)生、遺傳、進(jìn)化等。經(jīng)典植物學(xué)以研究植物起源，親緣關(guān)系，以及演化過程和演化趨勢即研究植物分類為主，但目前植物學(xué)研究在某些領(lǐng)域取得進(jìn)展更加備受關(guān)注。 1.植物系統(tǒng)進(jìn)化與分類 2.植物傳粉機(jī)制 3.能源植物利用與開發(fā) . 分類（Classification） 鑒定（Identification & determination） 命

6、名（nomenclature） （1）植物分類內(nèi)容1.植物系統(tǒng)進(jìn)化與分類研究進(jìn)展 按照國際植物命名法規(guī)（ICBN）植物命名（包括真菌）共包括12個(gè)主要等級（階元）（Category）即： 門 Divisio或（Phylum） 綱 Classis （class） 目 Ordo （order） 科 Familia （Family） 族 Tribus（Tribe） 屬 Genus （Genus） 組 Sectio（Section） 系 Series（Series） 種 Species（Species） 變種 Varietas（Variety） 變型 Forma（Form （2）植物分類階元 （3）植

7、物分類方法（1）植物分類，資源采集和數(shù)據(jù)庫建立；（2）系統(tǒng)發(fā)育學(xué)，系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)；（3）生物地理學(xué)和譜系地理學(xué)；（4）物種形成，雜交和適應(yīng)進(jìn)化；（5）分子進(jìn)化，進(jìn)化遺傳學(xué)，進(jìn)化基因組學(xué)和進(jìn)化發(fā)育。 （4）目前植物系統(tǒng)進(jìn)化與分類熱門議題： . 2.植物傳粉機(jī)制研究進(jìn)展 傳粉形式： 自花傳粉 異花傳粉 傳粉媒介有：蟲媒（蜜蜂、甲蟲、蠅類、蛾等） 風(fēng)媒 鳥媒（畫眉、烏鴉、蜂鳥等） 水媒 傳粉（pollination）：成熟花粉從雄蕊花藥或小孢子囊中散。出后，傳送到 雌蕊柱頭或胚珠上的過程。高等維管植物的特有現(xiàn)象自花授粉新機(jī)制花粉滑動授粉 植物具有非常復(fù)雜的傳粉機(jī)制和繁育系統(tǒng)，可借助昆蟲、風(fēng)等外力被

8、動地實(shí)現(xiàn)異花或自花傳粉，如果所處的環(huán)境沒有昆蟲、風(fēng)，植物又將如何繁育后代？最近在姜科植物中發(fā)現(xiàn)了自然界全新的主動自花授粉機(jī)制。 黃花大苞姜（Caulokaempferia coenobialis）是我國特有的姜科多年生宿根草本植物，因分布廣東、廣西等高度潮濕的林內(nèi)石壁或山溝瀑布邊石壁上等高度潮濕缺乏傳粉昆蟲的生境，而形成了另類傳粉機(jī)制花粉滑動授粉。 花粉滑動授粉：黃花大苞姜花開放時(shí)，花藥的花粉囊同時(shí)開裂，剛開裂時(shí)，油質(zhì)液漿狀的花粉從花粉囊溢出成球形，然后很快鋪滿于花藥面，慢慢流向柱頭，花粉陸續(xù)流到柱頭的喇叭口，實(shí)現(xiàn)自花傳粉。 黃花大苞姜適應(yīng)于花粉流動的自花授粉機(jī)制在花的形態(tài)和開花特征上都有所變

9、化?；ǚ鄢捎唾|(zhì)粘液漿狀，由粘絲連接成鏈珠狀。花粉粒表面光滑并延長成長橢圓球形。柱頭呈扁喇叭形，其中與花藥緊貼面凹陷，較其他地方位置低，有助于花粉漿團(tuán)流入其中。柱頭上和花藥面均長有毛，朝向柱頭方向，有助于引導(dǎo)花粉漿團(tuán)流向柱頭。 Wang YQ, Zhang DX, Renner SS., Chen ZY. 2004. A new self-pollination mechanism. Nature 431 (2 Sept): 39 -40研究成果報(bào)導(dǎo)于nature蟲媒傳粉傳粉新機(jī)制欺騙性傳粉 欺騙性傳粉: 不為傳粉昆蟲提供任何形式的報(bào)酬，而通過精巧的花部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和花氣味等擬態(tài)有報(bào)酬的花、雌性昆蟲

10、、昆蟲棲息地、產(chǎn)卵地和大型真菌等，從而誘騙昆蟲為其傳粉 . 達(dá)爾文在其經(jīng)典著作蘭花的傳粉中描述了許多蘭花與昆蟲精巧的傳粉系統(tǒng)，但并未發(fā)現(xiàn)欺騙性傳粉的存在。但近三分之一的蘭科植物都依賴于欺騙性傳粉 蘭科植物中普遍存在欺騙性傳粉方式為擬交配（某些花的結(jié)構(gòu)形似雌性昆蟲,當(dāng)雄性蜜蜂、黃蜂、蠅類同這些花交配時(shí),便沾附上花粉塊,花粉便通過昆蟲傳給另一朵花 ），但目前發(fā)現(xiàn)了一種全新的欺騙性傳粉方式。 生任宗昕等（中國科學(xué)院昆明植物研究所博士）通過對我國特有珍稀瀕危植物毛瓣杓蘭（Cypripedium fargesii）的傳粉機(jī)制的研究，確定了扁足蠅（Agathomyia sp.）為其傳粉昆蟲；毛瓣杓蘭通過帶

11、斑點(diǎn)的葉片和花氣味，擬態(tài)被枝孢菌感染的葉片，從而達(dá)到誘騙扁足蠅傳粉的目的，是有花植物傳粉中一種全新的擬態(tài)方式。 毛瓣杓蘭傳粉過程揭示了一種新的欺騙性傳粉機(jī)制，其擬態(tài)方式可能在蘭科植物的食物擬態(tài)和真菌擬態(tài)中架起一座橋梁。 欺騙性傳粉擬態(tài)扁足蠅卵和幼蟲在大型真菌的子實(shí)體上發(fā)育，幼蟲以子實(shí)體為食，成蟲以真菌孢子為食。毛瓣杓蘭葉片表面具有深褐色斑點(diǎn)，形似受真菌感染的霉斑。斑點(diǎn)中央的毛狀體由多細(xì)胞組成，與枝孢菌串珠狀的孢子相似，從而在視覺上吸引扁足蠅的訪問。毛瓣杓蘭的花發(fā)出似腐敗葉子的氣味，其中的異戊醇、2-乙基己醇和正己醇普遍存在于枝孢菌的揮發(fā)物成分中，異戊醇為典型霉菌的氣味成分。 毛瓣杓蘭傳粉過程榕

12、樹與榕小蜂間形成了生物界典型的專一性共生關(guān)系，一種榕樹僅僅依賴于一種榕小蜂為其傳粉，相應(yīng)地，榕小蜂也只仰仗一種榕樹為其提供繁殖后代的場所和食物。共生作用中協(xié)同進(jìn)化、協(xié)同成種，一個(gè)物種的某個(gè)特征因響應(yīng)另一個(gè)物種對應(yīng)特征的變化而進(jìn)化, 而這一進(jìn)化改變又導(dǎo)致后一物種對應(yīng)特征的進(jìn)一步變化。 雞嗉子榕 Ficus semicordata雞嗉子榕小蜂Ceratosolen gravelyi 植物與傳粉者協(xié)同進(jìn)化關(guān)系 無論是普通的蟲媒傳粉方式還是欺騙行傳粉，植物和傳粉者之間最終趨于協(xié)同進(jìn)化。 中科院華南植物園羅世孝博士等等首次發(fā)現(xiàn)有昆蟲（甚至可以說動物）能分解孢粉素和融解花粉。專性傳粉昆蟲能分解孢粉素 孢粉

13、素（sporonpollenin）是孢子和花粉外壁的主要成分，主要由脂肪酸及碳水化合物構(gòu)成，但是其準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)尚不清楚。孢粉素的性質(zhì)堅(jiān)固，能抗化學(xué)及生物分解，同時(shí)也不溶于無機(jī)和有機(jī)溶劑，這種特性也是孢粉化石能保存上百萬年的主要原因。雖然許多昆蟲取食花粉表面的脂類或通過花粉萌發(fā)孔獲得花粉內(nèi)的營養(yǎng)成分，但是到目前為止沒有任何動物能破壞孢粉壁。 羅世孝博士等等首次發(fā)現(xiàn)：兩種未被描述的角麥蛾(Deltophora) sp.1和sp.2分別是越南葉下珠和水油甘的唯一傳粉昆蟲。兩種葉下珠屬植物與傳粉角麥蛾之間形成了兩對專性互利傳粉關(guān)系。角麥蛾在訪問植物雄花時(shí)吸取花蜜及收集花粉，在訪問雌花時(shí)會為植物完成傳粉。

14、角麥蛾成蟲以寄主植物的花蜜和花粉為食，并產(chǎn)卵于寄主植物上，其幼蟲以取食寄主植物嫩葉為發(fā)育營養(yǎng)，而寄主植物依賴其唯一的傳粉昆蟲來完成傳粉，傳粉者與寄主植物間形成了一對一互利共生關(guān)系。 角麥蛾不但具有特殊的訪花行為，而且具有獨(dú)特的口器結(jié)構(gòu)。角麥蛾特殊的訪花行為和獨(dú)特的昆蟲口器結(jié)構(gòu)，為專性互利共生物種間往往演化出獨(dú)特的行為與特殊的適應(yīng)結(jié)構(gòu)又提供了一個(gè)新的案例，也是植物與傳粉昆蟲協(xié)同進(jìn)化研究方面的又一重要發(fā)現(xiàn)。 A.角麥蛾訪雄花B.角麥蛾訪雌花C.角麥蛾幼蟲取食寄主 嫩葉D.角麥蛾口器上攜帶寄主植物花粉E.角麥蛾獨(dú)特口器上完整的花粉和分解的花粉塊 植物與傳粉者的互作關(guān)系一直是植物界研究的一個(gè)熱點(diǎn)，普遍

15、被認(rèn)為植物與傳粉者的互作關(guān)系體現(xiàn)了雙方的利益沖突。傳粉者的進(jìn)化方向是力圖通過最經(jīng)濟(jì)的方式，即在最短時(shí)間內(nèi)消耗最少的體能獲取最大的回報(bào)；而被傳粉植物的進(jìn)化動力則是通過最低的代價(jià)，有效地接受和輸出花粉，即盡可能提高其異交率和繁殖成功。 許多研究表明，植物可采取多種策略，例如進(jìn)化出不同的花型和花序展示，以操控傳粉者的訪花行為，提高其傳粉效率，從而實(shí)現(xiàn)植物自身雌、雄性功能表達(dá)的最大化。花結(jié)構(gòu)與傳粉忠實(shí)性研究新進(jìn)展 中科院西雙版納熱帶植物園張勃等通過對圓苞鼠尾草(Salvia cyclostegia）通過剪除杠桿狀雄蕊下臂使杠桿功能失效以及去雄處理等花設(shè)計(jì)操控，研究了花設(shè)計(jì)改變和杠桿功能喪失對傳粉者訪花

16、行為以及繁殖成功的影響。發(fā)現(xiàn)：通過花設(shè)計(jì)后可縮短傳粉熊蜂對該植物的訪花時(shí)間，有利于傳粉熊蜂訪花，但設(shè)計(jì)后熊蜂訪花的頻次卻顯著下降，表明花設(shè)計(jì)（自身結(jié)構(gòu)）與其傳粉者訪花忠實(shí)性（floral constancy）的之間有密切關(guān)系。 訪花忠實(shí)性是植物及其傳粉者在長期互作進(jìn)化過程中形成的，對花型和結(jié)構(gòu)的突然改變會干擾傳粉者對花的認(rèn)知，降低傳粉效率（盡管這種改變被認(rèn)為是對傳粉者“有益的”，例如減少傳粉通道上的障礙）。 3.能源植物利用與開發(fā)能源植物廣義的能源植物幾乎可以包括所有植物（通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能）。但以目前的技術(shù)水平,還不能將所有植物都用于能源開發(fā)。為此, 能源植物通常指利用光能效率高,具有合成較高還原性烴的能力,可產(chǎn)生接近石油成分和可替代石油使用的產(chǎn)品的植物以及富含油脂、糖類淀粉類、纖維素等的植物。芒草紫穗槐旱柳（1）能源植物類型北方提取生物柴油的最佳木本原料植物文冠果 文冠果（Xanthoceras sorbifolia ）種子含油量30%一36%，種仁含油量55%一66%。作為生產(chǎn)生物柴油的原料，文冠果具有其生物學(xué)和生態(tài)學(xué)上的優(yōu)勢。首先，文冠果原產(chǎn)于中國，適生區(qū)