植物生理學(xué)的發(fā)展歷程分析

蔡春爾

（1.上海海洋大學(xué) 海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，上海 201306；2.水產(chǎn)科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（上海海洋大學(xué)），上海 201306）

植物作為區(qū)別于動(dòng)物的獨(dú)立分類單元可追溯到公元前300多年的亞里斯多德時(shí)代。通常植物一般具有以下特征：多細(xì)胞性，擁有包含纖維素的細(xì)胞壁以及利用葉綠體進(jìn)行光合作用的能力。目前世界上大約有32萬(wàn)種植物，提供了地球上大部分的氧氣，是大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。數(shù)千年來(lái)，生產(chǎn)谷物、蔬菜和水果的植物是人類的基本食物來(lái)源，其他植物還具有裝飾品、建筑和書寫材料以及藥品等多種用途。

植物生理學(xué)是植物學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，涉及植物的結(jié)構(gòu)、生理與功能等方面的研究。作為一門不斷成長(zhǎng)的學(xué)科，植物生理學(xué)伴隨著生態(tài)學(xué)、化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物物理學(xué)和分子生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展與時(shí)俱進(jìn)。

1 植物生理學(xué)的起源

植物生理學(xué)的起源部分與農(nóng)業(yè)有關(guān)，當(dāng)原始人類收集種子并開(kāi)始種植食用植物時(shí)，他們必須注意到，植物需要陽(yáng)光、溫暖濕潤(rùn)的土壤以及有活力的種子。幾百年來(lái)的農(nóng)業(yè)實(shí)踐不斷地改良植物品種，而植物生理學(xué)的早期研究也利用了這種傳統(tǒng)的技能，并自然地提出植物是如何生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖這一基本問(wèn)題。早期的實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)在看來(lái)主要圍繞植物的水分生理、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)、光合作用和呼吸作用等一些最基本問(wèn)題。

1.1 植物獲得生長(zhǎng)所需物質(zhì)的途徑研究

17世紀(jì)初，比利時(shí)醫(yī)生Van Helmont發(fā)現(xiàn)植物生長(zhǎng)需要水[1]。18世紀(jì)，Antoine Lavoisier發(fā)現(xiàn)植物體內(nèi)有機(jī)物主要由碳和氧形成[2]；Joseph Priestley[3]、Jan Ingenhousz[4]和Jean Senebier[5]證明了光線下的植物葉片吸收二氧化碳并釋放出等量的氧氣；之后Nicholas de Saussure指出該過(guò)程涉及水[6]；Julius Robert Mayer觀察到該過(guò)程能將光能轉(zhuǎn)換為有機(jī)碳的化學(xué)能，但在黑暗中情況相反，植物像動(dòng)物一樣呼吸，吸收氧氣并釋放二氧化碳[7]。到19世紀(jì)，光合作用已被確立為植物生長(zhǎng)中主要的且必不可少的過(guò)程，雖然在生化細(xì)節(jié)上尚不為人所知。

1.2 植物營(yíng)養(yǎng)吸收與運(yùn)輸

英國(guó)生理學(xué)家Stephen Hales[8]在1727年證明，土壤中的水沿莖向上移動(dòng)到葉片，然后以水蒸氣的形式流失，這一過(guò)程稱為蒸騰作用。而水分?jǐn)y帶營(yíng)養(yǎng)鹽在高大樹(shù)木的木質(zhì)部中運(yùn)輸?shù)膭?dòng)力，于1895年被Henry Dixen和John Joly用“內(nèi)聚力”運(yùn)輸理論來(lái)解釋[9]；而植物莖折斷后的出水，以及常見(jiàn)的葉片吐水現(xiàn)象，則被Munch用壓力流模型來(lái)解釋[10]。此外，從18世紀(jì)末到19世紀(jì)中期，Julius Sachs等人使用化學(xué)分析方法發(fā)現(xiàn)氮、鉀、磷、硫和其他元素對(duì)植物生長(zhǎng)至關(guān)重要[11]，這帶來(lái)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)化學(xué)肥料的使用。

2 近代植物生理學(xué)的發(fā)展

到20世紀(jì)，植物生理學(xué)家越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向用化學(xué)和物理，甚至醫(yī)學(xué)、動(dòng)物學(xué)和微生物學(xué)方法解決問(wèn)題，如解剖學(xué)研究提供了植物結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，電子顯微鏡進(jìn)一步揭示了亞顯微細(xì)胞結(jié)構(gòu)。人們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞生長(zhǎng)和功能的許多基本生物化學(xué)過(guò)程適用于植物細(xì)胞。

在此期間，植物生長(zhǎng)所需的所有礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)素被逐一發(fā)現(xiàn)[12]，其選擇性吸收并運(yùn)輸?shù)礁举|(zhì)部的質(zhì)子泵機(jī)制被闡明[13]；激素對(duì)生長(zhǎng)和發(fā)育的影響開(kāi)始被廣泛探索，其中乙烯可引發(fā)果實(shí)成熟并調(diào)節(jié)種子發(fā)芽[14]，生長(zhǎng)素可引起植物的三重反應(yīng)以及莖插條中根的形成[15]，赤霉素可調(diào)節(jié)莖尖的細(xì)胞分裂并激活種子萌發(fā)中的酶形成[16]，細(xì)胞分裂素在培養(yǎng)的植物組織中被大量發(fā)現(xiàn)[17]，脫落酸在秋天引起葉片的衰老和脫落，并導(dǎo)致水分脅迫下氣孔關(guān)閉[18]；此外，引起豆葉晚上下垂的生物“時(shí)鐘”和通過(guò)光照時(shí)長(zhǎng)來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)花的光周期現(xiàn)象也被發(fā)現(xiàn)，其中調(diào)控后者的中心色素在1952年被鑒定[19]；科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)植物具有將發(fā)芽種子中的油脂轉(zhuǎn)化為碳水化合物的能力[20]，與植物共生的結(jié)核細(xì)菌可將大氣中的游離氮固定[21]。

在光合和呼吸方面，葉綠素結(jié)構(gòu)被定位于葉肉細(xì)胞葉綠體內(nèi)膜中，紅光和藍(lán)光通過(guò)兩個(gè)光反應(yīng)中心傳遞轉(zhuǎn)化光能。19世紀(jì)30年代，van Neil證明水而不是二氧化碳是光合作用過(guò)程中釋放氧氣的來(lái)源[22]，Calvin和Benson[23]闡明了在葉綠體的基質(zhì)中合成糖的分子細(xì)節(jié)（卡爾文循環(huán)）。此外線粒體被發(fā)現(xiàn)可產(chǎn)生用于轉(zhuǎn)運(yùn)反應(yīng)和細(xì)胞物質(zhì)合成的代謝能。2000年，第一個(gè)模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）基因組被國(guó)際植物遺傳學(xué)家聯(lián)盟公布，植物生理學(xué)開(kāi)啟了組學(xué)時(shí)代。

3 現(xiàn)代植物生理學(xué)研究領(lǐng)域

現(xiàn)代植物生理學(xué)包括對(duì)植物所有內(nèi)部活動(dòng)在規(guī)模和時(shí)間多個(gè)尺度上的研究，最小尺度上是光合作用中的分子互作以及水、礦物質(zhì)和養(yǎng)分的內(nèi)部運(yùn)輸，最大的規(guī)模是植物休眠、發(fā)育、生殖控制及其季節(jié)相關(guān)性?？傮w來(lái)說(shuō)，植物生理學(xué)的發(fā)展離不開(kāi)以下5個(gè)領(lǐng)域。

3.1 闡明植物結(jié)構(gòu)組分的植物化學(xué)研究

為了生存，植物會(huì)產(chǎn)生多種其他生物中未發(fā)現(xiàn)的化合物，如光合作用的色素和酶，防御草食動(dòng)物、病原體和其他植物競(jìng)爭(zhēng)的毒素，以及與疾病、休眠、傳粉和種子傳播等相關(guān)的化合物。

3.2 研究單個(gè)植物細(xì)胞的生物學(xué)和化學(xué)過(guò)程

植物細(xì)胞區(qū)別于動(dòng)物細(xì)胞的許多功能，導(dǎo)致其生命的行為和反應(yīng)方式不同。如細(xì)胞壁限制了植物細(xì)胞的形狀、柔韌性和移動(dòng)性，光合色素使植物能夠自己制造營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

3.3 處理植物細(xì)胞、組織和器官之間的相互作用

不同的細(xì)胞和組織在物理和化學(xué)上執(zhí)行特定的功能。如根在土壤中獲取礦物質(zhì)，葉子制造營(yíng)養(yǎng)，為使這些物質(zhì)不斷流通，植物需要使用許多方法進(jìn)行運(yùn)輸。

3.4 研究植物調(diào)控內(nèi)部功能的方式

例如，植物激素在植物的一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生，并以信號(hào)傳導(dǎo)方式通知其他區(qū)域做出反應(yīng)，感光化合物通過(guò)響應(yīng)夜晚的暗時(shí)，使植物在適當(dāng)時(shí)間開(kāi)花，乙烯使冬季水果成熟但同時(shí)會(huì)誘導(dǎo)葉片掉落。

3.5 植物對(duì)環(huán)境條件及其變化的響應(yīng)

例如，水分流失、空氣成分變化或其他壓力可能導(dǎo)致植物運(yùn)轉(zhuǎn)方式的變化，光溫鹽和重金屬可使植物代謝途徑受到影響，這些變化可能會(huì)使植物產(chǎn)生適應(yīng)性或抗性。

4 近二三十年植物生理學(xué)研究重要進(jìn)展

目前，國(guó)內(nèi)植物生理學(xué)相關(guān)教材主要涵蓋植物的水分生理、礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)、光合作用、呼吸作用、生長(zhǎng)物質(zhì)和抗性生理等內(nèi)容，包括植物營(yíng)養(yǎng)、激素、向性、光周期、光形態(tài)、晝夜節(jié)律、環(huán)境脅迫、種子萌發(fā)和休眠等方面，內(nèi)容較為全面。但科學(xué)的發(fā)展日新月異，新技術(shù)的引進(jìn)、學(xué)科的交叉和持續(xù)的投入產(chǎn)生新的突破，為該學(xué)科的發(fā)展不斷注入活力，以下從6個(gè)方面舉例闡述其重要進(jìn)展。

4.1 重要技術(shù)的引入

利用多軸應(yīng)力方法研究麗藻細(xì)胞壁的機(jī)械特性，并用微管抑制劑來(lái)改變纖維素微纖維的取向，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的多軸延伸具高度各向異性，長(zhǎng)度的延伸不可逆，且是直徑的4倍，而后者的延伸幾乎完全可逆。此外，當(dāng)細(xì)胞壁內(nèi)部的25%被替換時(shí)，細(xì)胞膨脹的方向性就會(huì)改變，機(jī)械應(yīng)力也會(huì)改變微管的方向和蛋白PIN1的分布，決定單個(gè)細(xì)胞的微纖維原角及其機(jī)械性能[24]。

根系統(tǒng)表型的研究更有代表性，因?yàn)槠洳捎昧硕喾N圖像捕獲技術(shù)，包括數(shù)字掃描儀和照相機(jī)，以及X射線照相、中子射線照相、激光掃描、核磁共振成像、正電子發(fā)射斷層掃描、計(jì)算機(jī)斷層掃描和微計(jì)算機(jī)斷層掃描等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的方法[25]。

4.2 重要現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

轉(zhuǎn)板藻的植物色素分子首次被發(fā)現(xiàn)具有方向性。當(dāng)在顯微鏡下將微束紅光對(duì)準(zhǔn)細(xì)胞表面時(shí)，即使葉綠體本身沒(méi)有被照亮，與微束相鄰的葉綠體邊緣也會(huì)旋轉(zhuǎn)90°，而葉綠體旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力來(lái)自于遠(yuǎn)紅光的梯度迅速轉(zhuǎn)化成的肌動(dòng)蛋白-肌球蛋白微絲相互作用的梯度[26]。此外，植物色素也有生態(tài)型差異，無(wú)論是光響應(yīng)還是色素基因家族的影響，擬南芥和玉米中植物色素的生態(tài)型變化都很大，推測(cè)其具有一定的適應(yīng)性。

適應(yīng)陽(yáng)光的植物可以通過(guò)啟動(dòng)受隱花色素、生長(zhǎng)素和油菜素類固醇調(diào)節(jié)的避光反應(yīng)來(lái)響應(yīng)較低的藍(lán)光，而后者會(huì)導(dǎo)致皮質(zhì)微管在縱向方向上重新定向，這有助于細(xì)胞壁重塑和細(xì)胞擴(kuò)增。此外，單子葉植物的胚芽鞘和單側(cè)藍(lán)光照射的雙子葉植物幼苗的下胚軸中具有光梯度，而用單側(cè)藍(lán)光照射的霉菌子囊孢子體中有透鏡效應(yīng)，光梯度和透鏡效應(yīng)可能有助于彎曲器官感測(cè)單側(cè)光的方向[27]。

4.3 重要概念的提出

20世紀(jì)60年代闡明的光合作用C4途徑一直被認(rèn)為只存在于具Kranz型葉片的植物中，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)一些海洋大型藻類和重要的光合自養(yǎng)海洋生物如硅藻可以在單個(gè)細(xì)胞中進(jìn)行C4光合作用，方式取決于線粒體中CO2脫羧釋放與再利用之間的空間分離，涉及的酶有多達(dá)5個(gè)同工型并分布在質(zhì)體、線粒體和胞質(zhì)溶膠之間[28]。除了C4光合作用，單細(xì)胞也具有負(fù)膨脹壓力，但僅存在于具有木質(zhì)化細(xì)胞壁或嵌入木質(zhì)化基質(zhì)的活細(xì)胞中。

在正常條件下，無(wú)法發(fā)芽的成熟種子可由脫落酸誘導(dǎo)進(jìn)入初級(jí)休眠狀態(tài)，后者一旦解除，但外界環(huán)境仍不利于發(fā)芽，則非休眠種子可能會(huì)獲得次級(jí)休眠。脫落酸也可觸發(fā)成年植物營(yíng)養(yǎng)期的異葉轉(zhuǎn)換，形成不同于浸入水中對(duì)應(yīng)型的中空形態(tài)，導(dǎo)致在葉子大小和形狀上的變化，這種異種化雖然在大多數(shù)組織中會(huì)刺激生長(zhǎng)發(fā)育，但卻是可逆的，并取決于環(huán)境[29]。

4.4 重要分子的解析

除了激素等常見(jiàn)小分子，蛋白質(zhì)和RNA也可作為信號(hào)分子并參與韌皮部活動(dòng)。如FLOWERING LOCUS T蛋白可從葉片移動(dòng)到頂點(diǎn)，參與誘導(dǎo)開(kāi)花；PRms蛋白參與玉米對(duì)真菌病原體的防御反應(yīng)。韌皮部的RNA可通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)導(dǎo)致由轉(zhuǎn)錄后基因沉默引起的煙草萎黃病，或作用于發(fā)育過(guò)程。此外，這些RNA如內(nèi)源性mRNA、致病性RNA和基因沉默相關(guān)小RNA幾乎都可與蛋白質(zhì)形成核糖核蛋白體在韌皮部中移動(dòng)[30]。

氣孔運(yùn)動(dòng)的機(jī)制本身已十分復(fù)雜，但現(xiàn)在又發(fā)現(xiàn)至少在兜蘭和擬南芥中，植物色素COP1、CRY1、CRY2、PHOT1和PHOT2也參與了光介導(dǎo)的氣孔運(yùn)動(dòng)[31]。而在植物防御、生長(zhǎng)和發(fā)育、有絲分裂和繁殖方面，現(xiàn)又發(fā)現(xiàn)至少5個(gè)具有信號(hào)傳導(dǎo)作用的多肽激素家族，包括茄科家族中的防御激素系統(tǒng)SCR，甘藍(lán)型油菜自交不親和的雄性決定因素CLV3，芽尖分生組織發(fā)育調(diào)節(jié)劑PSK，影響生長(zhǎng)發(fā)育的遍在性多肽RALF，以及參與植物細(xì)胞有絲分裂的小多肽[32]。

4.5 重要通路的闡明

ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是由ATP水解直接激發(fā)的大量主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族成員，最初是在微生物和動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，目前已經(jīng)從各種植物中克隆許多這類蛋白基因并鑒定了蛋白結(jié)構(gòu)，其中位于液泡膜上的稱為GS-X泵，可轉(zhuǎn)運(yùn)已共價(jià)連接至谷胱甘肽的分子，用于除草劑解毒、防止氧化損傷、色素積聚和抗菌化合物的儲(chǔ)存。由谷胱甘肽合成的植物螯合素也通過(guò)GS-X泵與螯合的重金屬一起轉(zhuǎn)運(yùn)到植物液泡中[33]。

在植物激素中，CUC2-生長(zhǎng)素反饋環(huán)可以調(diào)節(jié)葉片細(xì)齒數(shù)的多少。除了六大植物激素，新發(fā)現(xiàn)茉莉酸及其衍生的甲基酯是重要的植物激素，參與到復(fù)雜的植物防御反應(yīng)信號(hào)通路，并與其他激素信號(hào)通路互作，而來(lái)自茉莉酸的揮發(fā)性信號(hào)順式茉莉酮，可作為重要的化學(xué)信息素吸引或驅(qū)除昆蟲(chóng)，colneleic acid和 colnelenic acid對(duì)病原體的生長(zhǎng)具有直接的抑制作用[34]。

4.6 重要成果的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開(kāi)灌溉，但是有限的水資源必須盡可能有效使用，而多種灌溉方法的應(yīng)用可以部分解決這一問(wèn)題。在平地流域灌溉中，如果整個(gè)盆地的土壤具有均勻的滲透性，則通過(guò)流平作用可以使水均勻分配；對(duì)于高黏土含量的土壤，可以采用涌灌技術(shù)，使水分以極快速度供應(yīng)到田間；而滴灌技術(shù)將水通過(guò)塑料管直接泵送到植物的底部，并以緩慢的速度通過(guò)排水器放出。

食品摻假包括將廉價(jià)的食品或化合物，如蔗糖，替換為另一種食品，如蜂蜜。如果他們分別產(chǎn)自C4和C3植物，則可使用碳同位素檢測(cè)這種摻假，因?yàn)镃4植物如玉米和甘蔗的碳同位素比為-1.0%～-1.2%，而C3食品的值通常為-2.6%～-2.8%。這種差異也可用于評(píng)估C3和C4植物的豐度在空間和歷史上的變化，借助植物化石分析得到的史前大氣中二氧化碳含量，可以發(fā)現(xiàn)C3光合作用路徑在地球的大部分歷史中占據(jù)著主導(dǎo)地位[35]。