生物科学前沿课件.ppt

1、2023-2-7生命科学研究新进展生命科学研究新进展The Progress of Life Science Rresearch 当今，在人类社会经济快速发展和高度繁荣的同时，当今，在人类社会经济快速发展和高度繁荣的同时，也使人类面临着诸多严峻问题与隐患：人口问题、生存问题、也使人类面临着诸多严峻问题与隐患：人口问题、生存问题、健康问题、粮食问题、资源问题、生态环境保护问题等健康问题、粮食问题、资源问题、生态环境保护问题等.这些问题均与生命科学有着密切的关系，在某种程度上都这些问题均与生命科学有着密切的关系，在某种程度上都依赖生命科学的发展或生命科学技术的进步加以解决。依赖生命科学的发展或生命

2、科学技术的进步加以解决。古代人们在从事渔猎、农业生产过程中积累了动植物的知识，在防治疾古代人们在从事渔猎、农业生产过程中积累了动植物的知识，在防治疾病过程中积累了医药知识。病过程中积累了医药知识。1919世纪前，主要研究生物的形态、结构和分类等世纪前，主要研究生物的形态、结构和分类等1919世纪后，随着显微镜的发明，更关注各种生命现象之间的内在联系，世纪后，随着显微镜的发明，更关注各种生命现象之间的内在联系，特别是细胞学说的提出为研究生物的结构、生理、生殖和发育等奠定了特别是细胞学说的提出为研究生物的结构、生理、生殖和发育等奠定了基础；自然选择学说的提出推动了现代生物学的巨大发展。基础；自然选

3、择学说的提出推动了现代生物学的巨大发展。1919世纪中后期，物理、化学实验方法和研究成果的引入，趋向于用实验世纪中后期，物理、化学实验方法和研究成果的引入，趋向于用实验手段和理化技术来考察生命过程。随着孟德尔遗传定律的提出，使生物手段和理化技术来考察生命过程。随着孟德尔遗传定律的提出，使生物科学研究逐渐集中到分析生命活动的基本规律上来，生物化学、细胞遗科学研究逐渐集中到分析生命活动的基本规律上来，生物化学、细胞遗传学等分支学科不断涌现。传学等分支学科不断涌现。2020世纪世纪3030年代以来，生物科学研究的主要目标逐渐集中在与生命本质密年代以来，生物科学研究的主要目标逐渐集中在与生命本质密切相

4、关的生物大分子切相关的生物大分子蛋白质和核酸上。蛋白质和核酸上。DNADNA是遗传物质的证实，是遗传物质的证实，DNADNA分子双螺旋结构模型提出，标志着生物科学的发展进入了一个新阶分子双螺旋结构模型提出，标志着生物科学的发展进入了一个新阶段，生物科学的众多分支学科都迅猛发展，生命学成为当代成果最多和段，生物科学的众多分支学科都迅猛发展，生命学成为当代成果最多和最吸引人的学科之一。最吸引人的学科之一。描述性生描述性生物学阶段物学阶段实验生物实验生物学阶段学阶段分子生分子生物阶段物阶段 生物科学发展简介生物科学发展简介生物科学生物科学微观：微观：宏观宏观：从分子水平研究生物大分子的结构从分子水平

5、研究生物大分子的结构与功能以及细胞活动、发育、遗传与功能以及细胞活动、发育、遗传和进化等生命现象本质的探索和进化等生命现象本质的探索整个生物圈范畴研究全球生态、环整个生物圈范畴研究全球生态、环境等问题境等问题 生物科学发展趋势生物科学发展趋势 2020世纪世纪5050年代以来，随着数学、物理、信息科学等向生命科学年代以来，随着数学、物理、信息科学等向生命科学的交叉和渗透以及一些先进的仪器设备和研究技术的问世，生物科学的交叉和渗透以及一些先进的仪器设备和研究技术的问世，生物科学已经从静态的、以形态描述与分析为主演化发展成动态的、以对分子、已经从静态的、以形态描述与分析为主演化发展成动态的、以对分

6、子、细胞、组织、器官全方位综合研究为主。生命科学正向微观、宏观两细胞、组织、器官全方位综合研究为主。生命科学正向微观、宏观两个方向纵深发展。个方向纵深发展。最活跃的前沿领域：最活跃的前沿领域：细胞与分子生物学、神经与认知科学、系统生物学与组细胞与分子生物学、神经与认知科学、系统生物学与组学、计算生物学等。学、计算生物学等。核心前沿问题：核心前沿问题：干细胞的多能性与分化、小分子干细胞的多能性与分化、小分子RNARNA的功能与作用机制、的功能与作用机制、肿瘤的发生与转移、认知的生物学机制、生物大分子计算模拟肿瘤的发生与转移、认知的生物学机制、生物大分子计算模拟及计算机辅助药物设计等。及计算机辅助

7、药物设计等。当今生物科学研究的前沿领域及问题当今生物科学研究的前沿领域及问题生物科学研究进展生物科学研究进展专题专题 1 1 植物学研究进展植物学研究进展 专题专题 2 2 遗传学研遗传学研究进究进展展专题专题 3 3 生理学研究进展生理学研究进展 专题专题 4 4 生态学研究进展生态学研究进展专题专题 5 5 微生物研究进展微生物研究进展 专题专题 6 6 神经生物学研究进展神经生物学研究进展专题专题 7 7 动物学研究进展动物学研究进展专题专题 8 8 发育生物学研究进展发育生物学研究进展 专题专题 9 9 细胞生物学研究进展细胞生物学研究进展专题专题10 10 生物化学与分子生物学进展生

8、物化学与分子生物学进展专题专题11 11 生物物理学研究进展生物物理学研究进展 专题专题12 12 水生生物学研究进展水生生物学研究进展 课程内容：课程内容：推荐学习网站：推荐学习网站：生物谷生物谷报道生命科学研报道生命科学研究最新进展及成果究最新进展及成果普兰塔普兰塔报道报道生态学与生生态学与生物多样性最新观点及进展物多样性最新观点及进展国内外权威期刊及杂志：国内外权威期刊及杂志：ANNUAL REVIEW OF PLANT BIOLOGY PLANT CELL PLANT JOURNAL TRENDS IN PLANT SCIENCE PLANT PHYSIOLOGY NEW PHYTOL

9、OGIST PLANT BIOTECHNOLOGY JOURNAL 植物学植物学报报 生态学报生态学报 遗传学报遗传学报 动物学报动物学报 生理学报生理学报 专题专题 一一 植物学研究新进展植物学研究新进展 植物学研究趋势与进展植物学研究趋势与进展 植物通过提供基本的营养、能量等维持人类的健康，是植物通过提供基本的营养、能量等维持人类的健康，是人类赖以生存的根本。人类赖以生存的根本。面对世界人口的日趋增长面对世界人口的日趋增长（20502050年，世界人口的数量年，世界人口的数量将从目前的将从目前的6060亿增加到亿增加到9090亿），亿），日益增长的世界需求，深入日益增长的世界需求，深入地了

10、解植物的发育和生长对世界的未来至关重要地了解植物的发育和生长对世界的未来至关重要。植物学研究内容包括植物的形态、分类、生理、生态、植物学研究内容包括植物的形态、分类、生理、生态、分布、发生、遗传、进化等。经典植物学以研究植物起源，分布、发生、遗传、进化等。经典植物学以研究植物起源，亲缘关系，以及演化过程和演化趋势即研究植物分类为主，亲缘关系，以及演化过程和演化趋势即研究植物分类为主，但目前植物学研究在某些领域取得进展更加备受关注。但目前植物学研究在某些领域取得进展更加备受关注。1.1.植物系统进化与分类植物系统进化与分类 2.2.植物传粉机制植物传粉机制 3.3.能源植物利用与开发能源植物利用

11、与开发.分类（分类（Classification）鉴定（鉴定（Identification&determination）命名（命名（nomenclature）（1 1）植物分类内容）植物分类内容1.1.植物系统进化与分类研究进展植物系统进化与分类研究进展 按照国际植物命名法规（按照国际植物命名法规（ICBN）植物命名（包括真菌）共）植物命名（包括真菌）共包括包括12个主要等级（阶元）（个主要等级（阶元）（Category）即：）即：门门 Divisio或（或（Phylum）纲纲 Classis（class）目目 Ordo（order）科科 Familia（Family）族族 Tribus（Tr

12、ibe）属属 Genus（Genus）组组 Sectio（Section）系系 Series（Series）种种 Species（Species）变种变种 Varietas（Variety）变型变型 Forma（Form（2 2）植物分类阶元）植物分类阶元植物分类法植物分类法形态分类法形态分类法实验法分类法实验法分类法染色体分类染色体分类生化标记分类生化标记分类分子标记分类分子标记分类染色体计数染色体计数核型分析核型分析同工酶同工酶贮藏蛋白贮藏蛋白分裂分析分裂分析染色体分带染色体分带 （3 3）植物分类方法）植物分类方法（1 1）植物分类，资源采集和数据库建立；）植物分类，资源采集和数据库建立

13、；（2 2）系统发育学，系统发育基因组学；）系统发育学，系统发育基因组学；（3 3）生物地理学和谱系地理学；）生物地理学和谱系地理学；（4 4）物种形成，杂交和适应进化；）物种形成，杂交和适应进化；（5 5）分子进化，进化遗传学，进化基因组学和进化发育。）分子进化，进化遗传学，进化基因组学和进化发育。（4 4）目前植物系统进化与分类热门议题：）目前植物系统进化与分类热门议题：.2.2.植物传粉机制研究进展植物传粉机制研究进展 传粉形式：传粉形式：自花传粉自花传粉 异花传粉异花传粉 传粉媒介有：虫媒（蜜蜂、甲虫、蝇类、蛾等）传粉媒介有：虫媒（蜜蜂、甲虫、蝇类、蛾等）风风媒媒 鸟媒（画眉、乌鸦、蜂

14、鸟等）鸟媒（画眉、乌鸦、蜂鸟等）水媒水媒 传粉（传粉（pollinationpollination）：成熟花粉从雄蕊花药或小孢子囊中散。）：成熟花粉从雄蕊花药或小孢子囊中散。出后，传送到出后，传送到 雌蕊柱头或胚珠上的过程。雌蕊柱头或胚珠上的过程。高等维管植物的特有现象高等维管植物的特有现象自花授粉新机制自花授粉新机制花粉滑动授粉花粉滑动授粉 植物具有非常复杂的传粉机制和繁育系统，可借助昆虫、风等外植物具有非常复杂的传粉机制和繁育系统，可借助昆虫、风等外力被动地实现异花或自花传粉，如果所处的环境没有昆虫、风，植物又将如力被动地实现异花或自花传粉，如果所处的环境没有昆虫、风，植物又将如何繁育后代

15、？最近在姜科植物中发现了自然界全新的主动自花授粉机制何繁育后代？最近在姜科植物中发现了自然界全新的主动自花授粉机制。黄花大苞姜（黄花大苞姜（Caulokaempferia coenobialis）是我国特有的姜科多年）是我国特有的姜科多年生宿根草本植物，因分布广东、广西等高度潮湿的林内石壁或山沟瀑布生宿根草本植物，因分布广东、广西等高度潮湿的林内石壁或山沟瀑布边石壁上等高度潮湿缺乏传粉昆虫的生境，而形成了另类传粉机制边石壁上等高度潮湿缺乏传粉昆虫的生境，而形成了另类传粉机制花粉滑动授粉。花粉滑动授粉。花粉滑动授粉：花粉滑动授粉：黄花大苞姜花开放时，花药的花粉囊同时开裂，刚黄花大苞姜花开放时，花

16、药的花粉囊同时开裂，刚开裂时，油质液浆状的花粉从花粉囊溢出成球形，然后很快铺满于花药开裂时，油质液浆状的花粉从花粉囊溢出成球形，然后很快铺满于花药面，慢慢流向柱头，花粉陆续流到柱头的喇叭口，实现自花传粉。面，慢慢流向柱头，花粉陆续流到柱头的喇叭口，实现自花传粉。黄花大苞姜适应于花粉流动的自花授粉机制在花的形态和开花特征上都有所变化。花粉成油质粘液浆状，由粘丝连接成链珠状。花粉粒表面光滑并延长成长椭圆球形。柱头呈扁喇叭形，其中与花药紧贴面凹陷，较其他地方位置低，有助于花粉浆团流入其中。柱头上和花药面均长有毛，朝向柱头方向，有助于引导花粉浆团流向柱头。Wang YQ,Zhang DX,Renner

17、 SS.,Chen ZY.2004.A new self-pollination mechanism.Nature 431(2 Sept):39-40研究成果报导于nature虫媒传粉传粉新机制虫媒传粉传粉新机制欺骗性传粉欺骗性传粉 欺骗性传粉欺骗性传粉:不不为传粉昆虫提供任何形式的报酬，而通过精巧为传粉昆虫提供任何形式的报酬，而通过精巧的花部结构设计和花气味等拟态有报酬的花、雌性昆虫、昆虫栖的花部结构设计和花气味等拟态有报酬的花、雌性昆虫、昆虫栖息地、产卵地和大型真菌等，从而诱骗昆虫为其传粉息地、产卵地和大型真菌等，从而诱骗昆虫为其传粉.达尔文在其经典著作达尔文在其经典著作兰花的传粉兰花的传

18、粉中描述了许多兰花与昆虫中描述了许多兰花与昆虫精巧的传粉系统，但并未发现欺骗性传粉的存在。但近三分之一精巧的传粉系统，但并未发现欺骗性传粉的存在。但近三分之一的兰科植物都依赖于的兰科植物都依赖于欺骗性传粉欺骗性传粉 兰科植物中普遍存在欺骗性传粉方式为兰科植物中普遍存在欺骗性传粉方式为拟交配拟交配（某些花的结构形某些花的结构形似雌性昆虫似雌性昆虫,当雄性蜜蜂、黄蜂、蝇类同这些花交配时当雄性蜜蜂、黄蜂、蝇类同这些花交配时,便沾附上花粉块便沾附上花粉块,花粉便花粉便通过昆虫传给另一朵花通过昆虫传给另一朵花），但目前发现了一种全新的欺骗性传粉方式。），但目前发现了一种全新的欺骗性传粉方式。生任宗昕等（

19、中国科学院昆明植物研究所博士）通过对我国生任宗昕等（中国科学院昆明植物研究所博士）通过对我国特有珍稀濒危植物特有珍稀濒危植物毛瓣杓兰毛瓣杓兰（Cypripedium fargesiiCypripedium fargesii）的传粉机的传粉机制的研究，确定了制的研究，确定了扁足蝇扁足蝇（AgathomyiaAgathomyia sp.sp.）为其传粉昆虫；毛为其传粉昆虫；毛瓣杓兰通过带斑点的叶片和花气味，拟态被枝孢菌感染的叶片，瓣杓兰通过带斑点的叶片和花气味，拟态被枝孢菌感染的叶片，从而达到诱骗扁足蝇传粉的目的，是有花植物传粉中一种全新的从而达到诱骗扁足蝇传粉的目的，是有花植物传粉中一种全新的拟

20、态拟态方式。方式。毛瓣杓兰传粉过程揭示了一种新的欺骗性传粉机制，其拟态毛瓣杓兰传粉过程揭示了一种新的欺骗性传粉机制，其拟态方式可能在兰科植物的食物拟态和真菌拟态中架起一座桥梁。方式可能在兰科植物的食物拟态和真菌拟态中架起一座桥梁。欺骗性传粉欺骗性传粉拟态拟态扁足蝇卵和幼虫在大扁足蝇卵和幼虫在大型真菌的子实体上发型真菌的子实体上发育，幼虫以子实体为育，幼虫以子实体为食，成虫以真菌孢子食，成虫以真菌孢子为食。为食。毛瓣杓兰叶片表面具有深褐色斑毛瓣杓兰叶片表面具有深褐色斑点，形似受真菌感染的霉斑。斑点，形似受真菌感染的霉斑。斑点中央的毛状体由多细胞组成，点中央的毛状体由多细胞组成，与枝孢菌串珠状的孢

21、子相似，从与枝孢菌串珠状的孢子相似，从而在视觉上吸引扁足蝇的访问。而在视觉上吸引扁足蝇的访问。毛瓣杓兰的花发出似腐毛瓣杓兰的花发出似腐败叶子的气味，其中的败叶子的气味，其中的异戊醇、异戊醇、2-2-乙基己醇和乙基己醇和正己醇普遍存在于枝孢正己醇普遍存在于枝孢菌的挥发物成分中，异菌的挥发物成分中，异戊醇为典型霉菌的气味戊醇为典型霉菌的气味成分。成分。毛瓣杓兰传粉过程毛瓣杓兰传粉过程榕树与榕小蜂间形成了生物界典型的专一性共生关系，一种榕树仅仅依赖于一种榕小蜂为其传粉，相应地，榕小蜂也只仰仗一种榕树为其提供繁殖后代的场所和食物。共生作用中协同进化、协同成种，一个物种的某个特征因响应另一个物种对应特征

22、的变化而进化,而这一进化改变又导致后一物种对应特征的进一步变化。鸡嗉子榕鸡嗉子榕 Ficus semicordata鸡嗉子榕小蜂鸡嗉子榕小蜂Ceratosolen gravelyi 植物与传粉者协同进化关系植物与传粉者协同进化关系 无论是普通的虫媒传粉方式还是欺骗行传粉，植物和传无论是普通的虫媒传粉方式还是欺骗行传粉，植物和传粉者之间最终趋于协同进化粉者之间最终趋于协同进化。中科院华南植物园罗世孝博士等等首次发现有昆虫（甚中科院华南植物园罗世孝博士等等首次发现有昆虫（甚至可以说动物）能分解孢粉素和融解花粉。至可以说动物）能分解孢粉素和融解花粉。专性传粉昆虫能分解孢粉素专性传粉昆虫能分解孢粉素

23、孢粉素（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构成，但是其准确的结构尚不清楚。孢粉素的性质坚固，能抗化学及生物分解，同时也不溶于无机和有机溶剂，这种特性也是孢粉化石能保存上百万年的主要原因。虽然许多昆虫取食花粉表面的脂类或通过花粉萌发孔获得花粉内的营养成分，但是到目前为止没有任何动物能破坏孢粉壁。罗世孝博士等等首次发现：罗世孝博士等等首次发现：两种未被描述的角麦蛾(Deltophora)sp.1和sp.2分别是越南叶下珠和水油甘的唯一传粉昆虫。两种叶下珠属植物与传粉角麦蛾之间形成了两对专性互利传粉关系。角麦蛾在访问植物雄花时吸取花蜜及收集花粉，在访问

24、雌花时会为植物完成传粉。角麦蛾成虫以寄主植物的花蜜和花粉为食，并产卵于寄主植物上，其幼虫以取食寄主植物嫩叶为发育营养，而寄主植物依赖其唯一的传粉昆虫来完成传粉，传粉者与寄主植物间形成了一对一互利共生关系。角麦蛾不但具有特殊的访花行为，而且具有独特的口器结构。角麦蛾特殊的访花行为和独特的昆虫口器结构，为专性互利共生物种间往往演化出独特的行为与特殊的适应结构又提供了一个新的案例，也是植物与传粉昆虫协同进化研究方面的又一重要发现。A.A.角麦蛾访雄花角麦蛾访雄花B.B.角麦蛾访雌花角麦蛾访雌花C.C.角麦蛾幼虫取食寄主角麦蛾幼虫取食寄主 嫩叶嫩叶D.D.角麦蛾口器上携带寄主角麦蛾口器上携带寄主植物花

25、粉植物花粉E.E.角麦蛾独特口器上完整角麦蛾独特口器上完整的花粉和分解的花粉块的花粉和分解的花粉块 植物与传粉者的互作关系一直是植物界研究的一个热点，普遍被认植物与传粉者的互作关系一直是植物界研究的一个热点，普遍被认为植物与传粉者的互作关系体现了双方的利益冲突。传粉者的进化方向为植物与传粉者的互作关系体现了双方的利益冲突。传粉者的进化方向是力图通过最经济的方式，即在最短时间内消耗最少的体能获取最大的是力图通过最经济的方式，即在最短时间内消耗最少的体能获取最大的回报；而被传粉植物的进化动力则是通过最低的代价，有效地接受和输回报；而被传粉植物的进化动力则是通过最低的代价，有效地接受和输出花粉，即尽

26、可能提高其异交率和繁殖成功。出花粉，即尽可能提高其异交率和繁殖成功。许多研究表明，植物可采取多种策略，例如进化出不同的花型和许多研究表明，植物可采取多种策略，例如进化出不同的花型和花序展示，以操控传粉者的访花行为，提高其传粉效率，从而实现植花序展示，以操控传粉者的访花行为，提高其传粉效率，从而实现植物自身雌、雄性功能表达的最大化。物自身雌、雄性功能表达的最大化。花结构与传粉忠实性研究新进展花结构与传粉忠实性研究新进展 中科院西双版纳热带植物园张勃等通过对圆苞鼠尾草中科院西双版纳热带植物园张勃等通过对圆苞鼠尾草(Salvia cyclostegia）通过剪除杠杆状雄蕊下臂使杠杆功能失效以及去雄处

27、理等花通过剪除杠杆状雄蕊下臂使杠杆功能失效以及去雄处理等花设计操控，研究了花设计改变和杠杆功能丧失对传粉者访花行为以及繁设计操控，研究了花设计改变和杠杆功能丧失对传粉者访花行为以及繁殖成功的影响。发现：通过花设计后可缩短传粉熊蜂对该植物的访花时殖成功的影响。发现：通过花设计后可缩短传粉熊蜂对该植物的访花时间间，有利于传粉熊蜂访花有利于传粉熊蜂访花，但设计后熊蜂访但设计后熊蜂访花花的频次却显著下降，表明的频次却显著下降，表明花设计（自身结构）与其传粉者访花忠实性（花设计（自身结构）与其传粉者访花忠实性（floral constancyfloral constancy）的之）的之间有密切关系。间有

28、密切关系。访花忠实性是植物及其传粉者在长期互作进化过程中形成的，对花访花忠实性是植物及其传粉者在长期互作进化过程中形成的，对花型和结构的突然改变会干扰传粉者对花的认知，降低传粉效率（尽管这型和结构的突然改变会干扰传粉者对花的认知，降低传粉效率（尽管这种改变被认为是对传粉者种改变被认为是对传粉者“有益的有益的”，例如减少传粉通道上的障碍）。，例如减少传粉通道上的障碍）。3.3.能源植物利用与开发能源植物利用与开发能源植物能源植物广义的能源植物几乎可以包括所有植物（通过光合作用广义的能源植物几乎可以包括所有植物（通过光合作用将太阳能转化为化学能）。但以目前的技术水平将太阳能转化为化学能）。但以目前

29、的技术水平,还不还不能将所有植物都用于能源开发。为此能将所有植物都用于能源开发。为此,能源植物通常指能源植物通常指利用光能效率高利用光能效率高,具有合成较高还原性烃的能力具有合成较高还原性烃的能力,可产生可产生接近石油成分和可替代石油使用的产品的植物以及富含接近石油成分和可替代石油使用的产品的植物以及富含油脂、糖类淀粉类、纤维素等的植物。油脂、糖类淀粉类、纤维素等的植物。芒草紫穗槐旱柳（1 1）能源植物类型）能源植物类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）种子含油量30%一36%，种仁含油量55%一66%。作为生产生物柴油的原料，文冠

30、果具有其生物学和生态学上的优势。首先，文冠果原产于中国，适生区域大，可在我国北方大部分地区生长。日本日本“阳光计划阳光计划”；印度印度“绿色能源工程绿色能源工程”；美国美国“能源农场能源农场”；巴西巴西“酒精能源计划酒精能源计划”；我国我国“十五十五”计划发展纲要提出发展各种石油替代品计划发展纲要提出发展各种石油替代品,将生物将生物与现代化与现代化 农业、能源与资源环境等项目列入国家农业、能源与资源环境等项目列入国家 863 863 计划计划,把大力发展生物液体燃料确定为国家产业发展方向。把大力发展生物液体燃料确定为国家产业发展方向。（2）国内外能源植物研究开发和利用概况）国内外能源植物研究开发和利用概况（3 3）国内外能源植物研究趋势）国内外能源植物研究趋势a.a.能源植物种质的收集与种质保存能源植物种质的收集与种质保存b.b.能源植物种质资源评价与新种质创制能源植物种质资源评价与新种质创制c.c.能源植物油脂代谢调控机理研究与分子修饰能源植物油脂代谢调控机理研究与分子修饰d.d.能源植物抗性机理研究与分子育种能源植物抗性机理研究与分子育种e.e.能源植物规模化种植关键技术研究能源植物规模化种植关键技术研究