【植物學】3小時讀通植物學 |

現代植物學研究範圍與應用

植物組織結構與生長分化

植物繁殖、生長、生物化學、代謝等研究

色素

延伸閲讀…

植物學- 維基百科，自由的百科全書

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植物學的重要進步與細胞學説的建立

1838年，德國植物學家馬蒂亞斯·施萊登發表了《植物發生論》，這本著作對植物學的發展產生了重大的推動作用。施萊登善於使用顯微鏡進行觀察，是早期植物解剖學的先驅之一。他與其他科學家如泰奧多爾·施萬和魯道夫·菲爾紹共同建立了細胞學説，這為生物學提供了基礎性的理論框架。1855年，德國醫生阿道夫·菲克提出的菲克定律則為計算生物系統中分子的擴散速率提供了方法。

奧地利科學家格雷戈爾·孟德爾（1822–1884） through his experiments with peas (Pisum sativum)，提出了基因-染色體遺傳學説，這一理論至今仍然是遺傳學的基礎。德國生物學家奧古斯特·魏斯曼（1834–1914）則揭示了遺傳信息僅通過配子（如卵子和精子）來傳遞，而其他細胞則不參與遺傳特徵的傳遞。

植物學的現代基礎

美國植物學家凱瑟琳·伊索（1898–1997）對植物解剖學的貢獻極為重要，她的著作《植物解剖學與種子植物的解剖》至今仍被用作植物結構生物學的教材。丹麥植物學家尤金紐

植物學的歷史與進展

韋爾登諾與植物地理學

19世紀德國植物學家卡爾·路德維希·韋爾登諾對植物種子散佈與分佈，植物種羣以及地質歷史的影響進行了深入研究，並開創了植物地理學這一學科。

瓦維洛夫與生物地理學

俄國植物學家尼古拉·瓦維洛夫在20世紀進一步發展了生物地理學，提出了起源中心和經濟作物演化史的概念。

植物生理學的進步

自1960年代以來，科學家們對植物生理學有了更深的理解，如蒸騰作用、葉面水分蒸發速率和温度的關係，以及氣孔內的水蒸氣和二氧化碳的擴散過程。這些知識使他們能夠準確描述植物與大氣的氣體交換。

費希爾與耶茨的統計貢獻

羅納德·艾爾默·費希爾和弗蘭克·耶茨在洛桑研究所的工作簡化了生物研究中的實驗設計和數據分析。

植物生長素的發現

肯尼斯·訴蒂曼在1948年發現並鑑別出了植物生長素，這一進展使得人們能夠透過外部化學方法控制植物的生長速率。

斯圖爾德的植物激素控制技術

弗雷德裏克·坎皮恩·斯圖爾德開創了植物激素控制的植物組織培養技術，這為植物細胞全能性的研究提供了基礎。

2,4-D除草劑的合成

2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）是人類首次合成的除草劑，對農業生產有重要影響。

植物生物化學與分子生物學

20世紀以來，有機化學技術的進步推動了植物生物化學的發展。隨着分子生物學、基因組學、蛋白質組學等學科的進步，科學家能夠更深入地理解植物基因組及其與植物生物化學、生理學、形態和行為之間的關係。

植物系統分類學的主要目標是研究植物之間的演化關係，並根據這些關係來進行分類。現代的研究方法通常會使用分子生物學技術，特別是基因序列分析，來確定植物的親緣關係。1998年，一組研究人員利用開花植物的基因序列數據，對被子植物的演化關係進行了系統的分析，這一研究解答了許多有關被子植物及其它物種之間關係的問題。DNA條碼技術是一種新的植物分類工具，它利用特定的基因片段來快速而準確地鑑定植物物種和商業品種。在過去的三四十年中，植物學研究取得了顯著進步，新的知識大多來自對模式植物的研究，例如擬南芥，這種植物的基因組測序工作較早完成，因此成為了研究的重要模式生物。此外，水稻也是一個常見的模型，它的基因組相對較小，國際水稻基因定序工程也選擇了水稻作為研究對象。二穗短柄草則是另一種用於遺傳學、細胞學和分子生物學研究的模型植物。科學家們對小麥、玉米、大豆等主糧作物進行了基因組測序，這些研究有助於更好地理解這些作物的遺傳特性，並可能有助於改善作物性狀。植物學研究的重要性在於，植物不僅為幾乎所有的動物提供了呼吸所需的氧氣，還是食物和生化產品的來源，此外植物還能防止土壤侵蝕，並參與全球的碳循環和水循環過程。因此，對植物的研究對於人類的生存和發展至關重要。

在古代科學之前，所有生命被分為動物或植物（包括真菌），植物學專門研究非動物生物。植物學家研究植物的內在運作，如細胞器、細胞、組織功能，以及整株植物、植物種羣和羣落。他們使用分類學、發生學和演化學理論，以及解剖學和形態學研究結構，用生理學研究功能。

通俗地，“植物”只指“陸生植物”，即高等植物，包括種子植物（裸子植物和被子植物）和用孢子繁殖的隱花植物（蕨類、石松、地錢、角苔和蘚類）。高等植物是多細胞真核生物，其共同祖先能進行光合作用，生活史以單倍體和二倍體形式出現。單倍體階段為配子體，二倍體階段為孢子體。種子植物的配子體由母體孢子體培育。

根據內共生理論，最早的光合放氧生物藍菌通過內共生演化為植物真核祖先細胞中的葉綠體。這導致植物加快大氣中氧含量的上升，徹底改變了地球的大氣組成，並維持了20多億年的充足氧含量。古植物學研究植物的遠古化石記錄，科學家藉此探索植物的演化歷程。

21世紀植物研究的重點是其作為基礎生產者在生命原材料循環（能量、碳、氧、氮和水）中的作用。人們也關注植物管理與環境問題的關係，如資源管理、自然保護、糧食安全、入侵物種防治、碳截存、氣候變化、可持續發展。

人類的主食直接來自植物的初級生產，或間接來自以植物為食的動物。植物及其它光合生物是食物鏈的基礎，將太陽能、土壤和空氣中的養分轉化為動物可獲取的形態。生態學家稱之為第一營養級。

植物的篩選與培育

史前人類已經開始對野生植物進行篩選與培育，這些原始植物包括苔麩、玉米、水稻、小麥、豆類、香蕉，以及火麻、亞麻、棉花等纖維作物。植物學家們通過植物配種等方法來改善作物的性狀，這些研究對於確保未來的糧食安全至關重要。同時，他們也研究對農業有害的植物和植物病原體，尋求控制這些有害生物的方法。

植物的生物化學

植物生物化學研究植物體內的化學反應，包括光合作用中的卡爾文循環和景天酸代謝等基礎代謝過程。植物還進行合成反應，製造木質素、纖維素以及各種次級產物，如樹脂和芳香化合物。

光合作用與葉綠體

植物和其它光合真核生物的細胞內含有葉綠體，能夠進行光合作用。葉綠體內的葉綠素a和葉綠素b吸收光能，並將其轉化為化學能，用於製造ATP和NADPH等能量儲存分子，以及進行碳固定反應，產生葡萄糖和其他有機分子。

碳固定的過程

在卡爾文循環中，通過RuBisCO酶的作用，植物將

植物的生物化學特徵

植物與缺乏葉綠體的真核生物不同，它們利用葉綠體進行多種生物化學過程，包括脂肪酸[86][87]和許多氨基酸的合成。[88]脂肪酸廣泛應用於細胞膜、陸生植物的植物角質層構建，以及減緩水分蒸發。[89]

植物還能合成各種特殊的聚合物，如纖維素、果膠和木葡聚糖，這些用於細胞壁構造。[90][91]維管植物能夠合成木質素，它加固木質管胞的細胞壁及木質部，防止植物在水分壓力下吸水時倒塌。[92]厚壁組織中的木質素提供了植物的支撐，也是木材的主要成分。孢粉質是一種抗化學破壞的聚合物，發現於細胞壁外層、孢子和陸生植物的花粉中，這種物質的保護使得早期陸生植物的孢子和花粉得以在化石記錄中保存下來。據認為，孢粉質的出現促進了植物在奧陶紀的演化。[93]

植物化學是植物生物化學的一個分支，專注於植物的次生代謝產物。[94]一些化學產物可能具有毒性，例如毒參屬植物產生的毒芹鹼，這是一種對人和動物具有神經毒性的生物鹼。而其他一些化學產物可能因其獨特風味而受到人們的喜愛，例如薄荷、精油、檸檬油等，它們被用作香料或調味品。醫療上也使用由罌粟生產的鴉片進行麻醉鎮痛。許多醫學或娛樂藥物，如大麻中的四氫大麻酚、咖啡因、嗎啡、尼古丁等，都直接來自植物。還有一些產品是天然植物的簡單衍生物，例如阿司匹林（乙酰水楊酸）最初從柳樹樹皮中分離出來，而許多阿片類止痛

植物在化工和能源生產中的應用

植物製成的顏料和染料

植物在化學和能源行業中發揮著重要作用。例如，紅葡萄酒中的色素花色素苷和藍色牛仔布的染料吲哚酚，都來自植物。藝術家常用的顏料，如藤黃和茜草紅，分別來自金絲桃科植物的樹脂和染色茜草的根。

植物製造的能源和燃料

植物也是重要的能源來源。甘蔗、油菜和大豆等作物因含有大量的可發酵糖或油脂，可用於生產生物燃料，如生物柴油，作為化石燃料的替代品。

植物生態學研究植物與棲息環境的關係，包括生物多樣性、基因多樣性、環境適應性和植物之間的互動。

植物生態學與環境

植物的生長受到土壤和氣候的影響，同時它們也會反過來影響這些環境因素。例如，植物可以影響陽光反照率、地表徑流、土壤穩定性和氣候。植物會與其他生物競爭資源，同時在不同的空間尺度上與同類交互。

植物對環境的影響

植食性動物以植物為食，而植物則通過各種方式保護自己。有些植物也演化出了寄生或肉食性行為。理解植物棲息環境與其分佈模式、產量、對環境的影響以及演化過程，是植物生態學的主要目標。

植物與他種物類，可締結互助共生之關係。例如，某些植物與菌根、根瘤菌間，有物質交換之舉；親蟻植物（英語：Myrmecophyte）得螞蟻之衞護；[110]蜜蜂、蝙蝠等動物，能襄助花粉傳播；[111][112]人類及部分動物，則為植物種子遠播之媒介。[113]

人們可從植物對氣候及其他環境變化的反應，來理解這些變化對生態環境功能與生產力的影響。例如，植物物候學可作為歷史氣候學（英語：Historical climatology）及氣候變化生物學影響之研究視窗。孢粉學對數百萬年前花粉化石沉積物的分析，可用於重建古代氣候。[114]透過對古生代陸生植物體型、葉片氣孔密度及葉片形狀之分析，科學家可估算當時大氣中二氧化碳之濃度。[115]臭氧層空洞可將植物暴露在高水平的紫外線輻射下，從而減緩其生長速率。[116]此外，對植被變化、棲息地破壞及物種滅絕之研究，也有助於深入瞭解其原因。[117]

植物與其他多細胞生物共享遺傳學基礎。孟德爾以豌豆（Pisum sativum）為研究對象，揭示了植物之遺傳規律。這些規律不僅限於植物界，亦適用於其他生物。類似的，巴巴拉·麥克林托克在研究玉米時發現了“跳躍基因”，該發現同樣適用於其他生物。然而，植物與其他生物在遺傳學上仍存在差異。

相較於動物，不同植物物種之間的界限更加模糊，因此常可行跨物種雜交。一個常見的案例是甜橙，它是柚子與橘子的雜交產物。[118]現今種植的多種小麥均源自於種間及種內的雜交。[1

植物的遺傳多樣性

染色體數目的變化和多倍體的形成

大多數進行有性生殖的植物擁有偶數個染色體，即成對的染色體。然而，細胞分裂過程中可能出現錯誤，導致染色體數目的增加。這些錯誤可能發生在胚胎發育早期，形成同源多倍體或部分同源多倍體生物；也可能在普通細胞分裂時發生，產生多倍體細胞；或在配子形成時發生。當兩個不同植物物種的雜交形成異源多倍體時，這種情況稱為異源多倍體。同源多倍體和異源多倍體通常具有繁殖能力，但由於染色體數目的不同，它們可能無法與其親本種羣雜交。這些植物與其親本種羣之間存在生殖隔離，但生活在相同的區域，最終可能形成全新的物種。

線粒體和葉綠體的遺傳特性

與其他真核生物一樣，來自內共生的細胞器，如線粒體和葉綠體，它們的遺傳不遵循孟德爾定律。在裸子植物中，葉綠體基因從雄性親本傳遞，而在被子植物中則從雌性親本傳遞。

模式生物在植物學研究中的應用

科學家從模式生物的研究中獲得了大量知識。例如，擬南芥作為模式植物，其基因組相對較小，是首個完成基因測序的植物。此外，水稻、二穗短柄草等植物的基因測序也有助於理解穀物、禾本科植物和單子葉植物的生物學和遺傳學特徵。

植物細胞和光合作用的分子生物學研究

模式植物的使用有助於研究植物細胞和葉綠體的分子生物學。理想的模式植物應該具有較小的基因組，對其基因組要有較完整的認知或測序，體型較小，且世代時間較短。玉米曾被用來研究植物的光合作用以及C4類植物的糖分韌皮部運輸。單細胞綠藻萊氏衣藻雖然不是有種子的植物，但由於其含有與陸地植物相似的

植物細胞生物學與表觀遺傳學

菠菜、豌豆、大豆以及苔蘚植物小立碗蘚（Physcomitrella patens）是研究植物細胞生物學的常用材料。另一方面，根癌農桿菌（Agrobacterium tumefaciens）是一種土壤細菌，它能將DNA轉移到植物細胞中，導致冠癭瘤病。1977年，有科學家猜測根癌農桿菌的Ti質體可能是將固氮基因轉入豆科植物根部的天然載體。現在，人們已能對Ti質體進行基因修改，這是製造轉基因作物的主要手段之一。

表觀遺傳學是研究基因功能變化的一個領域，這些變化並不是由於DNA序列的變化所引起的，而是由於表觀遺傳記號的變化，這些記號可以影響基因的表達（或非表達）。例如，DNA的甲基化就是一種表觀遺傳變化。此外，依附於DNA沉默區的抑制蛋白也可以控制基因的表達。表觀遺傳記號可能在植物的生長和發育過程中添加或移除，從而導致性狀的變化，如葉片和花瓣的分化。這些變化可能是暫時的，也可能持續到細胞分裂結束，並伴隨細胞的整個生命週期。有些表觀遺傳變化是可遺傳的，而其他則可能在繁殖細胞階段被重置。

在真核生物中，表觀遺傳變化對於細胞分化至關重要。從全能幹細胞分化為胚胎中的各種多能細胞系，最終形成不同的細胞類型，這個過程涉及到部分基因的表觀遺傳激活和其它基因的抑制。與動物不同，許多分化後的植物細胞（特別是薄壁細胞）仍然保留全能性，這意味著它們能夠發育成新的植株。然而，高度木質化的細胞、成熟的厚壁組織和木質部以及缺乏細胞核的韌皮部篩管則失去了全能性。儘管植物使用與動物相似的表觀遺傳機制，但有一種假説認為植物可以根據周圍細胞和環境提供的信息修改其基因