ПРОГРАММА ДЛЯ ПОСТУПАЮЩИХ В АСПИРАНТУРУ по

ПРОГРАММА ДЛЯ ПОСТУПАЮЩИХ В АСПИРАНТУРУ
по специальности 03.01.05 – Физиология и биохимия растений
1. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ
ПРОГРАММЫ ПОСЛЕВУЗОВСКОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ
Дисциплина «Физиология и биохимия растений» является базовой частью цикла
обязательных дисциплин (ОД.А.03), относящихся к специальным дисциплинам отрасли
науки и научной специальности.
Цель изучения дисциплины - формирование у аспирантов углубленных
профессиональных знаний о методологии научных исследований в физиологии и
биохимии растений, а также в смежных дисциплинах.
Задачи изучения дисциплины:
- сформировать у аспирантов представление о современных методах исследований
в физиологии и биохимии растений и возможности их применения для решения
экспериментальных задач разного уровня;
- сформировать у аспирантов представление о ведущих тенденциях в развитии
методов экспериментальных исследований с учетом современного уровня развития
физико-химической и молекулярной биологии;
об основных проблемах методологии
научного поиска и реализации принципа релевантности в проводимых исследованиях;
- подготовить аспирантов к применению полученных знаний при постановке
научных задач и планировании эксперимента, проведении учетов, наблюдений и
лабораторных исследований, в ходе анализа научных результатов при выполнении плана
диссертационных исследований и в дальнейшей научной работе.
Курс дисциплины «Физиология и биохимия растений» строится на
современных представлениях о процессах жизнедеятельности растений на разных уровнях
организации, арсенале современных методов исследования растений.
Краткая аннотация дисциплины
Дисциплина «Физиология и биохимия растений» изучает основополагающие
принципы и методологию исследований процессов жизнедеятельности растений
на
разных уровнях организации: молекулярном, клеточном, организменном и ценотическом.
Особое внимание уделено теории и практике вегетационного метода, постановке
экспериментов в контролируемых условиях фитотрона, методу биологических проб,
методам деструктивного и недеструктивного анализа растительного материала, а также
методам
статистической
обработки
экспериментальных
данных.
Рассматривается
комплекс методов диагностики функционального состояния растений, в том числе – в
условиях стресса.
2.
КОМПЕТЕНЦИИ ОБУЧАЮЩИХСЯ
В результате освоения дисциплины аспирант должен демонстрировать способность
и готовность (компетенции):
Общекультурные:
приобретает новые знания и формирует суждения по научным, социальным
•
и другим проблемам, используя современные образовательные и информационные
технологии;
использует
•
деятельности:
работает
основные
на
технические
компьютере
и
в
средства
в
компьютерных
профессиональной
сетях,
использует
универсальные пакеты прикладных компьютерных программ, создает базы данных на
основе
ресурсов
Интернет,
способен
работать
с
информацией
в
глобальных
компьютерных сетях;
•
проявляет творческие качества;
•
правильно ставит цели, проявляет настойчивость и выносливость в их
достижении;
заботится о качестве выполняемой работы;
•
знать:
анатомо-морфологическую
локализацию
физиолого-биохимических
процессов в растениях, их ход и механизмы регуляции на всех структурных уровнях
организации растительного организма; зависимость хода физиологических процессов от
внутренних и внешних факторов среды; принципы формирования величины и качества
урожая основных сельскохозяйственных культур; воздействие на растения факторов
антропогенного происхождения; изменение химического элементного и биохимического
состава урожая в процессе хранения и последующей переработки;
уметь:
определять
жизнеспособность
возможности осуществления
растительных
тканей,
исходя
из
в них хода физиолого-биохимических процессов;
определять степень насыщенности водой продуктивной части растений, содержание
пигментов и веществ белковой, углеводной, липидной природы и витаминов в урожае
основных
сельскохозяйственных
культур;
пользоваться
органолептическими
и
биохимическими показателями в процессе прогнозирования качества урожая;
владеть: современными методами исследования и получения информации о ходе
физиологических процессов в растительном организме, формировании биохимического
качества урожая, навыками обработки и анализа получаемых экспериментальных данных,
приёмами поиска новых сведений в области физиологии и биохимии растений, связанных
с
получением
урожая
с.х.
культур
высокого
качества.
3.
СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ
Структура курса «Физиология и биохимия растений» соответствует областям
исследований паспорта специальности.
Фотосинтез и дыхание растений. Их связь с продуктивностью и урожаем.
Фотофизические, фотохимические и биохимические механизмы фотосинтеза.
Особенности организации генома растений. Регуляция его экспрессии.
Онтогенетические программы роста и морфогенеза растений, включая эмбриогенез,
вегетативный рост, генеративное развитие, плодоношение и старение.
Особенности корневого питания растений и водный режим.
Ответ растений на внешние воздействия, адаптация и устойчивость к абиогенным
факторам окружающей среды.
Сигнальные системы клеток и целых растений, рецепция и трансдукция внутренних и
внешних сигналов (фитогормоны, гуморальная и биоэлектрическая регуляция).
Специфика метаболизма растений, вторичные метаболиты, биосинтез клеточной
стенки.
Культура
изолированных
клеток,
тканей
и
органов,
регенерация
растений,
микроклональное размножение, получение клеточных культур – продуцентов ценных
веществ.
Генная
инженерия
растений,
физиология
трансгенных
растений.
Получение
хозяйственно-ценных генотипов.
Взаимодействие растений с другими организмами. Молекулярные основы патогенеза
и
иммунитета
растений.
Симбиотическая
азотфиксация.
Взаимодействие
с
микроорганизмами ризосферы.
Взаимодействие
растений
в
сельскохозяйственных
и
природных
ценозах.
Физиологические основы интесификации растениеводства и охраны окружающей среды.
4. ТРУДОЁМКОСТЬ В ЗАЧЕТНЫХ ЕДИНИЦАХ И ЧАСАХ.
Учебный план по дисциплине «Физиология и биохимия растений» для аспирантов
МГОГИ по специальности 03.01.05 – физиология и биохимия растений включает 144 часа,
из которых 36 часов отведено на лекционный курс и 108 часа на самостоятельную работу,
что составляет 4 зачетные единицы.
5. СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ КУРСА
1. Фотосинтез и дыхание растений. Их связь с продуктивностью и урожаем.
Фотофизические, фотохимические и биохимические механизмы фотосинтеза.
Значение фотосинтеза в трансформации вещества и энергии в природе. Физикохимическая сущность процесса фотосинтеза и его значение в энергетическом и
пластическом обмене растения. Лист как орган фотосинтеза. Фотосинтетические
пигменты. Структурно-функциональная организация фотосинтетического аппарата.
Первичные
процессы
фотосинтеза,
их
структурно-функциональная
организация.
Электрон-транспортная цепь фотосинтеза и фотосинтетическое фосфорилирование.
Химизм процессов ассимиляции углерода в фотосинтезе. Дыхание. Функции дыхания у
растений. Ферментные системы дыхания. Гликолиз. Цикл трикарбоновых кислот.
Дыхательная электрон-транспортная цепь дыхания и окислительное фосфорилирование.
2. Особенности организации генома растений. Регуляция его экспрессии.
Специфика
организации
и
функции
ядерного,
хлоропластного
и
митохондриального геномов. Ядерный геном. Роль ядерного генома в регуляции
онтогенеза
растений.
Ядерно-цитоплазматические
взаимодействия.
Гены,
контролирующие эмбриогенез, формирование и покой семян, прорастание семян,
вегетативный рост, цветение, плодоношение, старение и смерть растений. Хлоропластный
и митохондриальный геномы. Гены хлоропластного и митохондриального геномов,
регуляция их экспрессии. Полуавтономность хлоропластов и митохондрий в растительной
клетке. Ядерно-хлоропластные и ядерно-митохондриальные взаимодействия в биогенезе
органелл. Двойное подчинение ядерному и органельному геномам всех функциональных
ансамблей органелл.
3. Онтогенетические программы роста и морфогенеза растений, включая
эмбриогенез, вегетативный рост, генеративное развитие, плодоношение и старение.
Определение понятий «рост» и «развитие» растений. Проблема роста и развития на
организменном, органном, клеточном и молекулярном уровнях. Общие закономерности
роста. Показатели роста, S-образный характер кривой роста, его фазы. Рост и
деятельность меристем. Клеточные основы роста. Рост растений и среда. Влияние
температуры, света, воды, газового состава атмосферы, элементов минерального питания
на ростовые процессы. Жизненный цикл высших растений. Основные этапы онтогенеза
(эмбриональный,
ювенильный,
репродуктивный,
зрелости,
старения),
их
морфологические, физиологические и метаболические особенности. Гормональная
регуляция роста и развития растений. Строение и функции фитогормонов.Ауксины.
Цитокинины. Гиббереллины. Абсцизовая кислота. Этилен. Гормональный баланс в
растении. Фоторегуляция у растений. Фотопериодизм. Внутренние ритмы развития
растений. Покой и прорастание семян.
4. Особенности корневого питания растений и водный режим.
Значение и функции воды для растений. Состояние воды в клетке. Молекулярная
структура и физические свойства воды. Термодинамические показатели состояния воды:
активность воды, химический и водный потенциал. Транспорт воды по растению.
Транспирация и ее роль в жизни растений. Количественные показатели транспирации:
интенсивность, продуктивность, транспирационный коэффициент. Экология водообмена
растений. Особенности водообмена у растений разных экологических групп (ксерофитов,
мезофитов, гигрофитов, галофитов). Минеральное питание. Классификация, потребность,
содержание и соотношение макро- и микроэлементов в растениях и в почве. Корень как
орган поглощения минеральных элементов, специфических синтезов с их участием и
транспорта. Значение зон роста корня в этом процессе. Особенности азотного обмена
растений.
5. Ответ растений на внешние воздействия, адаптация и устойчивость к абиогенным
факторам окружающей среды.
Стресс и адаптация — общая характеристика явлений. Неблагоприятные факторы
биотической и абиотической природы. Ответные реакции растений на действие стрессоров. Специфические и неспецифические реакции. Природа неспецифических реакций.
Стрессовые белки и их функции. Виды экологических стрессов (водный дефицит, высокие
концентрации солей, экстремальные температуры, окислительный стресс растений,
аноксия и гипоксия, токсичность тяжелых металлов). Механизмы устойчивости. Закалка
растений. Фитоиммунитет.
6. Сигнальные системы клеток и целых растений, рецепция и трансдукция
внутренних и внешних сигналов (фитогормоны, гуморальная и биоэлектрическая
регуляция).
Донорно-акцепторные взаимодействия как основа эндогенной регуляции фотосинтеза
в системе растительного организма. Механизм эндогенной регуляции в системе растения.
Пути повышения эффективности использования солнечной энергии при фотосинтезе.
Системы регуляции и их иерархия в растении.
7. Специфика метаболизма растений, вторичные метаболиты, биосинтез клеточной
стенки.
Особенности состава и метаболизма углеводов и липидов растений. Белки. Структура,
свойства, классификация белков. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты. Ферменты и
механизмы их действия. Особенности строения, структурная и функциональная
организация растительной клетки. Строение и функции органоидов клетки. Ядро.
Пластидная система. Митохондрии растений. Аппарат Гольджи (АГ). Вакуоль.
Цитоскелет растительной клетки. Клеточная стенка (КС). Мембранные системы
растительной клетки. Плазмалемма, тонопласт, ЭПР, аппарат Гольджи.
8. Культура изолированных клеток, тканей и органов, регенерация растений,
микроклональное размножение, получение клеточных культур – продуцентов ценных
веществ.
Клетки растений in vitro. Дедифференциация растительной клетки in vitro и
формирование популяции пролиферирующих клеток. Структурные и функциональные
особенности клеток растений in vitro. Гетерогенность и асинхронность популяции клеток
растений вне организма. Изолированные протопласты клеток растений. Использование
клеток растений in vitro как модельной системы в физиологических исследованиях и в
биотехнологии.
9. Генная инженерия растений, физиология трансгенных растений. Получение
хозяйственно-ценных генотипов.
Понятие и оценка возможностей генной инженерии на современном этапе. Создание
гербицидоустойчивых
растений.
Повышение
эффективности
биологической
азотфиксации, фотосинтеза. Получение растений с новыми свойствами, основные
проблемы их безопасности.
10. Взаимодействие растений с другими организмами. Молекулярные основы
патогенеза и иммунитета растений. Симбиотическая азотфиксация. Взаимодействие с
микроорганизмами ризосферы.
Основы взаимодействия микроорганизмов с высшими растениями. Понятие и виды
взаимодействия
микроорганизмов
с
высшими
растениями.
Симбиотические
взаимодействия микроорганизмов с высшими растениями. Влияние фитопатогенных
микроорганизмов на жизнедеятельность высших растений
11. Взаимодействие растений в сельскохозяйственных и природных ценозах.
Проблема взаимодействия и взаимного влияния естественных и культурных компонентов
растительных сообществ, в связи с широким внедрением в практику земледелия
минимальной обработки почвы и прямого посева, смешанных посевов различных культур
и сортов, разработкой механизмов управления сорным компонентом агрофитоценозов.
Физиологические основы интенсификации растениеводства и охраны окружающей
среды. Научно-практические основы разработки системы защиты растений. Влияние
элементов системы земледелия на фитосанитарное состояние посевов. Формирование и
совершенствование химических средств зашиты растений.
6. ПРОГРАММА ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ АСПИРАНТОВ.
Раздел 1. Структурно-функциональная организация и метаболизм растения.
Общие вопросы. Основные компоненты растительного организма и их функции.
Молекулярные основы хранения и реализации наследственной информации. Растительная
клетка. Онтогенез клетки растения. Клетки растений in vitro. Биоэнергетика растительного
организма. Обмен веществ и особенности его регуляции.
Раздел 2. Водный обмен и минеральное питание растений.
Водообмен. Расходование воды растением – транспирация. Экология водообмена
растений. Минеральное питание. Признаки голодания растений. Антагонизм ионов.
Дальний транспорт и круговорот веществ в растении. Круговорот
и
реутилизация
минеральных веществ в растении.
Раздел 3. Онтогенез и адаптация растений.
Рост и развитие растений. Культура изолированных тканей. Гормоны роста растений.
Применение фитогормонов в практике растениеводства. Устойчивость растений к
неблагоприятным факторам. Физиологические особенности засухоустойчивых растений.
Закаливание растений. Влияние на растения избытка солей. Влияние на растения
недостатка или отсутствия кислорода. Взаимодействие физиологических процессов, их
интеграция и согласованное функционирование органов. Системы регуляции и их
иерархия в растении. Регуляция распределения роста и веществ, а также взаимодействия
органов в целом растении.
7. ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ.
1.Покой как необходимый этап онтогенеза растений.
2.Водный дефицит. Временное и глубокое завядание. Водный стресс. Влияние на
растения недостатка воды.
3.Гормоны растений (стимуляторы роста).
4.Первая и вторая фотосистемы. Нециклическое фотофосфорилирование.
5.Основные закономерности поступления воды в растение. Возникновение
градиента водного потенциала в растении. Градиент водного потенциала как движущая
сила водного тока в растении. Понятие водного потенциала и его составляющие.
6.Единицы
продуктивность
измерения
транспирации,
транспирации:
относительная
интенсивность,
транспирация.
экономичность,
Транспирационный
коэффициент.
7.Дневной ход фотосинтеза. Фотосинтез и урожай. Зависимость урожая от чистой
продуктивности фотосинтеза и величины листовой поверхности (исследования А. А.
Ничипоровича).
8.Аэробная фаза дыхания (цикл Кребса).
9.Путь С4 - (цикл Хетча-Слэка-Карпилова). Его особенности.
10.Почва как источник питательных веществ.
11.Ферменты дыхания.
12.Гормоны растений (ингибиторы роста).
13.Поступление солей в растительную клетку. Явление пиноцитоза. Поступление
ионов в вакуоль.
14.Понятие роста и развития растений. Их взаимосвязь.
15.Значение дыхания в жизни растительного организма.
16.Хлоропласты и их роль в процессе фотосинтеза; структура хлоропластов.
Движение хлоропластов.
17.Передвижение питательных веществ в растении.
18.Особенности суточного хода движения устьиц у разных растений. Суточный ход
процесса транспирации.
19.Фотофизический этап фотосинтеза. Понятие о пигментных системах и
реакционном центре.
20.Анаэробная фаза дыхания (гликолиз). Субстратное фосфорилирование.
21.Транспирация и её значение. Устьичная и кутикулярная транспирация. Влияние
внешних условий на движение устьиц.
22.Темновая
фаза
фотосинтеза.
Цикл
Кальвина:
карбоксилирование,
восстановление и регенерация.
23.Электронно-транспортная цепь (дыхательная цепь).
24.3адачи физиологии растений. Теоретическая и практическая значимость
физиологии растений.
25.Поступление питательных веществ в растение.
26.Механизм синтеза АТФ (дыхание).
27.Пластиды, их структура и функции.
28.Химические вещества, входящие в состав растительной клетки. Ферменты, их
основные свойства и физиологическое значение.
29.Особености питания растений азотом.
30.Влияние условий на процесс фотосинтеза. Методы изучения фотосинтеза.
31.Пигменты листа. Спектры поглощения пигментов листа.
32.Формы воды в почве. Доступная и недоступная вода. Влажность завядания.
33.Фотохимический этап фотосинтеза. Циклический транспорт электронов.
Ассимиляционная сила.
34.Верхний и нижний концевые двигатели водного тока. Гуттация и плач растений.
Передвижение воды по растению. Апопласт и симпласт. Теория сцепления.
35.Поступление воды в растительную клетку. Диффузия. Осмос. Осмотический
потенциал.
36.Влияние
на
фотосинтез
условий
освещения
(работы
В.Н.Любименко).
Светолюбивые и тенелюбивые растения. Компенсационная точка. 37.Дыхание как
процесс, противоположный фотосинтезу.
38.Клеточная оболочка, её структура и физиологические функции. Фазы роста
клетки. Этапы образования клеточной оболочки у растений.
39.Мембранный принцип организации поверхности цитоплазмы и органел.
Функции мембран. Аппарат Гольджи, рибосомы, пероксисомы, лизосомы, митохондрии.
40.Влияние внешних и внутренних факторов на процесс дыхания.
41.Этапы развития растений.
42.Основные
свойства
цитоплазмы:
вязкость,
эластичность,
подвижность,
раздражимость.
43.Движение растений. Тропизмы и настии.
44.Дыхание и фотосинтез как основные энергетические процессы растительного
организма. Черты сходства и различия.
8. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
8.1. Основная литература
1. Третьяков Н.Н. (ред.). Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений. М.:
Колос, 2000 г.
2. Физиология растений. П/р. И.П. Ермакова. М., 2005. Изд-во Академия.
3. Практикум по физиологии растений. Под ред. Третьякова Н.Н. М.: Агропромиздат,
2003 г.
4. Батыгин Н.Ф. Онтогенез высших растений. М., Агропромиздат. 1986 г.
5. Гупало П.И., Скрипчинская В.В. Физиология индивидуального развития растений.
М., Колос. 1971 г.
6. Кретович В.Л. Биохимия растений. М., Высшая школа. 1981 г.
7. Лебедев С.И. Физиология растений, М., Агропромиздат, 1988 г.
8. Либберт Э. Физиология растений. М., Мир. 1976 г
9. Нобел П. Физиология растительной клетки. М., Мир, 1972 г.
10. Плешков Б.П. Практикум по биохимии растений. М., колос. 1968 г,
11. Плешков Б.П. Биохимия сельскохозяйственных растений, М., Колос. 1987 г.
12. Полевой В.В. Физиология растений. М., Высшая школа. 1989.
13. Рубин Б.А. Курс физиологии растений, М., Высшая школа, 1976 г.
14. Рубин Б.А., Арциховская Е.В., Аксенова В.А. Биохимия и
15. Физиология иммунитета растений. М., Высшая школа. 1975 г,
16. Рубин Б.А., Гавриленко В.Ф. Биохимия и физиология фотосинтеза. М., Изд-во
МГУ, 1977г.
17. Физиология фотосинтеза. М., Наука. 1982 г.
8.2. Дополнительная литература
1. Андреева И.И. Ботаника. – 4-е изд. перераб. И доп./И.И. Андреева, Л.С. Родман. –
М.: КолосС, 2010. - 584 с.
2. Петер Зитте. Ботаника. Учебник для вузов в 4-х томах. Т.2. Физиология растений/
Зитте Петер, Вайлер Эльмар В., Кадерайт Йоахим В., Брезински Андерас, Кѐрнер Кристиан, - М., 2008. – 430 с.
3. Миркин Б.М. Современная наука о растительности: Учебник/ Б.М. Миркин, Л.Г.
Наумова, А.И. Соломещ. – М.: Логос, 2001. – 264 с.
4. Якушкина Н.И. Физиология растений: учеб. для студентов вузов, обучающихся по
специальности 032400 «Биология»/ Н.И. Якушкина, Е.Ю. Бахтенко. М.: Гуманитар. изд.
центр Владос, 2005. – 463 с.
5.
Нетрусов А.И. Микробиология: учебник для студ. высш. учеб. заведений/ А.И.
Нетрусов, И.Б. Котова. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. –
352с.
6. Юсуфов А.Г. Лекции по эволюционной физиологии растений: Учеб. пособие для
студ. вузов по спец. «Биология». – 2-е изд., прераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1996. –
255с.
7. Куперман Ф.М. Биология развития культурных растений: Учебное пособие для
студентов биол. спец. вузов/Ф.М. Куперман, Е.И. Ржанова, В.В. Мурашев и др.; Под
ред. Куперман Ф.М.. – М.: Высш. школа, 1982. – 343 с.
8.
Кошкин Е.И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур/ Е.И.
Кошкин, М.: Дрофа, 2010. – 640 с.
9. Кошкин Е.И. Частная физиология полевых культур/ Е.И. Кошкин, Г.Г. Гатаулина,
А.Б. Дьяков; Под ред. Е.И. Кошкина. – М.: КолосС, 2005. – 344 с. 7.2.
8.3 Программное обеспечение и Интернет-ресурсы
Агрикола и ВИНИТИ, научная электронная библиотека e-library, Rambler, Yandex,
Google, Agricola, Current Contents, e-journal, PubMed, ScienceDirect.
http://www.ippras.ru/ Институт физиологии растений РАН
http://window.edu.ru/ Единое окно доступа к образовательным ресурсам
http://www.informika.ru/text/index.html
ФГУ
"Государственный
НИИ
информационных технологий и телекоммуникаций".
http://www.zin.ru/BIODIV/bd_proj.htm Информационный проект «Биоразнообразие
России»
8.4 Ведущие периодические издания
Рекомендуются для дополнительного изучения обзорные и экспериментальные
статьи в журналах «Физиология растений», «Биохимия», «Успехи современной
биологии», «Соросовский образовательный журнал» и др.