МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Алтайский государственный университет»
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
ФИЗИОЛОГИЯ И БИОХИМИЯ АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ
Барнаул
ВВЕДЕНИЕ
Специальная дисциплина «Физиология и биохимия адаптации растений» является одним из важнейших разделов современной биологии, способствующей формированию биологического мировоззрения и становлению специалиста-биолога. Знание молекулярных основ адаптации растений позволяет понять причины снижения устойчивость при создании высокопродуктивных сортов. Многие культурные растения не могут сами развиваться и полностью зависят от человека, создающего для них благоприятные условия. В последние годы и погодно-климатические условия на Земле становятся менее благоприятными в связи с циклическими изменениями климата и загрязнением атмосферы в результате хозяйственной деятельности человека. Появляются новые неблагоприятные факторы, для которых растения не могли выработать защитные приспособления в процессе эволюции. Поэтому изучение устойчивости растений, знание ее природы, механизмов в наше время очень важно как с теоретической, так и с практической точки зрения.
В данном спецкурсе рассматривается адаптация растений к абиотическим факторам среды (экстремальные температуры, недостаток или избыток воды, избыток солей в почве, загазованность и др.) на клеточном и молекулярном уровнях.
В ходе изучения дисциплины используются следующие формы работы со студентами: лекции, лабораторные занятия, выполнение домашней работы в форме теоретической подготовки.
Виды контроля: текущий (проверка теоретической подготовки, проверка выполнения и оформления лабораторных работ); итоговый (зачет).
Для сдачи зачета требуется выполнение следующих условий:
- выполнение и предоставление правильно оформленных лабораторных работ;
- теоретическая подготовка в соответствии с программой курса.
Зачет выставляется студентам, показавшим глубокое знание теоретических вопросов, умение проиллюстрировать изложение практическими приемами и расчетами, освоившим основную литературу, рекомендованную программой курса, обнаружившим стабильный характер знаний и способность к их самостоятельному восполнению и обновлению в ходе практической деятельности, полностью ответившим на вопросы экзаменатора, но допустившим при ответах незначительные ошибки, указывающие на наличие несистематичности и пробелов в знаниях.
Зачет выставляется студентам, показавшим знание основных положений теории при наличии существенных пробелов в деталях, испытывающим затруднения при практическом применении теории, допустившим существенные ошибки при ответах на вопросы экзаменатора, но показавшим знания основного учебно-программного материала в объеме, необходимом для предстоящей работы.
Зачет не выставляется, если студент показал существенные пробелы в знаниях основных положений теории, которые не позволяют ему приступить к практической работе без дополнительной подготовки, не ответил на вопросы билета или экзаменатора.
РАЗДЕЛ 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЁ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
1.1. Цель преподавания дисциплины: дать студентам современные представления формирования механизмов адаптации растений к неблагоприятным факторам среды.
1.2 Задачи дисциплины: студенты, завершившие изучение данной дисциплины должны:
- приобрести основные знания о приспособлении растений к действию неблагоприятных абиотических факторов среды на разных уровнях организации;
- изучить основные причины повреждающего действия различных стрессоров на растения;
- владеть методами изучения и диагностики устойчивости растений к действию неблагоприятных факторов среды;
- ориентироваться в выпускаемой учебно-методической литературе по данной дисциплине.
1.3. Перечень дисциплин с указанием разделов, усвоение которых студентами необходимо для изучения курса регуляторы роста и развития растений:
Молекулярная биология: плазматическая мембрана: свойства липидных мембран, мембранные белки; молекулярные механизмы мембранного транспорта: пассивный и активный транспорт и формы его реализации; K+Na+-насос.
Физиология растений: устойчивость растений: засухо-жаро-холодо-морозо-солеустойчивость.
РАЗДЕЛ 2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
2.1. Рабочая программа:
АДАПТАЦИЯ РАСТЕНИЙ
Границы приспособления и устойчивости. Основные группы стрессоров: абиотические, биотические и антропогенные. Адаптация: стратегии (эволюционные, онтогенетические, срочные) и типы (активный, пассивный). Специфическая и неспецифическая адаптация. Обратимые и необратимые повреждения растений. Общие механизмы устойчивости и структура адаптационного процесса. Тесты устойчивости растений в зависимости от вида действующего фактора.
АДАПТАЦИЯ РАСТЕНИЙ К ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ ТЕМПЕРАТУРАМ
Адаптация растений к высоким температурам. Эволюционные адаптации, механизмы термостабильности. Белки теплового шока (БТШ): классификация и функции. Механизмы, обеспечивающие синтез БТШ. Модификации липидного бислоя мембран в условиях повышенных температур.
Адаптация растений к низким температурам. Энергетический обмен и метаболизм реакций при низкой температурной адаптации. Ферментативная активность. Молекулярные механизмы адаптации растений к низкой и отрицательной температуре и их роль в растительном организме: накопление сахаров и совместимых осмолитов; изменение состава липидов и увеличение текучести мембран; глубокое переохлаждение и постепенная дегидратация; ограничение роста внеклеточного льда и синтез биологических антифризов; синтез стрессорных белков холодового ответа. Пассивная и активная адаптация. Теория закаливания растений .
АДАПТАЦИЯ РАСТЕНИЙ К ВОДНОМУ ДЕФИЦИТУ
Эволюционные адаптации растений-ксерофитов к засухе. Физиологические механизмы адаптации растений-мезофитов к недостатку воды: торможение, дальнейшего увеличения листовой поверхности; уменьшение площади уже существующей листовой поверхности растения; закрытие устьиц; стимуляция роста корневой системы; аккумуляция низкомолекулярных соединений; повышение эффективности использования растением воды.
Биосинтез распространенных осмолитов (пролина, глицин-бетаина, маннитола, пинитола, полиаминов спермидина и спермина). Молекулярные механизмы адаптации (LEA-белки; шапероны, протеазы, убиквитины, аквапорины).
АДАПТАЦИЯ РАСТЕНИЙ К ИЗБЫТОЧНОМУ ЗАСОЛЕНИЮ
Повреждающее действие солей. Концепция токсического действия ионов. Адаптации к осмотическому эффекту солей. Механизмы аккумуляции ионов (Na+-насос тонопласта, транспортные белки плазмалеммы). Механизмы экспорта ионов (Na+/H+-антипортеры плазмалеммы и тонопласта; первичный Na+-насос, анионные каналы). Индикатор солеустойчивости растений. Интеграция механизмов устойчивости к водному дефициту и засолению. Физиологические и биохимические различия между глико - и галофитами.
АДАПТАЦИЯ РАСТЕНИЙ К ТЯЖЕЛЫМ МЕТАЛЛАМ
Эволюционные адаптации растений к тяжелым металлам (растения-аккумуляторы, индикаторы и исключатели). Влияние тяжелых металлов на физиологические процессы. Клеточные и молекулярные механизмы устойчивости: клеточная стенка и корневые экссудаты, плазмалемма, БТШ, фитохелатины и другие хелаторы тяжелых металлов (металлотеонеины, органические кислоты и аминокислоты), компартментация тяжелых металлов в вакуолях. Биохимическая адаптация к почве. Токсичность селена. Механизмы детоксикации гербицидов.
АДАПТАЦИЯ РАСТЕНИЙ К РАДИАЦИИ
Типы и источники излучения: ионизирующее (источники – радиоактивные вещества) и электромагнитное (УФ-радиация: В-лучи 320-280 нм, С-лучи 280-180 нм). Влияние ионизирующей и УФ-радиации на физиологические и молекулярные процессы. Механизмы устойчивости растений к УФ-радиации: 2 стратегии – уход от действующего фактора (эволюционные адаптации; синтез антиоксидантов флавоноидов, каротиноидов, алкалоидов) и восстановление повреждений (световая, темновая и пострепликативная репарация).
АДАПТАЦИЯ РАСТЕНИЙ К ЗАГАЗОВАННОСТИ
Токсичные соединения и пути их поступления в растительный организм. Общие повреждения клеток (снижение pH клеточного сока, активация фермента пероксидазы, нарушение азотно-углеводного обмена и др.).
Газоустойчивость и газочувствительность растений. Теория фотоокисления . Характер повреждений сернистым, серным газами, окислами азота, озоном, пероксиацетилнитратом (ПАН). Основные формы газо-и дымоустойчивости растений (по ): анатомическая, физиологическая, биохимическая, габитуальная, анабиотическая, феноритмическая, регенерационная, популяционная, фитоценотическая. Растения-биоиндикаторы загазованности среды.
АДАПТАЦИЯ РАСТЕНИЙ К УСЛОВИЯМ ГИПО - И АНОКСИИ
Активирование анаэробного метаболизма в условиях дефицита кислорода. Основные пути превращения ПВК – образование молочной кислоты и этилена.
АДАПТАЦИЯ РАСТЕНИЙ К ОКИСЛИТЕЛЬНОМУ СТРЕССУ
Повреждения биомолекул активными формами кислорода (АФК): окислительные модификации липидов, нуклеиновых кислот. Детоксикация продуктов окислительной модификации биомолекул. Озон: повреждающее действие и механизмы устойчивости.
2.2. Темы лабораторных занятий.
Раздел учебной дисциплины | Тема лабораторной, практической работы или семинарского занятия |
Адаптация растений к экстремальным температурам | Устойчивость растений к высоким и отрицательным температурам. |
Адаптация растений к водному дефициту | Определение засухоустойчивости растений методом крахмальной пробы. |
Адаптация растений к избыточному засолению | Определение солеустойчивости растений. |
Адаптация растений к условиям гипо-и аноксии | Ранняя диагностика устойчивости растений к вымоканию. |
РАЗДЕЛ 3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Виды самостоятельной работы и формы её контроля
№ п/п | Раздел дисциплины | Тема и вид самостоятельной работы | Форма контроля | Учебно-методическое обеспечение |
1 | Адаптация растений к экстремальным температурам | Проблемы адаптации и интродукции растений; Закаливание и устойчивость растений | реферат | 1, 2, 4, 6 |
2 | Адаптация растений к радиации | Роль флавоноидов и алкалоидов в устойчивости растений | реферат | 2, 3, 7 |
3 | Адаптация растений к тяжелым металлам | Тяжелые металлы и их детоксикация у растений | реферат | 2, 8 |
4 | Адаптация растений к загазованности | Типы смога (Лондонский и Лос-Анжельский) и роль растений в их предупреждении | реферат | 2, 3 |
5 | Адаптация растений к окислительному стрессу | Активные формы кислорода | реферат | 2, 7 |
РАЗДЕЛ 4. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ И
РЕЗУЛЬТАТОВ ОСВОЕНИЯ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Контрольные вопросы по курсу
1. Адаптация: генетическая, онтогенетическая, срочная.
2. Эволюционные адаптации растений к действию повышенных температур.
3. Белки теплового шока: классификация, синтез и функции.
4. Физиологические механизмы адаптации растений к засухе.
5. Молекулярные механизмы адаптации к дефициту воды. LEA-белки.
6. Биологическая роль антинуклеаторов, антифризных белков и COR-белков.
7. Главные причины, вызывающие гибель растений в условиях избыточной концентрации солей.
8. Клеточные и молекулярные механизмы адаптации растений к избыточному засолению.
9. Интеграция механизмов устойчивости к водному дефециту и засолению.
10. Системы репарации ДНК при УФ-радиации.
11. Роль этилена и ионов кальция в выживании растений при гипоксии.
12. Влияние тяжелых металлов на фотосинтез.
13. Клеточные механизмы, уменьшающие концентрацию тяжелых металлов.
14. Основные формы газо - и дымоустойчивости.
15. Активные формы кислорода и их повреждающее действие.
РАЗДЕЛ 5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
3.1. Литература:
а) основная
1. Физиология растений / Под. ред. . – М.: Академия, 2005. – 640 с.
2. , Шведова : учебник для вузов. – М.: Дрофа, 2008. – 640 с.
б) дополнительная
1. Физиология жаро - и засухоустойчивости растений. – М.: Наука, 1982. – 252 с.
2. Катаболизм и стресс у растений: 52-е Тимирязевское чтение / . – М.: Наука, 1993. – 80 с.
3. Кретович растений. – М.: Высшая школа, 1986. – 504 с.
4. Петровская Физиология адаптации и интродукция растений. – М.: Наука, 1983. – 152 с.
5. Практикум по физиологии растений / , , и др. – М.: Агропромиздат, 1990. – 271 с.
6. Практикум по физиологии растений: учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / , , и др.; под ред. . – М.: Академия, 2001. – 144 с.
7. Физиология закаливания и морозостойкости растений. – М.: Наука, 1979. – 352 с.
8. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений / Под ред. . – М.: Колос, 2000. – 640 с.
9. Харборн Дж. Введение в экологическую биохимию: Пер. с англ. – М.: Мир, 1985. – 312 с.
10. Стратегия биохимической адаптации. – М.: Мир, 1977. – 287 с.
в) электронные ресурсы
1. www.
2. www. elibrary. ru
3. www. MolBiol. ru
4. www. humbio. ru
5. www. fizrast. ru
РАЗДЕЛ 6. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Оборудование: микроскопы, вытяжной шкаф, электроплитки, рН-метр, весы технические, весы торсионные, магнитная мешалка с подогревом, термостат, ФЭК, сушильный шкаф, дистиллятор, термометры спиртовые, спиртовки.
Инструменты: пипетки автоматические, пинцеты, скальпели, шпатели, пробочные сверла.
Посуда: стаканы, колбы, пробирки, пипетки, чашки Петри, ступки фарфоровые, мерные цилиндры.
Реактивы и расходные материалы: минеральные соли, витамины, сахароза, глюкоза, набор аминокислот, регуляторы роста, соляная кислота, азотная кислота, едкий калий, едкий натрий, этиловый спирт, вода дистиллированная, фильтровальная бумага, вата.
