《植物根际生物学过程》教学大纲

一、基本信息  

课程名称		植物根际生物学过程				课程编号	ARGE3207
英文名称		Rhizosphere Biology				课程类型	本专业推荐选修课
总学时	36	理论学时		36	实验学时		实践学时
学分	2	预修课程	植物营养学 生物统计与田间试验			适用对象	农业资源与环境
课程简介 （200字左右）		介绍植物根和根际的基本知识，根际的经典研究方法；介绍根系分泌物的组成及其在植物营养吸收、土壤理化性质、土壤物质循环和植物抗病抗逆方面的功能，重点介绍根系分泌物介导下植物-土壤-微生物互作关系；介绍植物化感作用类型、化感植物根际生物学特征及其应用；介绍根际分子生态学的研究方法和原理，重点传授根际分子生物学宏分析方法的基础理论；介绍根际分子生态学分析的经典案例，传授经典案例的上机操作要领。

二、教学目标及任务  

根际是农业资源与环境学科的研究热点，通过学习该课程，学生应全面了解植物根和根际的基本概念、重要性和发展动态，了解根系分泌物的组成和意义，了解化感作用的机理和应用，了解根际分子生态学宏分析的方法和经典案例，理解根系分泌物介导的根际过程在作物营养吸收、作物抗病抗逆、土壤理化性质和土壤物质循环方面的功能，重点掌握根系分泌物介导的植物-土壤-微生物互作关系，掌握根际研究的经典方法，掌握根际分子生态学研究方法的基本原理和分析方法。

三、学时分配   

教学课时分配

章节	章节内容	讲课	实验	实践	合计
第一章	绪论	2			2
第二章	植物根与根际的基本知识	2			2
第三章	根际研究的经典方法	4			4
第四章	根系分泌物的特性、功能与定量分析	4			4
第五章	根系分泌物与根际有益微生物的相互作用	4			4
第六章	植物化感作用的原理与应用	4			4
第七章	根际分子生态学研究方法与原理	6			6
第八章	根际微生物生态学数据分析处理	4			4
第九章	根际生态学宏分析案例分析与练习	6			6
合计		36			36

四、教学内容及教学要求 

第一章 绪论

第一节 根际的概念与发展史

习题要点：植物根际的基本概念及其科学发展过程。

第二节 植物根际生物学过程

习题要点：植物根系对养分的吸收，植物根系分泌物及其生理效应，根际微生物对养分的转化。

第三节 根际的热点研究领域与研究进展

习题要点：国内外根际生物学的热点研究方向及主要研究进展。

本章重点、难点：根际的概念，植物根际的生物学过程。

本章教学要求：了解植物根际的概念、提出与发展史概况，了解目前国内外根际生物学的热点研究领域与主要研究进展；理解植物根际的生物学过程。

 

第二章 植物根与根际的基本知识

第一节根的形态结构

习题要点：植物根系的形态、结构及各部分特征与功能。

第二节 根际环境的研究概况

1.  根际的物理环境

2.       根际的化学环境

3.       根际的生物环境

习题要点：根际物理、化学及生物环境的特点及研究概况。

本章重点、难点：根系的形态结构与功能特征，根际环境的基本概念与特征。

本章教学要求：了解植物根系的形态与结构组成；理解植物根系各部分的特征、功能，及根际物理、化学与生物环境的研究概况。

 

第三章根际研究的经典方法

第一节 根际结构的显微研究方法

1.       徒手切片-普通显微镜观察法

2.       超微切片—电子显微镜观察法

     习题要点：普通显微镜与电子显微镜的基本原理、操作方法、适用性及优缺点。

第二节 根际模拟研究方法与根际土壤样品的采集

1.       抖土法

2.       根际环境的模拟培育和根际土壤的切片技术

习题要点：根际模拟培育的原理，不同根际土壤样品采集方法的特点与比较。

第三节 菌根际研究方法

1.       根箱培养系统

2.       玻璃珠培养方法

  习题要点：根箱培养系统与玻璃珠培养方法的原理、内容、特征及适用性。

第四节 根际原位研究—显色方法

1.       根际Eh的原位显色

2.       根分泌物络合铝的原位显色

3.       根际酸性磷酸酶的显色

4.       根际磷活化的显色

     习题要点：不同根际原位显色方法的目的、原理、操作方法、优缺点及应用。

第五节 示踪技术在根际中的应用

1.       微观自显影方法

2.       薄层标记的自显影法

    习题要点：示踪技术的基本原理、操作方法、应用对象及优缺点。

第六节 根际的其他研究方法

1.       根际的微电极研究方法

2.       电子探针法

习题要点：根际微电极法与电子探针法的原理、操作、应用与比较。

本章重点、难点：不同根际经典研究方法的原理及应用。

本章教学要求：了解植物根际研究经典方法的基本原理；理解各类方法的研究对象、应用及优缺点；掌握各类技术的操作方法。

 

第四章根系分泌物的特性、功能与定量分析

第一节 根系分泌物的概念、种类和性质

1.       根际沉积与根系分泌物

2.       根系分泌物的组成

习题要点：根系分泌物的概念、组成及性质。

第二节 根系的分泌过程及其调节

1.       根系分泌作用形成的假说

2.       根系分泌作用的分子生理学基础

3.       根系分泌作用的影响因素

    习题要点：根系分泌物的形成、分子生理学基础及影响因素。

第三节 根际分泌物的作用

1.       根系分泌物与作物养分吸收

2.       根系分泌物与作物抗病抗逆

3.       根系分泌物与土壤物质循环

4.       根系分泌物与土壤理化性质

    习题要点：根系分泌物对作物养分吸收和抗病抗逆的作用与机制，根系分泌物与土壤物质循环的关系及原理，根系分泌物对土壤理化性质的影响及原理。

第四节 根系分泌物的研究方法

1.       根系分泌物的收集与提取

2.       根系分泌物的分离与测定

3.       几种典型的根系分泌物研究方法

习题要点：常用根系分泌物的收集及分析方法的原理、步骤、优缺点及应用。

本章重点、难点：根系分泌物的组成、形成、影响因素及作用，根系分泌物的收集与分析方法。

本章教学要求：了解根系分泌物的概念、组成及其形成假说；理解根系分泌物形成的分子生理学基础及影响因素，理解根系分泌物对作物自身与土壤的作用、原理及其意义；掌握根系分泌物收集与分析的常用方法。

 

第五章   根系分泌物与根际微生物的相互作用

第一节 根系分泌物与信号传导

习题要点：根系分泌物中的典型信号分子，信号传导的概念及基本原理。

第二节 根系分泌物与细菌

1.       根系分泌物与固氮菌

2.       根系分泌物与其他有益细菌

习题要点：豆科作物根系分泌物与根瘤菌的互作过程，黄酮类物质在豆科植物-根瘤菌共生关系建立过程中的作用，根系分泌物与芽孢杆菌及假单胞菌等有益细菌的互作机制。

第三节 根系分泌物与真菌

1.       根系分泌物与菌根真菌

2.       根系分泌物与其他有益真菌

习题要点：根系分泌物与菌根真菌的互作过程，独脚金内酯在植物-菌根真菌共生关系建立过程中的作用，根系分泌物与木霉等有益真菌的互作机制。

本章重点、难点：根系分泌物（信号物质，如黄酮、独脚金内酯等）介导下的植物-土壤-微生物互作过程。

本章教学要求：了解植物根系分泌物中常见的信号分子及其诱导信号转导的基本过程，理解根系分泌物与不同类型根际微生物互作的生物学过程。

 

第六章植物化感作用的原理与应用

第一节 化感作用的原理与类型

1.       植物化感偏害作用及其作用机制

2.       植物化感自毒作用及其机制

3.       植物化感自促作用及其机制

4.       植物互惠作用及其机理

习题要点：化感作用的概念、分类及作用机制。

第二节 土壤连作障碍机理与防控

习题要点：植物化感作用与土壤连作障碍的关系，土壤连作障碍的防控措施及其原理。

本章重点、难点：植物化感作用的类型及作用机制，连作障碍形成原因与防控措施。

本章教学要求：了解植物化感作用的概念、类型及作用机制；理解植物化感作用与土壤连作障碍的关系；掌握防控土壤连作障碍的措施与技术。

 

第七章根际微生物生态学研究方法与原理

第一节 微生物的功能多样性分析

1.       BIOLOG碳素利用法

2.       功能基因组学研究

    习题要点：BIOLOG碳素利用法的基本原理、操作方法、优缺点及应用；参与氮循环相关基因的催化途径和作用。

第二节 微生物的结构多样性分析

1.       醌指纹法

2.       脂肪酸谱图法

    习题要点：醌指纹法及脂肪酸谱图法（PLFA）分析根际微生物结构多样性的基本原理、操作方法、优缺点及应用。

第三节 微生物遗传多样性分析

1.       基于杂交的分析方法（FISH、Macroarray、CheoChip）

2.       基于PCR的分析方法（DGGE、qPCR、454、Miseq）

习题要点：微生物遗传多样性分析常用方法的基本原理、操作方法、优缺点及应用。

本章重点、难点：遗传多样性分析方法的分子生物学基础原理，不同根际微生物生态学研究方法的特点及应用。

本章教学要求：了解三类根际微生物生态学常用研究方法的基本原理；理解其在实际应用中的适用性和优缺点；掌握其操作方法。

 

第八章根际微生物生态学数据分析处理

第一节 实验设计

1.       实验设计的要素与原则

2.       正交实验设计

3.       均匀实验设计

4.       其他实验设计方法

习题要点：实验设计的基本原则、方法及其应用。

第二节 数据分析处理基础

1．  显著性分析

2．  方差分析

3．  线性相关与一元线性回归分析

4．  多元分析处理中的主成分分析

5．  聚类分析

6．  典范对应分析

习题要点：常规数据分析方法的适用范围及应用。

第三节 高级统计分析

1.       高通量测序结果宏分析基础

2.       网络分析基础

习题要点：宏分析及网络分析的概念、基础原理和应用。

本章重点、难点：正交实验设计，基础数据分析处理方法的应用，宏分析方法的基础理论与应用。

本章教学要求：了解实验设计的要素与基本原则；理解实验设计方法的基本原理；掌握正交及均匀实验设计原则，掌握常规的数据分析处理方法及基础的高级统计分析方法。

第九章根际生态学宏分析案例与练习（上机练习）

第一节 R语言绘图基础

习题要点：R语言绘图的基础代码，采用R语言绘制散点图，柱状图，PCA图。

第二节 Linux基础

习题要点：Linux基础知识和常用命令。

第三节 高通量测序结果分析

习题要点：测序结果质量控制、OUT构建、丰度分析、样品间多样性比较及差异显著性分析、物种注释。

第四节 Cytoscape和Gephi基本用途及网络可视化分析

本章重点、难点：R语言绘图的基本代码，高通量测序结果分析与应用，网络分析可视化软件的基本操作。

本章教学要求：掌握R语言绘图基础，能够采用R语言进行基本的图形绘制。掌握Linux操作的常用命令。掌握网络分析可视化软件Cytoscape和Gephi的基本用途。

 

五、考核方式及要求  

 

平时课堂互动提问和期末专项交流20%、2次小测验和趣味知识题20%，期末笔试60%。

 

 

六、推荐教材及教学参考书 

参考书： 《Marschner’s Mineral Nutrition of Higher Plants》3rd Edition, Edited by Patra Marschner. Academic Press (Elsevier). 2011.

《植物营养研究法》，申建波等 编著，中国农业大学出版社，2011年。

《Numerical Ecology with R》, Edited by Daniel Borcad et al.. Springer. 2011.

《Secretions and Exudates in Biological Systems》, Edited by Jorge M. Vivanco et al.. Springer. 2012.

大纲修订人： 凌宁

大纲审定人：李荣

修订日期：2015年5月3日