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植物学（植物科学とも呼ばれる）は、地球上の生命の過去 35 億年にわたる植物の成長、生殖、進化を研究する自然科学および生物学の一分野です。生物学および医学のすべての分野と同様に、植物は生化学、分子生物学、細胞生物学、遺伝学から生態学、病理学、解剖学、形態学、分類学まで、さまざまなレベルで研究することができます。[ 1 ] [ 2 ]植物学者または植物科学者は、この分野を専門とする科学者です。植物は、約 41 万種の陸上植物、約 39 万 種の維管束植物（そのうち約 36 万 種は顕花植物）[ 3 ]、約 2万種の蘚苔類[ 4 ]など、さまざまな方法で定義できます。
植物学は、食用、有毒、薬用となる植物を特定し栽培する先史時代の薬草学に端を発しており、人類の探究活動の初期の試みの 1 つです。 [ 5 ]中世の薬草園は、しばしば修道院に併設されており、薬効があると思われる植物が含まれていました。これらは、1540 年代以降に設立された大学に併設された最初の植物園の先駆けでした。最も初期のものの 1 つはパドヴァ植物園でした。これらの植物園は、植物の学術的研究を促進しました。コレクションをカタログ化して記述する努力は、植物分類学の始まりであり、1753 年にカール リンネの二名法命名法につながり、これは今日まですべての生物種の命名に使用されています。
19世紀から20世紀にかけて、植物の研究には、光学顕微鏡法や生細胞イメージング、電子顕微鏡法、染色体数分析、植物化学、酵素やその他のタンパク質の構造と機能など、新しい技術が開発されました。20世紀後半の20年間には、植物学者はゲノミクスやプロテオミクス、DNA配列などの分子遺伝学的分析技術を活用し、植物をより正確に分類するようになりました。
現代植物学は、科学技術のほとんどすべての分野からの貢献と知見を取り入れた幅広い学問分野です。研究テーマには、植物の構造、成長と分化、生殖、生化学と一次代謝、化学製品、発生、病気、進化関係、系統分類学、植物分類学の研究が含まれます。21世紀の植物科学における主要なテーマは、分子遺伝学とエピジェネティクスであり、これらは植物細胞や組織の分化における遺伝子発現のメカニズムと制御を研究します。植物学研究は、主食、木材、油、ゴム、繊維、医薬品などの材料の供給、現代の園芸、農業、林業、植物の繁殖、育種、遺伝子組み換え、建設やエネルギー生産のための化学物質や原材料の合成、環境管理、生物多様性の維持など、多様な用途があります。
「植物学」という用語は、古代ギリシャ語のbotanē ( βοτάνη ) に由来し、「牧草地」、「ハーブ」、「草」、「飼料」を意味します。[ 6 ] Botanēは、さらにboskein (ギリシャ語: βόσκειν )、「餌を与える」または「放牧する」に由来します。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]伝統的に、植物学には菌類学者と藻類学者による菌類と藻類の研究も含まれており、これら 3 つの生物群の研究は国際植物学会議の関心の範囲内に留まっています。
植物学は、薬効の可能性を探る植物の研究と利用である薬草学として始まった。[ 10 ]植物学の初期の記録には、多くの古代の文書や植物の分類が含まれている。初期の植物学の著作の例は、紀元前1100年以前に遡るインドの古代文書[ 11 ] [ 12 ]、古代エジプト[ 13 ] 、古代アヴェスター語の文書、および紀元前221年以前に遡るとされる中国の著作[ 11 ] [ 14 ]に見られる。
現代植物学の起源は古代ギリシャ、特にアリストテレスの弟子であるテオフラストス（紀元前371年頃～287年）に遡り、彼は植物学の多くの原理を考案し記述した人物であり、科学界では「植物学の父」として広く認められている。[ 15 ]彼の主要な著作である『植物学研究』と『植物の原因について』は、それから約17世紀後の中世まで、植物学に最も重要な貢献をしてきた。[ 15 ] [ 16 ]
古代ギリシャから植物学に初期の影響を与えたもう 1 つの著作は、ギリシャの医師で薬理学者のペダニウス・ディオスコリデスが 1 世紀半ばに書いた、薬草の基礎に関する 5 巻の百科事典であるDe materia medicaです。De materia medicaは1500 年以上にわたって広く読まれました。[ 17 ]中世イスラム世界からの重要な貢献には、イブン・ワフシヤのNabatean Agriculture、アブー・ハニーファ・ディナワリ(828–896) の The Book of Plants、イブン・バッサールのThe Classification of Soils などがあります。13 世紀初頭には、アブー・アル＝アッバース・アル＝ナバティとイブン・アル＝バイタル(1248 年没) が体系的かつ科学的な方法で植物学について書きました。[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
16 世紀半ば、イタリアの多くの大学に植物園が設立されました。1545 年に設立されたパドヴァ植物園は、現在も元の場所に残っている最初の植物園として一般的に考えられています。これらの植物園は、修道院と関連付けられていた以前の「薬草園」の実用的な価値を受け継ぎ、薬効が疑われる植物を栽培していました。植物園は学問としての植物学の発展を支え、植物園で栽培された植物についての講義が行われました。植物園は北ヨーロッパにはずっと後になってから伝わり、イングランドで最初の植物園は1621 年に設立されたオックスフォード大学植物園でした。 [ 21 ]
ドイツの医師レオンハルト・フックス（1501年 - 1566年）は、神学者オットー・ブルンフェルス（1489年 - 1534年）と医師ヒエロニムス・ボック（1498年 - 1554年）（ヒエロニムス・トラガスとも呼ばれる）とともに、「ドイツ植物学の三大父」の一人である。[ 22 ] [ 23 ]フックスとブルンフェルスは、以前の著作を模倣するという伝統から脱却し、独自の観察を行った。ボックは独自の植物分類体系を作成した。
医師ヴァレリウス・コルドゥス（1515–1544）は、1544年に植物学的にも薬理学的にも重要な薬草書『 Historia Plantarum』を、 1546年には永続的に重要な薬局方『 Dispensatorium』を著した。 [ 24 ]博物学者コンラート・フォン・ゲスナー（1516–1565）と薬草学者ジョン・ジェラード（1545 – 1611年頃）は、植物の薬効とされる用途を扱った薬草書を出版した。博物学者ウリッセ・アルドロヴァンディ（1522–1605）は、植物の研究を含む博物学の父とみなされている。1665年、博学者ロバート・フックは初期の顕微鏡を用いてコルクの中に細胞（彼が作った用語）を発見し、その後まもなく生きた植物組織の中にも細胞を発見した。[ 25 ]
18 世紀には、植物の識別システムが二分法キーに匹敵するものが開発されました。これは、一連の形質のペアを選択することによって、未同定の植物を分類群 (たとえば、科、属、種) に分類するものです。形質の選択と順序は、純粋に識別のために設計されたキー (診断キー) では人為的である場合もあれば、総合キーでは分類群の自然な順序または系統的順序により密接に関連している場合もあります。[ 26 ] 18 世紀までに、新たに発見された国々や世界中のヨーロッパの植民地から、研究用の新しい植物がヨーロッパにますます多く到着するようになりました。1753 年、カール リンネは植物種の階層的分類である『植物種誌』を出版しました。これは、現代の植物命名法の基準点となっています。これにより、最初の名前が属を表し、2 番目の名前が属内の種を識別する標準化された二名法または 2 部構成の命名スキームが確立されました。 [ 27 ]リンネの『性分類体系』では、識別の目的で、雄の生殖器官の数に基づいて植物を24のグループに分類した。24番目のグループである隠花植物には、生殖器官が隠されているすべての植物、すなわちコケ類、ゼニゴケ類、シダ類、藻類、菌類が含まれる。[ 28 ]
植物の解剖学、形態学、ライフサイクルに関する知識の増加により、リンネの人工的な性別分類体系よりも植物間に自然な類似性が多いことが認識されるようになった。アダンソン（1763年）、ド・ジュシュー（1789年）、カンドル（1819年）は、より広い範囲の共通形質を用いて植物を分類するさまざまな代替的な自然分類体系を提案し、広く受け入れられた。カンドルの体系は、形態的複雑性の進行に関する彼の考えを反映しており、19世紀半ばまで影響力を持っていた後のベンサムとフッカーの体系は、カンドルのアプローチの影響を受けている。1859年のダーウィンの『種の起源』の出版と、共通祖先の概念により、カンドルの体系は、単なる形態的類似性とは区別される進化的な関係を反映するように修正する必要が生じた。[ 29 ]
19世紀、植物学は上流階級の女性にとって社会的に受け入れられる趣味でした。彼女たちは世界中から花や植物を収集し、科学的に正確に描きました。これらの絵画は、輸送や他の環境では維持できない多くの種を記録するために使用されました。マリアンヌ・ノースは、水彩画と油絵で900種以上の植物を非常に詳細に描きました。[ 30 ]彼女の作品や他の多くの女性の植物学の作品は、植物学をより広い層に普及させる始まりとなりました。
植物学は、最初の「近代的な」教科書であるマティアス・シュライデンの『科学的植物学の基礎』（1849年に英語でPrinciples of Scientific Botanyとして出版）の登場によって大いに刺激を受けた。[ 31 ]シュライデンは顕微鏡学者であり、初期の植物解剖学者であり、テオドール・シュワンやルドルフ・フィルヒョウと共に細胞説を共同で提唱し、 1831年にロバート・ブラウンによって記述された細胞核の重要性を最初に理解した人物の一人であった。[ 32 ] 1855年、アドルフ・フィックは、生物系における分子拡散速度の計算を可能にするフィックの法則を定式化した。[ 33 ]
グレゴール・メンデル（1822–1884）に端を発する遺伝子染色体遺伝説に基づいて、アウグスト・ヴァイスマン（1834–1914）は、遺伝は配偶子を介してのみ起こることを証明した。他の細胞は遺伝形質を伝えることができない。[ 34 ]キャサリン・エサウ（1898–1997）の植物解剖学の研究は、現代植物学の主要な基礎となっている。彼女の著書『植物解剖学』と『種子植物の解剖学』は、半世紀以上にわたって植物構造生物学の重要な教科書となっている。[ 35 ] [ 36 ]
植物生態学という学問分野は、19 世紀後半に、植物が群落を形成するという仮説を提唱したEugenius Warmingや、その師であり後継者であるChristen C. Raunkiærなどの植物学者によって開拓されました。Raunkiær の植物の生活型を記述する体系は、今日でも使用されています。温帯広葉樹林などの植物群落の構成が生態遷移の過程によって変化するという概念は、Henry Chandler Cowles、Arthur Tansley、Frederic Clementsによって発展しました。Clements は、環境が支えることができる最も複雑な植生として極相植生という考え方を提唱したことで知られており、Tansley は生物学に生態系の概念を導入しました。[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] Alphonse de Candolleの広範な先行研究に基づいて、Nikolai Vavilov (1887–1943) は経済植物の生物地理、起源中心地、進化史に関する記述を作成しました。 [ 40 ]
特に1960年代半ば以降、蒸散（植物組織内での水の輸送）、葉面からの水の蒸発速度の温度依存性、気孔を通る水蒸気と二酸化炭素の分子拡散など、植物の生理学的プロセスの物理学の理解が進歩しました。これらの進歩は、気孔の大きさと光合成速度を測定する新しい方法と相まって、植物と大気間のガス交換速度を正確に記述することを可能にしました。[41][42] ロナルド・フィッシャー[43]、フランク・イェーツ、ロザムステッド実験ステーションの他の人々による統計分析の革新は、植物学研究における合理的な実験計画とデータ分析を促進しました。[ 44 ] 1948年にケネス・V・ティマンによる植物ホルモンであるオーキシンが発見され、同定されたことで、外部から適用された化学物質によって植物の成長を調節することが可能になりました。フレデリック・キャンピオン・スチュワードは、植物ホルモンによって制御されるマイクロプロパゲーションと植物組織培養の技術を開拓した。[ 45 ]合成オーキシンである2,4-ジクロロフェノキシ酢酸または2,4-Dは、最初の市販の合成除草剤の1つであった。[ 46 ]
20 世紀の植物生化学の発展は、分光法、クロマトグラフィー、電気泳動などの有機化学分析の現代的な技術によって推進されてきました。関連する分子スケールの生物学的アプローチである分子生物学、ゲノミクス、プロテオミクス、メタボロミクスの台頭により、植物ゲノムと植物の生化学、生理学、形態、行動のほとんどの側面との関係を詳細な実験的分析の対象とすることができます。[ 47 ] 1902 年にゴットリープ・ハーバーラントが最初に提唱した、すべての植物細胞は全能性があり、試験管内で培養できるという概念[ 48 ]は、最終的に、特定の形質に関与する遺伝子をノックアウトしたり、目的の遺伝子が発現しているときに報告するGFPなどの遺伝子を追加したりするために、遺伝子工学を実験的に使用することを可能にしました。これらの技術により、バイオリアクターで培養された植物全体または植物細胞培養物をバイオテクノロジー的に利用して、殺虫剤、抗生物質、その他の医薬品を合成することが可能になり、収量向上などの特性を持つように設計された遺伝子組み換え作物の実用化も可能になる。 [ 49 ]
現代の形態学は、根、茎（茎節）、葉（葉節）、毛状体という主要な形態学的カテゴリー間の連続性を認識している。[ 50 ]さらに、構造的ダイナミクスを重視している。[ 51 ]現代の系統学は、植物間の系統関係を反映し、発見することを目指している。 [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]現代の分子系統学は、形態学的特徴をほとんど無視し、データとしてDNA配列に依存している。被子植物のほとんどの科のDNA配列の分子分析により、被子植物系統グループは1998年に被子植物の系統を発表し、被子植物の科と種間の関係に関する多くの疑問に答えることができた。[ 56 ] DNAバーコーディングによる植物種と商業品種の識別のための実用的な方法の理論的可能性は、現在活発に研究されている。[ 57 ] [ 58 ]
植物学はいくつかの軸に沿って区分される。
植物学のいくつかの下位分野は、特定の生物群に関連しています。より広い歴史的な意味での植物学に関連する分野には、細菌学、菌類学（または菌類学）、藻類学（それぞれ細菌、菌類、藻類の研究）があり、地衣類学は菌類学の下位分野です。陸上植物（胚植物）の研究としてのより狭い意味での植物学は、植物学と呼ばれます。蘚苔類学は、蘚類（より広い意味では、苔類とツノゴケ類も含む）の研究です。シダ類学（またはシダ植物学）は、シダ類とその近縁植物の研究です。科から亜属までさまざまな階級の他の多くの分類群には、その研究のための用語があり、イネ科植物の研究にはアグロストロジー（またはグラミノロジー）、キク科植物の研究にはシナンテロロジー、イバラの研究にはバトロジーがあります。
研究は、系統群や等級ではなく、ギルドによって分類することもできる。例えば、樹木学は木本植物の研究である。
生物学の多くの分野には植物学の下位分野が存在する。これらは一般的に、接頭辞として「植物」を付けることで表される（例：植物分類学、植物生態学、植物解剖学、植物形態学、植物系統学）。あるいは、接頭辞「phyto-」を付けたり、置き換えたりすることで表される（例：植物化学、植物地理学）。化石植物の研究は古植物学と呼ばれる。その他の分野は、「植物学」という語を追加または置き換えることで表される（例：系統植物学）。
植物社会学は、植物生態学の一分野であり、植物群落を分類・研究する学問である。
上記の2つのカテゴリーに属する分野が交わることで、蘚苔類の分布を研究する蘚苔地理学のような分野が生まれる。
植物のさまざまな部位は、それぞれ独自の分野を生み出しており、例えば、木材学、果実学（または果樹学）、花粉学などが挙げられる。これらはそれぞれ、木材、果実、花粉／胞子を研究する分野である。
植物学は、一方では農業、園芸、林業と重なり合い、他方では医学や薬理学とも重なり合うため、農学、園芸植物学、植物病理学、植物薬理学といった分野が生まれている。
植物の研究は、地球上のほぼすべての動物の生命を支え、人間や好気呼吸を行う他の生物が生存に必要な化学エネルギーを供給する酸素と食料の大部分を生成するため、非常に重要です。植物、藻類、シアノバクテリアは、光合成を行う主要な生物群です。光合成は、太陽光のエネルギーを利用して水と二酸化炭素[ 59 ]を糖に変換し、化学エネルギー源として、また細胞の構造成分に使用される有機分子として利用できるようにしています[ 60 ] 。光合成の副産物として、植物は酸素を大気中に放出します。酸素は、ほぼすべての生物が細胞呼吸を行うために必要なガスです。さらに、植物は地球規模の炭素循環と水循環に影響を与え、植物の根は土壌を結合して安定させ、土壌侵食を防ぎます[ 61 ]。植物は、人々に食料、酸素、生化学物質、製品を提供するだけでなく、土壌を作り、保全するため、人類社会の未来にとって非常に重要です。[ 62 ]
歴史的に、すべての生物は動物か植物に分類されていました[ 63 ]。植物学は、動物とみなされないすべての生物の研究を網羅していました[ 64 ] 。植物学者は、植物の細胞小器官、細胞、組織、植物全体、植物個体群、植物群落の内部機能とプロセスを調べます。これらの各レベルにおいて、植物学者は植物の分類（分類学）、系統発生と進化、構造（解剖学と形態学）、または機能（生理学）に関心を持つことがあります[ 65 ] 。
「植物」の最も厳密な定義には、「陸上植物」または胚植物のみが含まれます。これには、種子植物（マツを含む裸子植物と顕花植物）と、シダ、ヒカゲノカズラ、ゼニゴケ、ツノゴケ、コケ類を含む自由胞子性の隠花植物が含まれます。胚植物は、光合成によって太陽光からエネルギーを得た祖先から派生した多細胞真核生物です。胚植物は、半数体と二倍体の段階が交互に繰り返される生活環を持っています。胚植物の有性半数体段階は配偶体として知られており、少なくともその生活の一部の間、組織内で発達中の二倍体胚胞子体を養育します[ 66 ]。種子植物では、配偶体自体が親胞子体によって養育されます。[ 67 ]植物学者が以前研究していた他の生物群には、細菌（現在は細菌学で研究されている）、菌類（菌類学）－地衣類形成菌類（地衣類学）を含む、非緑藻類（藻類学）、ウイルス（ウイルス学）などがある。しかし、植物学者はこれらのグループにも依然として注目しており、菌類（地衣類を含む）と光合成原生生物は通常、植物学入門コースで扱われる。[ 68 ] [ 69 ]
古植物学者は、植物の進化の歴史に関する情報を得るために、化石記録にある古代の植物を研究します。地球上で最初に酸素を放出する光合成生物であるシアノバクテリアは、初期の真核生物との細胞内共生関係に入り、最終的に植物細胞の葉緑体になったことで、植物の祖先を生み出したと考えられています。新しい光合成植物（および藻類の近縁種）は、シアノバクテリアによって始まった大気中の酸素の増加を加速させ、古代の酸素のない還元的な大気を、20億年以上もの間、自由酸素が豊富な大気に変えました。 [ 70 ] [ 71 ]
21世紀の重要な植物学上の課題には、生命の基本要素であるエネルギー、炭素、酸素、窒素、水の地球規模の循環における一次生産者としての植物の役割、そして植物の管理が資源管理、保全、人間の食料安全保障、生物侵入生物、炭素隔離、気候変動、持続可能性といった地球規模の環境問題への対処にどのように役立つか、といったものがある。[ 72 ]
ほぼすべての主食は、植物による一次生産から直接得られるか、またはそれを食べる動物から間接的に得られます。[ 73 ]植物やその他の光合成生物は、太陽からのエネルギーと土壌や大気からの栄養素を利用して、動物が利用できる形に変換するため、ほとんどの食物連鎖の基盤となっています。生態学者はこれを第一栄養段階と呼んでいます。[ 74 ]麻、テフ、トウモロコシ、米、小麦、その他の穀物、豆類、バナナ、プランテンなどの主要な主食の現代の形態、 [ 75 ]また、繊維用に栽培される麻、亜麻、綿は、何千年にもわたる先史時代の最も望ましい特性を持つ野生の祖先植物の中からの選択の結果です。 [ 76 ]
植物学者は、植物がどのように食物を生産し、例えば植物育種によってどのように収穫量を増やすかを研究しており、その研究は人類が世界に食料を供給し、将来の世代に食料安全保障を提供する能力にとって重要である。[ 77 ]植物学者はまた、農業において大きな問題となっている雑草や、農業および自然生態系における植物病原体の生物学と制御についても研究している。[ 78 ]民族植物学は、植物と人間の関係を研究する学問である。歴史的な植物と人間の関係の調査に適用される場合、民族植物学は考古植物学または古民族植物学と呼ばれることがある。[ 79 ]
植物生化学は、植物が利用する化学プロセスを研究する学問である。これらのプロセスの中には、光合成カルビン回路やベンケイソウ型酸代謝などの一次代謝に利用されるものがある。[ 80 ]また、セルロースやリグニンといった体を作るための特殊な物質や、樹脂や芳香化合物などの二次生成物を作るものもある。
植物やその他さまざまな光合成真核生物群（総称して「藻類」と呼ばれる）は、葉緑体と呼ばれる独自の細胞小器官を持っています。葉緑体は、古代の植物や藻類の祖先と細胞内共生関係を形成したシアノバクテリアの子孫であると考えられています。葉緑体とシアノバクテリアは、青緑色の色素であるクロロフィル a を含んでいます。[ 81 ]クロロフィルa （および植物や緑藻類特有の同族体であるクロロフィルb）[ a ]は、スペクトルの青紫色と橙/赤色の部分を吸収し、これらの生物の特徴的な色として見える緑色の光を反射および透過します。これらの色素が吸収する赤色と青色の光のエネルギーは、葉緑体によって二酸化炭素と水から酸素発生型光合成によってエネルギー豊富な炭素化合物を作るために使用され、このプロセスでは副産物として分子状酸素（O 2 ）が生成されます。
クロロフィルaによって捕捉された光エネルギーは、最初は電子 (後にプロトン勾配)の形であり、一時的にエネルギーを貯蔵および輸送するATPおよびNADPH分子を作るために使用されます。これらのエネルギーは、カルビン回路の光非依存性反応で酵素ルビスコによって使用され、3 炭糖グリセルアルデヒド 3-リン酸(G3P) 分子を生成します。グリセルアルデヒド 3-リン酸は光合成の最初の生成物であり、グルコースおよびほとんどすべての他の生物由来の有機分子が合成される原料です。グルコースの一部はデンプンに変換され、葉緑体に貯蔵されます。[ 85 ]デンプンはほとんどの陸上植物および藻類の特徴的なエネルギー貯蔵であり、フルクトースのポリマーであるイヌリンは、キク科のヒマワリで同じ目的で使用されます。グルコースの一部はスクロース(一般的な食卓砂糖) に変換され、植物の他の部分に輸送されます。
動物（葉緑体を持たない）とは異なり、植物とその真核生物の近縁種は、すべての脂肪酸[ 86 ] [ 87 ]やほとんどのアミノ酸[ 88 ]の合成など、多くの生化学的役割を葉緑体に委ねている。葉緑体が作る脂肪酸は、細胞膜を構成する材料を提供したり、陸上植物を乾燥から守る植物のクチクラに含まれるポリマーであるクチンを作ったりするなど、多くの用途に使われる[ 89 ] 。
植物は、セルロース、ペクチン、キシログルカンなどの多糖類分子[ 90 ]のような独自のポリマーを多数合成し、陸上植物の細胞壁はこれらから構成されています[ 91 ] 。 維管束陸上植物はリグニンを生成します。リグニンは、植物が水分ストレス下で水を吸い込む際に崩壊しないように、木部仮道管と導管の二次細胞壁を強化するために使用されるポリマーです。リグニンは、植物の構造的サポートを提供する厚壁組織繊維などの他の細胞タイプにも使用され、木材の主要構成成分です。スポロポレニンは、陸上植物の胞子と花粉の外側の細胞壁に存在する化学的に耐性のあるポリマーで、化石記録における初期の陸上植物の胞子と種子植物の花粉の生存に関与しています。これは、オルドビス紀における陸上植物の進化の開始のマーカーとして広く認識されています。[ 92 ]今日の大気中の二酸化炭素濃度は、オルドビス紀とシルル紀に植物が陸上に出現した頃よりもはるかに低い。トウモロコシやパイナップルなどの多くの単子葉植物と、キク科などの一部の双子葉植物は、その後、より一般的なC 3炭素固定経路での光呼吸による損失を回避する、ベンケイソウ型酸代謝やC 4炭素固定経路などの光合成経路を独自に進化させてきた。これらの生化学的戦略は陸上植物に特有のものである。
植物化学は、植物が二次代謝中に生成する化学物質を主に扱う植物生化学の一分野です。[ 94 ]これらの化合物の中には、ドクニンジンに含まれるアルカロイドであるコニインのような毒素もあります。ペパーミントオイルやレモンオイルなどの精油は、香料やスパイス（カプサイシンなど）として香りが有用であり、ケシから得られるアヘンのように医薬品としても利用されています。テトラヒドロカンナビノール（大麻の有効成分）、カフェイン、モルヒネ、ニコチンなどの多くの医薬品や娯楽用薬物は、植物から直接得られます。その他は、植物由来の天然物の単純な誘導体です。たとえば、鎮痛剤のアスピリンは、もともとヤナギの樹皮から分離されたサリチル酸のアセチルエステルであり、[ 95 ]ヘロインなどの幅広いオピオイド鎮痛剤は、ケシから得られるモルヒネを化学的に修飾することによって得られます。[ 96 ]一般的な刺激物は、コーヒー、紅茶、チョコレートに含まれるカフェインやタバコに含まれるニコチンなど、植物由来です。ほとんどのアルコール飲料は、大麦（ビール）、米（日本酒）、ブドウ（ワイン）などの炭水化物が豊富な植物性製品の発酵によって作られます。 [ 97 ]ネイティブアメリカンは、何千年もの間、さまざまな植物を病気の治療に利用してきました。[ 98 ]ネイティブアメリカンが植物について持っているこの知識は、民族植物学者によって記録され、その後、製薬会社によって創薬の方法として利用されてきました。[ 99 ]
植物は、赤ワインの赤色の原因となるアントシアニン、リンカーングリーンを作るために一緒に使われるイエローウェルドとブルーウォード、デニムの染色に伝統的に使われる青色染料インディゴの原料であるインドキシル、そして画家の顔料であるガンボージとローズマダーなど、着色染料や顔料を合成することができます。
砂糖、デンプン、綿、麻、麻、一部の種類のロープ、木材とパーティクルボード、パピルスと紙、植物油、ワックス、天然ゴムは、植物組織またはその二次製品から作られる商業的に重要な材料の例です。木炭は、木材の熱分解によって作られる純粋な炭素の形態であり、金属精錬燃料、フィルター材料および吸着剤、芸術材料として長い歴史があり、火薬の3つの成分の1つです。セルロースは、世界で最も豊富な有機ポリマーであり、[ 100 ]エネルギー、燃料、材料、化学原料に変換できます。セルロースから作られる製品には、レーヨンとセロファン、壁紙用糊、バイオブタノール、綿火薬などがあります。サトウキビ、菜種、大豆などは、発酵性の高い糖や油分を多く含み、バイオディーゼルなどの化石燃料の重要な代替燃料であるバイオ燃料の原料として利用されている植物の一部である。[ 101 ]スイートグラスは、ネイティブアメリカンが蚊などの虫を寄せ付けないために使用していた。[ 102 ]スイートグラスの虫除け効果は、後にアメリカ化学会によってフィトールとクマリンという分子に発見された。[ 102 ]
植物生態学は、植物とその生息地（植物がライフサイクル を完了する環境）との間の機能的関係を研究する科学です。植物生態学者は、地域および地方の植物相の構成、生物多様性、遺伝的多様性と適応度、植物の環境への適応、および他の種との競争的または共生的な相互作用を研究します。[ 104 ]生態学者の中には、民族植物学者によって収集された先住民からの経験的データに頼る人もいます。 [ 105 ]この情報は、数千年前の土地がどのような状態であったか、そしてその間にどのように変化したかについて多くの情報を伝えることができます。[ 105 ]植物生態学の目標は、分布パターン、生産性、環境への影響、進化、および環境変化への反応の原因を理解することです。[ 106 ]
植物は環境中の特定の土壌や気候要因に依存しているが、これらの要因を変化させることもできる。例えば、環境のアルベドを変化させたり、流出水の遮断を増やしたり、鉱物土壌を安定させて有機物含有量を増やしたり、局所的な気温に影響を与えたりすることができる。植物は生態系内の他の生物と資源をめぐって競争する。[ 107 ] [ 108 ]植物は、集団、個体群、群集といったさまざまな空間スケールで近隣の生物と相互作用し、それらが集合的に植生を構成する。特徴的な植生タイプと優占植物、類似した非生物的要因と生物的要因、気候、地理を持つ地域が、ツンドラや熱帯雨林のような生物群系を構成する。[ 109 ]
草食動物は植物を食べますが、植物は身を守ることができ、寄生性または肉食性の種もあります。他の生物は植物と相互に有益な関係を形成します。たとえば、菌根菌や根粒菌は植物に栄養を与え、その代わりに食物を受け取ります。アリはアリ植物に雇われて保護を提供します。[ 110 ]ミツバチ、コウモリ、その他の動物は花を受粉します。 [ 111 ] [ 112 ]人間や他の動物[ 113 ]は胞子や種子を散布する媒介者として機能します。
植物の気候やその他の環境変化への反応は、これらの変化が生態系の機能や生産性にどのように影響するかについての理解を深めるのに役立ちます。たとえば、植物の季節現象は、歴史的気候学における気温の有用な指標となり、気候変動や地球温暖化の生物学的影響を理解するのに役立ちます。花粉学、つまり数千年前または数百万年前の堆積物中の化石花粉堆積物の分析は、過去の気候を復元することを可能にします。[ 114 ]古生代以降の大気中のCO2濃度の推定値は、古代の陸上植物の気孔密度と葉の形と大きさから得られています。[ 115 ]オゾン層の破壊は、植物をより高いレベルの紫外線B（UV-B）にさらす可能性があり、その結果、成長速度が低下します。[ 116 ]さらに、群集生態学、植物系統学、分類学の研究からの情報は、植生の変化、生息地の破壊、種の絶滅を理解するために不可欠です。[ 117 ]
植物の遺伝は、他の多細胞生物と同じ遺伝の基本原理に従います。グレゴール・メンデルは、エンドウ豆（Pisum sativum ）の形状などの遺伝形質を研究することで、遺伝の法則を発見しました。メンデルが植物の研究から学んだことは、植物学以外にも大きな恩恵をもたらしました。同様に、「ジャンプ遺伝子」は、バーバラ・マクリントックがトウモロコシを研究しているときに発見されました。 [ 118 ]それにもかかわらず、植物と他の生物の間には、いくつかの明確な遺伝的差異があります。
植物の種境界は動物よりも弱い場合があり、異種間雑種がしばしば発生する。よく知られた例としては、ペパーミント（Mentha × piperita）があり、これはMentha aquaticaとスペアミント（Mentha spicata ）の不稔性雑種である。[ 119 ]栽培されている多くの小麦の品種は、野生種とその雑種間の複数の種間および種内交雑の結果である。[ 120 ]雌雄同株の花を持つ被子植物は、花粉と柱頭の間で自家不和合性メカニズムが働くことが多く、花粉が柱頭に到達しないか、発芽して雄性配偶子を生成しないかのいずれかである。[ 121 ]これは、植物が他家受粉を促進するために使用するいくつかの方法の1つである。[ 122 ]多くの陸上植物では、雄性配偶子と雌性配偶子は別々の個体によって生成される。これらの種は、維管束植物の胞子体に関しては雌雄異株であり、蘚苔類の配偶体に関しては雌雄異株であると言われている。[ 123 ]
チャールズ・ダーウィンは、1878年に出版した著書『植物界における交雑と自家受精の影響』[ 124 ]の第12章の冒頭で、「本書に示された観察から導き出せる最初の、そして最も重要な結論は、少なくとも私が実験した植物においては、一般的に交雑受精は有益であり、自家受精はしばしば有害であるということである」と述べている。異系交配の重要な適応上の利点は、子孫のゲノムにおける有害な突然変異を隠蔽できることである。この有益な効果は、雑種強勢またはヘテロシスとしても知られている。異系交配が確立されると、その後近親交配に切り替えることは、以前は隠蔽されていた有害な劣性突然変異の発現を許容するため、不利になる。これは一般に近親交配弱勢と呼ばれる。
高等動物では単為生殖はまれですが、植物では無性生殖がいくつかの異なるメカニズムで起こることがあります。ジャガイモの茎塊の形成はその一例です。特に北極圏や高山地帯など、動物による受精の機会が少ない場所では、花の代わりに小植物や球根が発達し、有性生殖が無性生殖に置き換わり、親と遺伝的に同一のクローン集団が生じることがあります。これは植物で起こるいくつかのタイプの無融合生殖の1つです。無融合生殖は種子でも起こり、親と遺伝的に同一の胚を含む種子が作られます。[ 125 ]
ほとんどの有性生殖生物は二倍体で、対になった染色体を持つが、細胞質分裂のエラーにより染色体数が倍加することがある。これは発生の初期に起こり、自家倍数体または部分的に自家倍数体の生物を生み出す場合もあれば、細胞分化の通常の過程で倍数体である細胞型（内倍数性）を生み出す場合、または配偶子形成中に起こる場合もある。異質倍数体植物は、2つの異なる種間の交雑によって生じる可能性がある。自家倍数体植物と異質倍数体植物はどちらも正常に繁殖できることが多いが、染色体数の不一致のため、親集団とうまく交配できない場合がある。親種から生殖的に隔離されているが、同じ地理的領域内に生息するこれらの植物は、新しい種を形成するのに十分な成功を収める可能性がある。[ 126 ]通常は不稔性の植物倍数体の中には、栄養繁殖または種子無融合によって繁殖し、同一個体のクローン集団を形成するものもある。[ 126 ]デュラム小麦は稔性のある四倍体異質倍数体であり、パン小麦は稔性のある六倍体である。商業用バナナは不稔性で種なしの三倍体雑種の例である。一般的なタンポポは無融合生殖によって発芽可能な種子を生産する三倍体である。
他の真核生物と同様に、植物におけるミトコンドリアや葉緑体などの細胞内共生器官の遺伝はメンデルの法則に従わない。葉緑体は裸子植物では雄親から遺伝するが、被子植物では雌親から遺伝することが多い。[ 127 ]
植物の機能に関するかなりの量の新しい知識は、アブラナ科（ Brassicaceae）の雑草種であるシロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana ）などのモデル植物の分子遺伝学の研究から得られています。 [ 94 ]この種の遺伝子に含まれるゲノムまたは遺伝情報は、約1億3500万塩基対のDNAによってコード化されており、顕花植物の中で最も小さいゲノムの1つを形成しています。シロイヌナズナは、2000年にゲノムが解読された最初の植物です。[ 128 ]イネ（ Oryza sativa）[ 129 ]やブラキポディウム・ディスタキオン[ 130 ]など、他の比較的小さなゲノムの解読により、穀物、イネ科植物、および一般的に単子葉植物の遺伝学、細胞生物学、分子生物学を理解するための重要なモデル種となっています。
シロイヌナズナなどのモデル植物は、植物細胞と葉緑体の分子生物学の研究に使用されます。理想的には、これらの生物は、ゲノムが小さく、ゲノムが十分に知られているか、完全に配列決定されており、背丈が低く、世代時間が短いです。トウモロコシは、C4植物の光合成と糖の師部への負荷のメカニズムを研究するために使用されてきました。[ 131 ]単細胞の緑藻クラミドモナス・ラインハルディは、それ自体は胚植物ではありませんが、陸上植物の葉緑体に関連する緑色の色素を持つ葉緑体を含んでいるため、研究に役立ちます。 [ 132 ]紅藻シアニディオシゾン・メロラエも、葉緑体の基本的な機能を研究するために使用されています。[ 133 ]ホウレンソウ、[ 134 ]エンドウ豆、[ 135 ]大豆、およびコケの一種であるPhyscomitrella patens は、植物細胞生物学の研究によく用いられます。[ 136 ]
土壌根圏細菌であるアグロバクテリウム・ツメファシエンスは、植物細胞に付着し、水平遺伝子伝達によってカルス誘導Tiプラスミドを感染させ、クラウンゴール病と呼ばれるカルス感染を引き起こす。SchellとVan Montagu（1977）は、Tiプラスミドがマメ科植物や他の植物種の根粒における窒素固定に関与するNif遺伝子を導入するための自然なベクターである可能性があると仮説を立てた。 [ 137 ]今日、Tiプラスミドの遺伝子改変は、植物へのトランスジーンの導入と遺伝子組み換え作物の作成のための主要な技術の1つとなっている。
エピジェネティクスは、 DNA配列の変化では説明できない遺伝子機能の遺伝的変化を研究する分野であり[ 138 ]、生物の遺伝子の挙動（または「発現」）を異なって変化させる[ 139 ] 。エピジェネティック変化の一例として、 DNAメチル化による遺伝子のマーキングがあり、これにより遺伝子が発現するかどうかが決まる。遺伝子発現は、DNAのサイレンサー領域に結合してそのDNAコードの領域の発現を阻害する抑制タンパク質によっても制御される。エピジェネティックマークは、植物の発生のプログラムされた段階でDNAに追加または除去されることがあり、例えば、葯、花弁、通常の葉はすべて同じ遺伝コードを持っているにもかかわらず、それらの違いの原因となっている。エピジェネティック変化は一時的なものもあれば、細胞の寿命が尽きるまで連続する細胞分裂を経て残るものもある。エピジェネティック変化の中には遺伝するものもある[ 140 ]が、生殖細胞でリセットされるものもある。
真核生物の生物学におけるエピジェネティックな変化は、細胞分化の過程を制御する役割を果たします。形態形成の過程で、全能性幹細胞は胚の様々な多能性細胞系統となり、それがさらに完全に分化した細胞となります。単一の受精卵細胞である接合子は、分裂を続けるにつれて、柔組織、木部導管要素、篩管、表皮の孔辺細胞など、多くの異なる植物細胞型を生み出します。この過程は、一部の遺伝子のエピジェネティックな活性化と他の遺伝子の抑制によって生じます。[ 141 ]
動物とは異なり、多くの植物細胞、特に柔組織の細胞は最終分化せず、全能性を保ち、新しい個体植物を生み出す能力を持つ。例外としては、高度にリグニン化した細胞、成熟時に死滅する厚壁組織と木部、核を持たない師管などがある。植物はクロマチンリモデリングなど、動物と同じエピジェネティック機構を多く利用しているが、別の仮説として、植物は環境や周囲の細胞からの位置情報を用いて遺伝子発現パターンを設定し、発生運命を決定するというものがある。[ 142 ]
エピジェネティックな変化は、メンデル遺伝の法則に従わないパラミューテーションを引き起こす可能性があります。これらのエピジェネティックなマークは、一方のアレルが他方のアレルに変化を誘発することで、世代から世代へと受け継がれます。 [ 143 ]
植物の葉緑体は、シアノバクテリア（一般的に「藍藻」として知られているが、これは誤りである）と多くの生化学的、構造的、遺伝的類似点があり、祖先の真核細胞とシアノバクテリアの常在菌との間の古代の内部共生関係に由来すると考えられている。[ 144 ] [ 145 ] [ 146 ] [ 147 ]
藻類は多系統群であり、さまざまな門に分類され、植物に近縁なものもあれば、そうでないものもあります。細胞壁の構成、生化学、色素、葉緑体構造、栄養貯蔵などの特徴において、藻類間には多くの違いがあります。緑藻門Chlorophytaの姉妹群である藻類門Charophytaは、真の植物の祖先を含むと考えられています。[ 148 ]シャジクモ綱Charophyceaeと陸上植物亜界Embryophytaは、共に単系統群またはクレードStreptophytinaを形成します。[ 149 ]
非維管束陸上植物は、維管束組織である木部と篩部を持たない胚植物である。これには、蘚類、苔類、ツノゴケ類が含まれる。真の木部と篩部を持ち、胞子が発芽して自由生活性の配偶体となることで繁殖するシダ植物は、シルル紀に進化し、シルル紀後期からデボン紀前期にかけていくつかの系統に分化した。ヒカゲノカズラ類の代表種は現在まで生き残っている。デボン紀末までに、ヒカゲノカズラ類、ツノゴケ類、前裸子植物などいくつかのグループが、それぞれ独立して「大胞子性」を進化させた。これらの植物の胞子は、大胞子と小胞子という2つの異なる大きさを持っていた。それらの縮小した配偶体は、胞子体の胞子形成器官（大胞子嚢）内に保持された大胞子から発達し、内生胞子として知られる状態である。種子は、1つまたは2つの鞘層（外皮）に囲まれた内生胞子性大胞子嚢から構成される。若い胞子体は種子内で発達し、発芽時に種子が分裂して胞子体を放出する。最も古い種子植物は、デボン紀後期のファメニアン期に遡る。[ 150 ] [ 151 ]種子の習性の進化に伴い、種子植物は多様化し、種子シダ類や現代の裸子植物、被子植物など、現在絶滅した多くのグループを生み出した。 [ 152 ]裸子植物は、子房に完全に包まれていない「裸の種子」を生成する。現代の代表種には、針葉樹、ソテツ類、イチョウ、グネツム類などがある。被子植物は、心皮や子房などの構造に包まれた種子を生産する。[ 153 ] [ 154 ]現生植物の分子系統学に関する進行中の研究は、被子植物が裸子植物の姉妹クレードであることを示しているようだ。 [ 155 ]
植物生理学は、生命に関連する植物の内部の化学的および物理的活動すべてを包含します。[ 156 ]空気、土壌、水から得られる化学物質は、すべての植物代謝の基礎を形成します。酸素発生型光合成によって捕捉され、細胞呼吸によって放出される太陽光のエネルギーは、ほぼすべての生命の基礎です。すべての緑色植物、藻類、シアノバクテリアを含む光合成独立栄養生物は、光合成によって太陽光から直接エネルギーを得ます。すべての動物、すべての菌類、すべての完全寄生植物、非光合成細菌を含む従属栄養生物は、光合成独立栄養生物によって生成された有機分子を取り込み、呼吸するか、細胞や組織の構築に使用します。 [ 157 ]呼吸は、炭素化合物をより単純な構造に分解して、それらに含まれるエネルギーを放出することによって炭素化合物を酸化するものであり、本質的には光合成の逆です。[ 158 ]
植物内では、さまざまな空間スケールで機能する輸送プロセスによって分子が移動します。イオン、電子、水や酵素などの分子の細胞内輸送は、細胞膜を介して行われます。ミネラルと水は、蒸散流によって根から植物の他の部分に輸送されます。拡散、浸透、能動輸送、質量流はすべて、輸送が行われるさまざまな方法です。[ 159 ]植物が輸送する必要のある元素の例としては、窒素、リン、カリウム、カルシウム、マグネシウム、硫黄などがあります。維管束植物では、これらの元素は根によって可溶性イオンとして土壌から抽出され、木部を通って植物全体に輸送されます。植物の栄養に必要な元素のほとんどは、土壌ミネラルの化学的分解から得られます。[ 160 ]光合成によって生成されたスクロースは、師管を通って葉から植物の他の部分に輸送され、植物ホルモンはさまざまなプロセスによって輸送されます。
植物は受動的ではなく、光、接触、損傷などの外部信号に反応して、刺激に向かって動いたり、刺激から遠ざかったりします。触覚感受性の具体的な証拠としては、オジギソウの小葉がほぼ瞬時に縮むこと、ハエトリソウやタヌキモの昆虫捕虫器、ランの花粉塊などがあります。[ 162 ]
植物の成長と発達が植物ホルモンまたは植物成長調節物質によって調整されるという仮説は、19 世紀後半に初めて現れました。ダーウィンは、植物の芽と根が光[ 163 ]と重力に向かって動くことを実験し、「根の先端が…下等動物の脳のように働き…さまざまな動きを指示していると言っても過言ではない」と結論付けました[ 164 ] 。ほぼ同時期に、植物の成長を制御するオーキシン(ギリシャ語のauxein、成長する) の役割が、オランダの科学者フリッツ・ウェントによって初めて概説されました[ 165 ]。細胞の成長を促進する最初のオーキシンであるインドール-3-酢酸(IAA) は、約 50 年後に植物から単離されました[ 166 ] 。この化合物は、芽と根が光と重力に向かって屈性反応を示すことを媒介します。[ 167 ] 1939年にIAAを含む培養液中で植物カルスを維持できることが発見され、続いて1947年に成長ホルモンの濃度を制御することで根や芽を形成させることができることが観察されたことは、植物バイオテクノロジーと遺伝子改変の発展における重要なステップであった。[ 168 ]
サイトカイニンは、細胞分裂（特に細胞質分裂）を制御することから名付けられた植物ホルモンの一種です。天然のサイトカイニンであるゼアチンはトウモロコシ（Zea mays）で発見され、プリン塩基であるアデニンの誘導体です。ゼアチンは根で生成され、木部を通って茎に運ばれ、そこで細胞分裂、芽の発達、葉緑体の緑化を促進します。[ 169 ] [ 170 ]ジベレリン類（ジベレリン酸など）は、メバロン酸経路を介してアセチルCoAから合成されるジテルペンです。これらは、種子の発芽と休眠打破の促進、茎の伸長を制御することによる植物の高さの調節、および開花の制御に関与しています。[ 171 ]アブシジン酸（ABA）は、ゼニゴケ類を除くすべての陸上植物に存在し、葉緑体やその他の色素体内のカロテノイドから合成されます。エチレンは、すべての高等植物組織でメチオニンから生成される気体ホルモンです。現在では、果実の成熟と離層形成を刺激または調節するホルモンであることが知られており、 [ 173 ] [ 174 ]エチレン、またはエチレンを生成するために急速に代謝される合成成長調節剤エテホンは、綿、パイナップル、その他のクライマクテリック作物の成熟を促進するために工業規模で使用されています。
植物ホルモンのもう1つのクラスはジャスモン酸類で、最初にジャスミン（Jasminum grandiflorum）の油から単離されました[ 175 ]。これは、病原体の攻撃に対する全身獲得抵抗性反応に必要な遺伝子の発現を阻害解除することにより、植物の傷に対する反応を調節します[ 176 ] 。
光は植物の主要なエネルギー源であるだけでなく、植物に毎日どれだけの日光を受けるかなどの情報を提供する信号伝達装置としても機能します。これにより、光形態形成と呼ばれるプロセスで適応的な変化が生じる可能性があります。フィトクロムは、植物の光に敏感な光受容体です。[ 177 ]
植物解剖学は植物細胞と組織の構造の研究であり、植物形態学はそれらの外部形態の研究である。[ 178 ] すべての植物は多細胞真核生物であり、DNAは核に保存されている。[ 179 ] [ 180 ]植物細胞を動物や菌類の細胞と区別する特徴としては、セルロース、ヘミセルロース、ペクチンの多糖類からなる一次細胞壁[ 181 ]、動物細胞よりも大きな液胞、葉緑体のように独自の光合成および生合成機能を持つ色素体の存在などが挙げられる。他の色素体には、デンプン（アミロプラスト）や脂質（エライオプラスト）などの貯蔵物質が含まれている。ストレプト植物細胞と緑藻類のトレントポリアレス目[ 182 ]の細胞は、細胞分裂の後期に細胞板を構築するためのテンプレートとしてフラグモプラストを構築することによって分裂するという点で独特である。[ 85 ]
ヒカゲノカズラ類、シダ類、種子植物（裸子植物と被子植物）などの維管束植物の体には、一般的に地上部と地下部のサブシステムがあります。地上部は、緑色の光合成を行う葉と生殖器官を持つ茎から構成されています。地下の維管束を持つ根は、先端に根毛を持ち、一般的に葉緑素を欠いています。 [ 184 ]非維管束植物であるゼニゴケ類、ツノゴケ類、コケ類は、地中を貫く維管束根を形成せず、植物の大部分が光合成に関与しています。[ 185 ]ゼニゴケ類の胞子体世代は光合成を行いませんが、コケ類やツノゴケ類では光合成によってエネルギー需要の一部を賄うことができる場合があります。[ 186 ]
根系と茎系は相互依存の関係にあり、通常は光合成を行わない根系は茎系から栄養を、通常は光合成を行う茎系は根系から水とミネラルを供給されます。[ 184 ]各系の細胞は、他の系の細胞を生成し、不定芽や不定根を生じさせることができます。[ 187 ]匍匐茎や塊茎は、根を生やすことができる芽の例です。[ 188 ]ヤナギのように地表近くに広がる根は、芽を生じさせ、最終的には新しい植物を生み出すことができます。[ 189 ]どちらかの系が失われた場合でも、多くの場合、もう一方の系がそれを再生することができます。実際、 Streptocarpus sectの植物のように、一枚の葉から植物全体を成長させることも可能です。セントポーリア[ 190 ]、あるいは単一の細胞でさえ、カルス（未分化細胞の塊）に脱分化して新しい植物に成長することができる。 [ 187 ]維管束植物では、木部と篩部は、茎と根の間で資源を輸送する導管組織である。根は、砂糖やデンプンなどの食物を貯蔵するように適応していることが多く、テンサイやニンジン[ 189 ]のように。[ 184 ]
茎は主に葉や生殖器官を支える役割を果たしますが、サボテンなどの多肉植物では水を蓄えたり、ジャガイモの塊茎のように食物を蓄えたり、イチゴの匍匐茎や取り木のように栄養繁殖を行うこともあります。[ 191 ]葉は日光を集めて光合成を行います。[ 192 ]大きくて平らで柔軟な緑色の葉は葉と呼ばれます。[ 193 ]針葉樹、ソテツ、イチョウ、グネツム類などの裸子植物は、種子が開いた種子を生産する植物です。[ 194 ]被子植物は、花を咲かせ種子が包まれた種子を生産する植物です。[ 153 ]ツツジやオークなどの木本植物は、二次成長段階を経て、木部（二次木部）と樹皮（二次篩部とコルク）という2種類の組織が新たに形成されます。裸子植物と被子植物の多くは木本植物である。[ 195 ]植物の中には有性生殖するもの、無性生殖するもの、そして両方の方法で繁殖するものもある。[ 196 ]
根、茎、葉、毛状体などの主要な形態学的カテゴリーを参照することは有用であるが、これらのカテゴリーは中間形態を介して連結されているため、カテゴリー間に連続性が生じることを念頭に置く必要がある。[ 197 ]さらに、構造はプロセス、すなわちプロセスの組み合わせとして見ることができる。[ 51 ]
系統植物学は系統生物学の一部であり、生物の範囲と多様性、およびそれらの関係、特に進化の歴史によって決定されるものに関心があります。[ 198 ]生物分類、科学的分類学、系統発生学に関係しています。 生物分類は、植物学者が生物を属や種などのカテゴリーにグループ化する方法です。 生物分類は科学的分類学の一形態です。 現代の分類学は、共通の身体的特徴に基づいて種をグループ化したカール・リンネの研究に根ざしています。 これらのグループ化はその後、共通祖先のダーウィン原理、つまり表面的な特徴ではなく祖先によって生物をグループ化するという原理によりよく沿うように修正されました。科学者は生物をどのように分類するかについて常に合意しているわけではありませんが、DNA配列をデータとして使用する分子系統学は、進化の方向に沿って最近の多くの修正を推進しており、今後もそうし続ける可能性が高いです。 支配的な分類システムはリンネ分類学と呼ばれています。これには階級と二名法が含まれる。植物生物の命名法は藻類、菌類、植物の国際命名規約（ICN）に成文化されており、国際植物学会議によって管理されている。[ 199 ] [ 200 ]
植物界は真核生物ドメイン に属し、各種が個別に分類されるまで再帰的に細分化されます。順序は、界、門（または綱）、綱、目、科、属（複数形は属）、種です。植物の学名は、その属とその属内の種を表し、各生物に対して世界共通の単一の名前となります。[ 200 ]例えば、オニユリは Lilium columbianum です。Liliumは属名、columbianum は種小名です。この組み合わせが種名です。生物の学名を書くときは、属名の最初の文字を大文字にし、種小名全体を小文字にするのが適切です。さらに、通常は用語全体をイタリック体で表記します（イタリック体が使用できない場合は下線を引きます）。[ 201 ] [ 202 ] [ 203 ]
生物群の進化上の関係と遺伝は、その系統発生と呼ばれます。系統発生学的研究は、系統発生を発見しようとします。基本的なアプローチは、共有遺伝に基づく類似性を使用して関係を決定することです。[ 204 ]例えば、ペレスキア属の種は、目立つ葉を持つ木または低木です。それらは、エキノカクタスのような典型的な葉のないサボテンとは明らかに似ていません。しかし、ペレスキア属とエキノカクタス属の両方が、刺座（高度に特殊化したパッド状の構造）から棘を生成していることから、この2つの属は実際に関連していることが示唆されます。[ 205 ] [ 206 ]
共通の形質に基づいて関係性を判断するには注意が必要です。なぜなら、植物は収斂進化によって互いに似てくることがあり、その過程で形質が独立して生じた可能性があるからです。トウダイグサ属の中には、球状のサボテンと同様に、葉がなく丸い体で水分保持に適応しているものがありますが、花の構造などの形質から、この2つのグループが近縁ではないことは明らかです。系統分類法は、形質に対して体系的なアプローチを取り、共通の進化の歴史に関する情報を持たない形質（異なるグループで別々に進化したもの（相同形質）や祖先から受け継がれたもの（祖先形質）など）と、共通の祖先における革新から受け継がれた派生形質（派生形質）を区別します。サボテンの棘を生成する刺座などの派生形質のみが、共通の祖先からの子孫である証拠となります。系統分類分析の結果は、系統樹（進化の分岐と子孫のパターンを示す樹状の図）として表されます。[ 207 ]
1990年代以降、現生植物の系統樹構築における主流のアプローチは分子系統学であり、棘や刺座の有無といった形態的特徴ではなく、分子的特徴、特にDNA配列を用いる。違いは、遺伝暗号自体が進化上の関係を決定するために用いられるのに対し、遺伝暗号はそれが生み出す特徴を介して間接的に用いられるのである。クライヴ・ステイスはこれを「進化の遺伝的基盤に直接アクセスできる」と表現している。[ 208 ]簡単な例として、遺伝学的証拠が用いられる以前は、菌類は植物であるか、あるいは動物よりも植物に近いと考えられていた。遺伝学的証拠は、多細胞生物の真の進化上の関係は下の系統樹に示されている通りであり、菌類は植物よりも動物に近いことを示唆している。[ 209 ]
1998年、被子植物系統分類グループは、ほとんどの被子植物科のDNA配列の分析に基づいて、被子植物の系統分類を発表しました。この研究の結果、どの科が被子植物の最も初期の分岐を表しているかなど、多くの疑問が解決されました。[ 56 ]植物種が互いにどのように関連しているかを調査することで、植物学者は植物の進化の過程をよりよく理解することができます。[ 210 ]モデル植物の研究やDNA証拠の利用の増加にもかかわらず、分類学者の間では、植物をさまざまな分類群にどのように分類するのが最適かについて、継続的な研究と議論が行われています。[ 211 ]コンピュータや電子顕微鏡などの技術開発により、研究できる詳細レベルとデータ分析の速度が大幅に向上しました。[ 212 ]
植物学では現在も使われている記号がいくつかあります。その他多くの記号は廃れています。例えば、リンネは、惑星の公転周期が2年、12年、30年であることから、二年草には惑星記号⟨♂⟩ （火星）、草本多年生植物には⟨♃⟩ （木星）、木本多年生植物には⟨♄⟩ （土星）を使用しました。また、ウィルドは、雌雄同体を表す⟨☿⟩ （水星）に加えて、中性を表す⟨♄⟩（土星）を使用しました。[ 213 ]以下の記号は現在も使用されています。[ 214 ]
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