第三章细胞全能性

第三章 细胞全能性与形态发生主要内容 细 胞的全能性及其实现途径 脱分化与再分化 形态发生途径 器官发生途径体细胞胚途径一、细胞的全能性 全能性：一个细胞所具有的产生完整生物个体的固有能力称之为细胞的全能性。 细胞学说：细胞是生物体结构和功能的基本单位 遗传学理论：细胞具有生物体全部的遗传物质一、细胞的全能性 细胞 全能性的绝对性与相对性 : 不同细胞全能性的表现程度存在明显的差异（动、植物细胞差异尤其明显）。 即使是植物细胞，细胞全能性也并不意味着任何细胞均可以直接产生植物个体。二、植物细胞的分类（依全能性） 第一类：始终保持分裂能力的细胞如茎尖、根尖及形成层细胞 最容易体现全能性 第二类：永久失去分裂能力的细胞如筛管、导管、气孔保卫细胞 等特化细胞 最难实现全能性 第三类： Go细胞如表皮细胞及各种薄壁细胞 容易实现全能性 总之，细胞分化程度越高，表达全能性越难。 植物细胞全能性表现根据细胞类型不同从强到弱 : 营养生长中心 形成层 薄壁细胞 厚壁细胞 (木质化细胞 ) 特化细胞 (筛管、导管细胞 )； 根据细胞所处的组织不同从强到弱为： 顶端分生组织 居间分生组织 侧生分生组织 薄壁组织 (基本组织 ) 厚角组织 输导组织 厚壁组织。 三、细胞全能性的实现 1、细胞实现全能性必须具备两方面的条件： 内在 ：具有全能性 死细胞 外在：脱离生物体 （摆脱整体的控制）培养条件 （特别是激素的作用）三、细胞全能性的实现 2、细胞实现全能性的过程：通过脱分化和再分化 脱分化（ dedifferentiation）：培养条件下使一个已分化的细胞回复到原始无分化状态或分生细胞状态的过程。 再分化（ redifferentiation）：脱分化以后的无序生长的细胞及其愈伤组织重新进入有序生长进而再生生物个体的过程。（愈伤组织：离体培养条件下由外植体细胞形成的一团疏松的薄壁细胞团，具分裂能力，处于分生状态。）愈伤组织示意图第二节 脱分化与再分化 脱分化和再分化是 培养条件 下的现象。 脱分化的特征 脱分化的过程 脱分化的机理 脱分化的结果一、脱分化（一）、脱分化的特征 中央大液泡 消失（出现蛋白体） 核小，位于边缘 体积增大，移至中央 叶绿体 原质体（基粒片层解体出芽） 细胞质密度低 内膜细胞器显著增加，胞质变浓 其中， 液泡消失和叶绿体的转变是脱分化的重要特征 。（二）、脱分化的过程 启动阶段：现为细胞质增生，并开始向细胞中央伸出细胞质丝，液泡蛋白体出现； 演变阶段：此时细胞核开始向中央移动，质体演变成原质体； 终结阶段：细胞回复到分生细胞状态，细胞其始分裂和进行分化。 （三）、脱分化的机理细胞周期对脱分化的调控激素诱导表达基因与细胞脱分化 PSK的发现及其对细胞脱分化的影响细胞脱分化与染色体解凝聚（促分裂肽）（三）、脱分化的机理 1. 细胞周期与脱分化 细胞脱分化调控的实质 :即是 G0期细胞回复到分裂周期的 调控过程 。 细胞周期检验点； cyclin-CDK 植物细胞周期的调控主要有 2类 CDK（ CDKa、 CDKb）和 2类 cyclin（ CycB、 CycD）。 CDKa/CycD磷酸化 Rb（ G1期限制点调控分子），使细胞通过 “限制点 ”进入分裂周期。 CDKb与 CycB以及相关的调节蛋白完成从 S期到 M期的调控。 （三）、脱分化的机理 2. 植物激素与脱分化 生长素类： IAA、 NAA、 2,4-D、 IBA 细胞分裂素类： KT、 6-BA、 ZT、 2ip 赤霉素类： GA3 脱落酸： ABA 乙烯：（三）、脱分化的机理 2. 植物激素与脱分化 植物激素诱导表达的一些基因，其产物启动了细胞的脱分化。 例： Takahashi等（ 1989）从一个叶肉原生质体 cDNA文库中分离到一个 2,4-D诱导表达的基因，命名为 par。 par基因在细胞 从G0期转入 S期的早期启动中 具有功能性作用。 培养材料接种到含 2， 4-D培养基中 30min，检测到 par的表达，细胞周期研究表明在 DNA合成之前。 植物激素不直接作用于 DNA，而是通过其受体蛋白的信号转导途径起作用。（四）、脱分化的结果 细胞脱分化是细胞状态的改变，成功的脱分化绝大多数情况下导致细胞的分裂，通过分裂形成 愈伤组织 。 细胞初期分裂方式与外植体细胞类型有关。为正常二倍体细胞，第一次分裂通常是有丝分裂；含有高倍化细胞，第一次分裂可能是有丝分裂，也可能是无丝分裂。 有些外植体的细胞脱分化以后直接形成胚性细胞进而形成体细胞胚 。 在极少数情况下脱分化细胞会不经分裂直接分化形成其他类型的细胞。（ 转分化 ）体细胞胚 离体培养下没有经过受精过程，但经过了胚胎发育过程所形成的胚的类似物（不管培养的细胞是体细胞还是生殖细胞），统称为体细胞胚或胚状体。（四）、脱分化的结果 脱分化与愈伤组织的形成在性质上是不能等同的，脱分化是细胞生理状态的改变 ，而 形成愈伤组织是离体培养中的一个阶段。 尽管细胞脱分化后进入细胞分裂的结果，在大多数情况下是形成愈伤组织，但绝 不是说所有的细胞脱分化的结果都必然形成愈伤组织。(五 )、愈伤组织的形成与调控 愈伤组织的形成过程 愈伤组织的类型 愈伤组织的增殖 愈伤组织的应用愈伤组织的筛选1. 愈伤组织的形成过程 Yeoman（ 1973）划分为 3个时期： 诱导期（脱分化）： 分裂期：外植体 外层细胞开始分裂，中间部分静止 形成期： 内部细胞分裂，形成瘤状 、片状分生组织（又称分生组织节），是愈伤组织生长中心。1. 愈伤组织的形成过程分裂期分裂期 形成期形成期2. 愈伤组织的类型 王海波（ 1991）根据禾本科植物愈伤组织的特征将其分为三种类型，现在广为借用。 型：结构致密、生长缓慢、容易分化苗 保守分裂型 型：结构松脆、生长旺盛、色泽艳 亢奋分裂型 型：结构松脆、生长缓慢 衰败型2. 愈伤组织的类型结构致密结构致密 结构松脆结构松脆2. 愈伤组织的类型结构致密结构致密结构松脆结构松脆组织培养图片展香石竹菊花花托百合根2. 愈伤组织的类型 愈伤组织类型的影响因子： 取材（外植体） : 培养基中的 氮源 形态 : NH4+促进细胞分裂 ， NO3-抑制细胞分裂 激素 ： 生长素促进 型 (亢奋分裂型 )，细胞分裂素促进 型。3. 愈伤组织的增殖