（植物学专业论文）拟南芥（arabidopsis+thaliana）等三种被子植物幼苗的结构、发育和演化分析.pdf

中文摘要 幼苗是植物个体发育中的一个重要阶段，关于幼苗的外部形态以及分类类型已有详细的报 道，但对于幼苗的内部结构尤其是初生维管系统的发生、分化与连接以及器官的发生与建成等方 面却缺乏详细的报道。因此，本文以拟南芥等三种代表植物的幼苗为材料，通过共聚焦激光扫描显 微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、超薄切片、石蜡切片和整体透明等技术和方法详细探 讨了其初生维管系统中导管分子发育的时空性以及桔梗幼苗茎端分生组织的发育方式等问题。其 主要结论如f ： 1 揭示了拟南芥、桔梗和辽藁本幼苗轴向器官中初生维管系统中导管分子发育的时空性， 即首先于子叶节区的导管分子建立，然后向下形成f 胚轴一根的导管分子，最后向上通过子叶节 医中、上部的导管分子与上胚轴一苗区的导管分子连接。 2 首次揭示拟南芥和桔梗幼苗导管分子( 包括轴向器官和侧生器官) 的起始位点，并发现 其存在着差异性：拟南芥于子时节区下部首先启动导管分f 的分化，然后是子叶叶片中部偏下方 启动导管分子的分化：而桔梗子叶叶片中首先启动导管分子的分化。这种导管启动位点的不同可 能与生长素流的浓度和流向有关。 3 通过对三种幼苗子叶节区与上胚轴一苗区初生维管系统的连接方式的研究发现：拟南芥、 桔梗通过子叶节区中、上部薄壁细胞转分化完成导管分子的连接；辽藁本通过子叶节区中、上部 的分生组织性组织完成连接。 4 从三种幼苗子叶节区下部的中柱类型看出：拟南芥为中始式二原型圆形单中枉；桔梗为 外始式二原型“一”字形单中柱；辽藁本为中始式二原型双凹形单中柱。 5 通过对f 叶脉序类型的研究发现：拟南芥为简单的羽状环缘脉；辽藁本为三出叉状脉。 这两种脉序可为脉序类型的补充。 6 揭示了桔梗幼苗莲端分生组织的发育动态：茎端分生组织发育初期细胞数目少没有组 织分区现象；第一对真叶至第七对真叶时期，茎端为一凹陷的杯状区域，于凹陷区域的基部为茎 端分生组织，具有组织分区特征，同裸子植物苗端的柳杉一云杉型，且中央母细胞区细胞数目较 少，分裂的速度较慢，因此向周围分生组织和肋状分生组织填充细胞的速度也比较慢，故叶原基 和茎的生长速度也慢。至第八对叶原基产生后，茎端分生组织才稍微隆起，细胞数目增多。 此研究结果不仅揭示了幼苗个体发育中结构的多样性特征，也为系统演化分析提供了新的佐 证，同时能为研究其它幼苗的发育以及进一步从生理生化和分子方面研究幼苗的发育提供新的参 考资料。 关键词：幼苗，初生维管系统，导管分子，茎端分生组织，结构，分化，演化 a b s t r a c t s e e d l i n gi sa ni m p o r t a n ts t a g ei nt h ei n d i v i d u a ld e v e l o p m e n to fp l a n t t h e r ea r eal o to fd e t a i l e d r e p o r t sf o rt h em o r p h o l o g ya n dc l a s s i f i c a t i o no fs e e d l i n g , b u tf e wf o ri t ss t r u c t u r e ，e s p e c i a l l yf o rt h e i n i t i a t i o n ，d i f f e r e n t i a t i o na n dc o n n e c t i o no fp r i m a r yv a s c u l a rs y s t e m ，a n dt h eo c c n l t e n c ea n df o r m a t i o n o ft h eo r g a n s t h e r e f o r et h r e et y p i c a lp l a n t si n c l u d i n ga r a b i d o p s i st h a l i a n a ，p l a 哆c o d o ng r a n d i f l o r u s a n dl i g u s f f c u mj e h o l e n s ew e r ec h o s e nt os t u d yt h es p a t i a la n dt e m p o r a lc h a r a c t e r i e r i ci nt h ep r i m a r y v a s c u l a rs y s t e m w h a t sm o r e t h ed e v e l o p m e n t a lm o d eo fs h o o ta p i c a lm e r i s t e m ( s a m ) i np l a t y c o d o n w a so b s e r v e d 1 r h em a i nc o n c l u s i o n sw e r et h ef o l l o w i n g 1 t h es p a t i a la n dt e m p o r a lc h a r a c t e r i s d c s o fv e s s e le l e m e n t si nt h ea x i a lo r g a n so f a r a b i d o p s i s ， p l a t y c o d o na n dl 堙u s a c u ms e e d l i n g sw e r et h a tv e s s e le l e m e n t sf i r s td i f f e r e n t i a t e di nt h el o w e rp a r to f c o t y l e d o nn o d ez o n e ( c n z ) ，t h e ne x t e n d e dd o w n w a r d l yt oh y p o c o t y la n dr o o ta n du p w a r d l yt ot h e m i d d l ea n du p p e rp a r to fc n 乙a n dl a s f l yf i n i s h e dt h ec o n n e c t i o nw i t ht h eo n e si ne p i c o t y l s h o o tz o n e 2 t h ei n i t i a t i n gs i t e sw e r ef i r s td i s c l o s e di na r a b i d o p s i sa n dp l a t y c o d o n v e s s e le l e m e n t sw e r e i n i t i a t e df i r s t l yi nt h el o w e rp a r to fc n zi na r a b i d o p s i s , t h e ni nt h el o w e rp a r to fc o t y l e d o n ；w h i l ei n c o t y l e d o ni np l a t y c o d o n 1 1 l ed i f i e f e n c eo fv e s s c li n i t i a t i n gs i t e sb e t w e e nt h et w op l a n t sw a sp e r h a p s d u et ot h ed i f i e f e n c ei nt h ec o n c e n 仃a t i o na n df l o wo fa u x i n 3 1 r h ec o n n e c t i n go fc n za n de p i c o t y l - s h o o tz o n ei nt h et h r e es e e d l i n g so c c u r r e di nt w ow a y s o n ew a sw a sb yd e a n dr e d i f f e r e n t i a t i o no fp a r e n c h y o u sc e l l so ft h em i d d l ea n du p p e rp a r to fc n zi n a r a b i d o p s i sa n dp l a t y c o d o n ，t h eo t h e rw a sb yt h ed i f f e r e n t i a t i o no fm e r i s t e m a t i ct i s s u e si nt h em i d d l e a n du p p e rp a r t so fc n zi nl i g u s a c u m 4 t h eh a p l o s t e l es t y l e si nt h el o w e rp a r to fc n zo ft h r e eo b j e c t i v ep l a n t sw e r ef o u n d ，n a m e l y ，i t w a sd i a r c h - m e s a r c h ，s i n g u l a ra n dr o u n di na r a b i d o p s i s ；d i a r c h - e x a r c ha n dl i n e - s h a p e di np l a t y c o d o n ， a n dd i a r c h - m e s a r c ha n dc o n c a v o - c o n c a v ej nl i g u s t i c u m 5 1 1 l ev e i ns t y l e si nc o t y l e d o ni n d i c a t e dt h a ta r a b i d o p s i s sw a ss i m p i ep i n a t e m a r g i nv e i n ，a n d l i g u s t i c u mj e h o l e n s e sw a st e r n a t e - f o r k e d 6 t h ed y n a m i cd e v e l o p m e n to fs a mi np l a t y c o d o ni sd e s c r i b e d a tt h ee a r l ys t a g e ，s a mh a da f e wc e l l s ，a n dn os u b a r e ac o u l db es e e n f r o mt h ea p p e a r a n c eo ft h ef i r s ta n dt h es e v e n t hl e a f ，s a m w a sc u p s h a p e d ，a n dt h eb a s eo fs a mw a sd i v i d e di n t os p e c i f i cc o m p a r t m e n t s t h e s ec o m p a r t m e n t s h a dt h es a l n ef e a t u r e sa sf o u n di nc r y p t o m e r i a - s p m c et y p eo fs a mo fg y m n o s p e r m ，w h o s ec e n t r a lc e l l z o n eh a sf e w e ra n ds l o w l yd i v i d e dc e l l s 。t h e r e f o r et h ez o n es u p p l i e dc e l l ss l o w l yf o ft h ep e r i p h e r y m e r i s t e m a n dr i b b e dm e r i s t e m ，a n d ，t o o ，t h el e a fla n dt h es t e mg r e ws l o w l yl a t e r a tt h ea p p e a r a n c eo f t h ee i g h t hl e a fp r i m o r d i a , s a mf o r m e dab u l g ea n dh a dm o r ec e l l s t h er e s u l t sn o to n l ys h o w e dt h ev a r i e t yo ft h es t r u c t u r e so fs e e d l i n g si nt h e i ri n d i v i d u a l d e v e l o p m e n t , b u ta l s op r o v i d e dt h en e we v i d e n c ef o re v o l u t i o n a r ya n a l y s i s a tt h es a m et i m ei t c a n a s s i s tt h es t u d y i n go f o t h e rs e e d l i n g sw h e nu s i n gp h y s i o l o g i c a l ，b i o c h e m i c a la n dm o l e c u l a rm e t h o d s k e yw o r d s ：s e e d l i n g , p r i m a r yv a s c u l a rs y s t e m ，v e s s e le l e m e n t ，s h o o ta p i c a lm e r i s t e m ，s t r u c t u r e ， d i f f e r e n t i a t i o n ，e v o l u t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：毕冬拎时间：二。o ；年月如r 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名：毕叁诠时间：2 0 。芗年f 月工。r 导师签名： j i ) 芝矛 时间：2 。矽f 年彳月占护同 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 植物发育是一个非常复杂的过程。它是在内、外因素的作用下，有关基因“时空”专一性表 达的结果，所谓基因的“时空”专一性表达。就是指基因在特定的发育阶段( 时间) 和特定的器 官、组织和细胞( 空间) 中有选择性地表达。 通常- 植物发育分为营养生长和生殖生长两个阶段，包括种子休眠和萌发、幼态生长、花起 始和形成、生殖发育和胚胎发育“1 。营养生长阶段是从种子萌发到花起始的一个阶段，也称为幼 态生长，这个阶段的特征是分生组织分化出侧生器官如根、茎和叶。生殖生长是从花起始至0 胚胎 形成的一个阶段。同花发育相比较，营养器官的产生与发育了解相对较少，尤其是幼苗阶段的发 育研究所知甚少。 关于幼苗的定义存在较大的分歧，林业上将植株的高度( 5 0 c m ) 作为界定幼苗的标准”1 这 并不能反映幼苗与成株间的特征差异。植物学对幼苗的定义是将植物的种子产生的幼小能独立生 活的植物体称为幼苗。但随着组织培养技术的发展，通过细胞和组织培养也能够经由体细胞胚 而形成幼苗，因此对于幼苗的定义，人们普遍认为只要是通过胚而形成的幼小植株都可以称之为 幼苗。幼苗至少在两点上与成株存在差异：一是具有过渡区的初生维管系统；二是胚中保留下来 的子叶。因此叶能干”将幼苗时期界定在种子萌发到子叶脱落之前的这一段时期。但是对于某些 植物其子叶可以保留相当长时间，如模式植物金鱼草( a n t i r r h i n u mr a n u s ) 便是一例，其子叶可 以存活三个月之久。又如黄花乌头( a c o n i t u mc o r e a n u m ) 第一年种子萌发仅长成子叶，第二年 才生成真叶1 。因此对于幼苗的概念至今仍没有一个准确的描述。 1 1 幼苗初生维管系统的发育 1 1 1 初生维管系统 植物初生维管系统由初生木质部和初生韧皮部两个基本单位组成。木质部转运和贮藏水和无 机盐以及植物激素如生长素、乙烯和细胞分裂素，并且为植物体提供机械支持。韧皮部为同化 产物一糖及参与植物生长发育中的蛋白质和m r n a 等提供路径。被子植物的初生木质部由具输导 功能的管状分子及非输导成分( 木薄壁组织和木纤维) 组成；初生韧皮部由具输导功能的筛分子 和非输导成分( 韧皮薄壁细胞和韧皮纤维) 组成”1 。植物根和茎的初生生长过程中，由顶端分生 组织分化的原形成层产生初生木质部和初生韧皮部。 1 1 2 初生维管系统的模式 1 1 1 1 维管束中维管组织的构成 维管束中的维管组织在构成上有很大的可塑性。通常的维管组织是外韧维管束，木质部和韧 皮部呈内外平行排列。一些家族，如葫芦科( c u c u r b i t a c e a e ) 和茄科( s o l a n a c e a e ) 是双韧维管 束，本质部同内外两侧的韧皮部平行排列。维管植物中发现几种比较少见的维管组织构成，一些 1 中困农业大学硕十学位论文第一章文献综述 单子叶植物如菖蒲属( 4 c d m 曲、龙血树属( d r a c a e n a ) 是周木维管束，韧皮部被木质部包围。相反， 一些被子植物和蕨类植物为周韧维管束，木质部被圆环状韧皮部闱绕”1 。 1 1 1 ，2 器官水平上维管组织的构成 木质部和韧皮部的输导分子形成植物体的一个连续运输水分、无机盐和同化物的维管系统。 同维管束中维管组织构成的多样性类似，维管植物的中柱中维管束排列的模式也存在多样性。维 管束排列的模式主要有：原生中柱，木质部在中心形成一团，韧皮部包围术质部。这是种原始 类型的中柱。由原生中柱衍生出中始式二至多原犁的单中柱。被子植物茎的真中柱和根的星状中 梓，均系比较普遍地起源与子叶节区下部的中始式二二原型的单中柱，只有极少数如白，i d e l l 日和 n i g e l l a 等属的真中柱的个体发育过程中尚保留有管状中柱阶段，管状中牲是由中始式二至数原 型的单中柱直接演化而来，它是通向茎的、演化成真中柱的桥梁”1 。 叶脉在不同的植物种类有明显的排列方式。大部分双子i 植物的叶由一条主脉和侧脉形成的 网络构成。大部分单子叶植物的叶脉典型地为平行排列。银杏属( g i n k g o ) 叶为开放的等二叉状脉 序。许多不同种类叶脉脉序模式的细微变化已被发现“。 1 1 3 初生维管系统研究中的模式植物 1 1 3 1 锦紫苏( c o l e u ss c u t e l l a r i o i d e 亩 维管组织及它的组成的复杂性为研究维管分化和模式形成提供了一个很犬的挑战，同时为理 解基础生物学问题的许多方面提供了一个模式，如细胞特化、细胞伸长和细胞壁生物合成。选择 一个简单的或进行基因操纵的系统对于维管发育的研究是合理的。最早用于研究维管发育的系统 之一是锦紫苏，它被用于研究茎中生长素和细胞分裂素诱导木质部和韧皮部形成的作用”1 。锦 紫苏的优点是茎比较大，适合分离维管组织，而使分析外界因子对维管分化的影响变得容易。这 个系统仅限于生理学研究。 1 1 3 2 百日草( z i n n i ae l e g a n s ) 组织培养一宜用于研究激素在木质部和韧皮部分化的效果”1 。到目前为止最有效的体外培养 系统是百日草体外导管分子诱导系统“。此系统中从百日草幼嫩叶片分离的薄壁细胞可被生长素 和细胞分裂素诱导转分化形成管状分子。这个系统的特点是分离的薄壁细胞几乎是均一的，管状 分子的诱导率达到6 0 9 6 。因此一个单细胞类型一管状分子分化的生化和分子变化可能被监控。大 量同导管分子形成有关的基因通过该系统被分离“。百日草体外导管分子诱导系统对管状分子 的分化( 包括细胞特化、次生壁加厚和细胞程序性死亡) 的基因的分离是一个极好的来源。 1 1 3 3 拟南芥( a r a b i d o p s i st h a l i a n a ) 随着模式植物拟南芥作为基因系统来研究植物的生长和发育，它已成为一个有效的系统用于 研究维管分化和模式形成中基因的分析。不像百日草系统被局限于一个细胞类型分化的研究，拟 南芥可能不仅用于维管组织中大量细胞类型分化的研究，而且用于器官水平上维管的分化和模式 形成的研究。近年来对于拟南芥突变体的研究为理解控制不同方面维管发育的分子机制开辟了新 的途径，诸如维管束的排列“，真叶中叶脉的形成”“，原形成层细胞的分化”“1 ，初生术质 部的分化”1 以及真叶和茎中维管组织的形成”7 。”1 。然而拟南芥系统仍没有被全面的探索，新突 变体筛选的方法应被用于分离更多影响不同方面维管发育和模式形成的突变体。 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 4 维管系统发育研究的方法 通常用生理的、生化的或者分子的方法研究维管系统的发育。近来生理学研究表明植物激素： 生长素和细胞分裂素对于维管分化很重要”。越来越多的证据表明生长素( 高等植物主要是生长 素) 与维管组织的发育相关”。适当比例的生长素和c t k 能够诱导木质部导管分子的分化”“；生 长素过表达的转基冈植物可以提高维管组织的数量”“，外源的生长素能代替叶原基诱导叶迹与茎 的维管束形成连接”“：局部生长索源能够诱导薄壁细胞形成新的维管束，而且使h j 生k ：素的位置 限定了维管束分化的位置，即新的维管束从生长素源进行向基性延伸”。生k 素的局部使用能够 诱导菜豆f 胚轴等器官形成维管束。对于局部使用生长素的反应并不是各向同性的，即维管束的 分化只发生在窄条有限的区域( 一束) ，弗且与已经存在的维管结构连接起来。维管束分化路 线的选择具有高度的灵活性，甚至可以绕过侧向的切割而形成连续的维管束。此外人量的蛋白 质和基因参与到不同阶段导管分予形成的过程中，例如已经用生化和减数杂交方法研究次生壁加 厚和细胞死亡1 。 由于分子t 具近来的进展及拟南芥基因系统的引入，许多新方法已用于维管分化的研究。一 个有效的方法是筛选拟南芥属( a r a b i d o p s i s ) 、松科( p i n e ) 和杨柳科( p o p l a r ) 的形成层和木 质部表达序列的大规模基因片断”1 。形成层和本质部表达基囡的定位将为其参与到不同细胞类 型的分化提供有效的j 。一个相似的方法是用p c r 用于分离百1 3 草中与导管分子分化有关的基 因1 1 4 | 。 另外一种方法是分离维管发育缺陷的突变体。控制维管分化和模式形成的基因可通过分离上 游和f 游基因，这些基因的分离对丁维管发育的研究是必要的。许多拟南芥突变体影响了维管模 式或维管束的正常发育，但是都没有完全抑制导管分子的分化，可能因为植物潜在的毁坏性还没 有完全表现。新的突变体筛选方法如温度敏感型突变体或者t _ d n a 增强子捕捉系列应当被探索。 1 1 5 维管系统分化的过程 许多细胞类型和维管组织构成的多样性的出现，使控制维管组织分化的分子机制的研究变得 比较复杂。1 3 前大量研究关注于木质部的分化，韧皮部分化方面的研究很少”1 。木质部的分化主 要包括以下几个方面：原形成层的产生、木质部分化的起始、细胞伸长、次生壁加厚和细胞死亡。 1 1 5 1 原形成层的产生 维管组织由分生细胞分化，根和茎中的原形成层细胞从顶端分生组织产生。原形成层细胞在 叶发育的最早阶段产生。原形成层细胞起始的位置决定了维管构成的模式，而且控制了维管组织 的分化。该过程的中心问题是如何调节原形成层细胞的起始，启动它们的分化，为木质都和韧皮 部的分化提供前提细胞的分子机制。 长期以来人们认为从茎端分生组织和幼叶合成的生长素通过极性运输而诱导原形成层细胞 的产生。早期的生理学研究清楚表明：原形成层细胞形成的信号来自t 茎端，外源的生长素可替 代茎端的功能诱导原形成层细胞形成。生长素诱导原形成层细胞产生的作用被拟南芥突变体基冈 分析所支持“。一种编码生长素反应因子的t i p 基因的突变体破坏了正常的连续维管束的模式 “6 ”。在生长素极性运输缺陷的p i n l 突变体”5 。“3 和g n o m 突变体”2 均维管发育发生很大变化。 3 中国农业大学硕士学位论文第一章文献综述 p i n l 基因编码一种生长素输山载体”g e o h f 基冈编码一种与膜有关的鸟嘌呤核酸转换因子“。 生长素极性运输转运载体即生长素反应因子的深入研究将有助于我们理解生长素在原形成层细 胞形成中的作崩。 细胞分裂索对于原形成层细胞的分化是重要的“。编码细胞分裂素受体f 沈仍腰，基因的突 变”。”1 致使所有的原形成层细胞分化形成原生术质部”“。一个具有临时细胞层的突变体显示w o l 对丁韧皮部和后生木质部的分化是不必要的。w o l 定位于根和胚中原形成层细胞”“。由于拟南芥 基因组中儿个类似于w o l 基因的细胞分裂素受体的发现，这对于研究它们是否参与启动原形成层 细胞分化是有意义的。 关丁，生长素和细胞分裂素如何诱导原形成层细胞形成的分子机制了解甚少。原形成层细胞是 具有分区的细胞，生长素和细胞分裂素可能通过细胞周期控制来刺激细胞繁殖。近来研究表明纤 维醇磷脂激酶在原形成层细胞表达，参与到磷酸肌醇信号途径“。生长素诱导参与到细胞繁殖过 程中的磷酸肌醇的形成。磷酸肌醇可能参与生长素和细胞分裂素信号转导途径”。生长素反应因 子如 俨明显参与生长素信号，其功能的鉴定对于理解生长素如何起始原形成层细胞是必要的。 人量的基因如a t h b 8 和o s h o x i 在原形成层表达，但它们在此的精确功能也是未知的。a t h b 8 的过 表达可导致过量维管组织的产生，由此表明a t h b 8 可能参与原形成层活动的激发”。 1 1 5 2 木质部分化的起始 就于细胞最后的命运来说原形成层是有极性的。子细胞依赖术质部和韧皮部的位置形成它们 的前体。不同位置的形成层细胞接受不同的信号而决定不同的细胞命运。生长素在维管组织的分 化中起着建立模式的作用。生长素沿原形成层区域成梯度分布“7 1 ”，不同浓度的生长素和其它的 信号分子如细胞分裂素对于维管细胞分化很重要2 4 。转基因研究表明外源生k 素浓度的变 化可大大影响木质部的分化”。尽管w o l 突变体的生态型表明细胞分裂素没有直接参与木质部 的分化，但百日草体外培养体系表明生长素和细胞分裂素对于木质部细胞形成的诱导是必要的， 因此推测w o l 基因在木质部分化发挥作用。除了生长素和细胞分裂素，别的因子如芸苔素类固醇 和植物硫代酸可能在术质紊的诱导中起作用。 对于生长素和细胞分裂索引起木质部细胞形成的分子转导途径所知甚少。一种生长素反应因 子一m p 可能参与此过程，因为舻基因突变体形成不规则的木质部束排列。许多别的生长素反应 因子已经被检测”，而且关于它们功能的研究可能有助于我们更深入了解维管细胞分化。其它的 拟南芥转录因子如拟南芥a 1 1 1 8 8 4 1 水稻o s h o x i “和白杨的p t t h b i ”1 也参与木质部细胞分化。 对生长素反应迟钝的突变体a x r g 和b o d e n l o 一”1 的叶脉模式有缺陷，a x r 6 和b o b e n l o s 基因可 能参与到维管分化的生长素信号途径。除此之外，玉米w i l t e d 突变体阻止了部分后生术质部细 胞的形成1 ，拟南芥e l i l 突变体呈现不连续的木质部束”。因此，这些基因的分离和功能分析 对于理解木质部细胞分化的分子机制很重要。 到目前为止，没有分离出术质部细胞分化完全被抑制的突变体，这在很大程度上阻碍了使用 基因方法来研究术质部的分化。一个较为完备的方法是用百日草体外导管分子诱导系统分离同术 质部发生相关的基因。分离的百日草薄壁细胞可被诱导转分化形成导管分子这个系统长期以来 用于检测分离参与不同阶段木质部分化的基因。通过使用p c r 的方法，在百日草系统分离出许多 在激素处理数小时被诱导产生的基冈“”。通过t - d n a 或者转位子敲除的拟南芥突变体中，有关的 同源基冈将被发现，这些基因在木质部分化的功能也会被进一步研究“。 4 中国农业大学硕士学位论文第一章文献综述 i l l l l 1 1 5 3 细胞伸长 木质部细胞分化起始后，导管分子和筛管分子在管状输导系统形成前开始伸氏。次生壁形成 时发育中的输导细胞停止延伸，控制输导细胞伸长的分子机制同别的非维管细胞相同。种 类似于剑蛋白( k a t a n i n 一1i k e ) 微管阻断蛋白对于木质部和韧皮部细胞延伸很重要，说明微管在 维管组织中控制细胞延伸”“。微管被认为决定纤维素微纤丝沉积方向而控制细胞轴向的延伸。细 胞延伸需要纤维素一半纤维素网络的疏松，此过程被诸如扩展蛋白的细胞壁疏松酶调节”。扩展 蛋白的m r n a 位丁百日草正在分化的导管分子的末端”“。植物激索参与到维管细胞延伸的控制。 参与到芸苔素类固醇生物合成的基因的突变体导致了包括维管细胞在内的所有细胞的长度的减 少。 i 1 。5 4 次生壁加厚 导管分子细胞壁延伸后开始次生加厚形成环、螺、梯、孔和网纹等模式”1 。次生壁加厚可使 导管承受蒸腾作用产生的负压。次生壁加厚的式样由纤维素微纤丝的沉积决定这个过程被位于 细胞质膜下面的皮层微管( c o r t i c a lm i c r o t u b u l e ) 的模式控制。药理学研究表明皮层微管的构 成被破坏改变了次生壁加厚的式样“。关于皮层微管怎样形成不同的样式及它们怎样控制次生 壁加厚的式样知之甚少。除了皮层微管，微纤丝可能对于导管分子次生壁加厚的止常式样也是重 要的。 在确定参与次生壁合成( 包括纤维素和木质素) 的基因方面取得很大的进步。几个影响次生 肇加厚的拟南芥突变体己被分离”。在这些突变体中其中的两个编码纤维素合成酶分子弧基 ”1 。这些基因的分离将使我们对于次生壁合成的理解更加深入。 术质素插入纤维素、半纤维素网络为次生壁提供机械支持且由于它不易被水沾湿的特性可防 l | 次生壁漏水。单体木质素通过盐酸苯丙醇胺途径合成，进入次生壁聚合形成木质紊聚合体。人 部分参与单体木质素合成的基因已被分离和鉴定”“。 1 1 5 5 细胞死亡 发育中的导管分子在完成细胞次生壁加厚后，开始清除细胞内含物而死亡。穿孔位置的初生 壁在细胞自我分解过程中被分解，含有较多木质素的次生壁可以抵抗纤维素酶的水解作用。到目 前为i r ，没有纤维素酶基因在木质素形成的晚期表达。穿孔被导管分子两端的次生壁的沉积部位 控制。西红柿中w i l t y - d w a r f 突变体为复穿孔板，野生型为单穿孔板”“。相应基因的分离也转移 到控制侧生壁沉积模式的机制的研究。 水解酶如半胱氨酸蛋白酶”“、丝氨酸蛋白酶”“和核酸酶在木质紊产生过程中被高度诱 导，在自我分解发生前它们在液泡中累积。细胞死亡被液泡膜的裂解起始。，导致水解酶释放到 细胞质中”。“。导管分子的细胞死亡的生化标志是核d n a 的降解，这可以被终端脱氧核糖核酸 酶介导的d u t p 缺口端标签所检测”。除了钙离子流和细胞外的丝氨酸蛋白酶参与到导管分子细 胞死亡的起始，其它关于什么信号引发水解酶的生化合成和液泡的最后裂解所知甚少。 1 1 6 维管系统模式形成的机制 1 1 6 1 维管柬中维管模式形成的机制 维管束中的维管组织的形成有明显的模式，如外韧、周木、周韧维管束。近来的基冈分析已 5 中国农业大学硕士学位论文第一章 文献综述 经开始揭示维管模式形成的机制。= 种突变体的研究表明维管束中维管组织的组成被位置的形成 控制( 表卜1 ) 。例如拟南芥叶子的外韧维管束，木质部与韧皮部平行，木质部接近于叶的轴心， 韧皮部位于叶子的远轴心。拟南芥脚6 一l d 突变体的叶为周木维管束，木质部围绕着韧皮部，韧 皮部没有远轴心的特征”。拟南芥a y b j 突变体的叶极性只有部分的缺失，外韧维管束被转换为 周术维管束”“。相反，a n t i r r h i n u m p h a n 突变体的叶的维管束为周韧维管束，韧皮部围绕着木质 部。这些表明决定木质部正常分布的位置信息被破坏，木质部形成一个环围绕韧皮郭，例如p h b l d 突变体和a v b l 突变体的叶；决定韧皮部正常分布的位置信息被破坏，韧皮部形成个环围绕木 质部，例如a n t i r r m n u mp h a n 突变体。这也说明相似的位置信息对植物体来说是用来控制叶的 极性和维管组织的组成。p h b 基因和a v b i 基因已被克隆，它们编码亮氮酸拉链转录因子同源序列 的一个家族的蛋白质。p h a a 基闻编码m y b 转录因子。分子工具的使用使深入研究这些转录因子 如何控制这些决定维管组织不同分布的位置信号变得容易。生长素和细胞分裂素可以诱导维管分 化，因此位置信息可能控制激素流的方向从而产生不同的维管组织分布。 拟南芥花序轴为外韧维管束。在a v b l 突变体中，木质部和韧皮部正常的外韧排列被破坏， 形成周木维管束。这些都说明叶和茎控制维管组织分布的分子机制是相同的。 1 1 6 2 器官水平上维管模式形成的机制 在器官水平上，维管组织有很多排布方式。初生根和茎的维管束以环或散生式样分布。叶片 中的叶脉形成平行脉或网状脉。生长素流极性运输的位置可能决定了维管组织在器官水平上的模 式”2 “。拟南芥中与基因方面有关的研究支持这种设想。通过生长索极性运输抑制子或者具有影 响生长素极性运输突变体的基因来改变生长素的极性运输，拟南芥的叶脉式样发生很大变化。生 艮素运输减弱情况f 叶脉式样的发育情况：拟南芥莲座型叶片的羽状脉变成了另外一种式样，其 特征是在叶缘具有过多的连续的维管束，大量向基排列的叶脉以及存在多条主脉。生长素运输受 到更为强烈的抑制后，维管组织的分化限制在叶的边缘。这种反应说明脉序的变化与叶原基的生 长素运输特性有关。维管组织的变化反应解释为：脉序的变化可能是由于从叶原基边缘生& 紊源 流山的生长索流汇合的缘故。正常情况卜i ，来自于顶端生长素源的生欧素流的生长素浓度低于 诱导浓度，维管束的分化被限制在相对少的细胞列中( a ) ；在生长索运输受到抑制的情况f ，生 长素在更多的地方能积累到诱导水平( b ) ；当生长素的运输受到更强的抑制作用时，生长素被限 制在生长素源的边缘( c ) ( 图卜1 ) 一1 。此外随着拟南芥基因组中生长素输出载体的确认，现 在可能深入研究这些载体在决定不同器官中维管模式的作用。 6 ( b ) ( c 围1 1生长素运输减弱情况下的拟南芥叶脉式样的发育 基冈分析已表明器官水平上的维管模式也是被位置信息控制。拟南芥a v b l 基冈突变体不仅 转换外韧维管柬为周术维管束而且破目：苇的环状维管束式样”。a v b l 突变体中，人鼙的维管柬 分支进入髓，类似单子叶植物茎的维管模式。这表明当决定环状维管组织的位置信息被破坏，维 管束会在髓形成。研究a v b l 突变体中生 ：= 素输出载体的分布信息很有意义。决定维管束模式的 位置信息的重要性在几个器官极性突变体如用6 ”和a g o ”中体现。这些突变体在叶中显示变 换的维管模式。y a b b y 基冈编码转录闻子”，a g o 基冈编码一个未知功能的蛋白质”j 。 其它影响维管模式的突变体也被分离 l ；来( 表卜i ，卜2 ) 。大量的突变体是根据子叶或真叶的 变化被分离。这些突变体山现不连续的、随意的或者减少的叫脉”。”“。“1 。近来，一个在根和盾 片状1 ，仃变换的维管模式的玉米突变体被发现”。所有的维管模式突变体揭示了植物生长和发育 在其它方面的缺陷，这也表明人母被影响的基闻参与到植物止常发育的重要过程。突变体中相关 基冈的分离和它们功能的深入研究将有利 分析参与到维管模式形成的路径。 t a b l e 】一1m u t a n t sa f f e c t i n gv a s c u l a rp a i t e r n 、i f ln i 纠 l 、a n df ( t h 表卜1 影响茎和根维管模式的突变体 t a b i 置l - 2 m u t a n t sa f f e c t i n g l e a f v e n a d o n p a t t e r n s g e n ep r o d u c t m i d r i 拼s sp c 舡i 伯j t l 时l a c k o f m i d r i bu n k n 州n 槲p a n 衍u m r , l 烈i m u ml a c ko f m i d r i bu n k n o w n 枷， a r a b i d a p s i s m i d v e l nb i f a n ：a t l o a ，u n k n o w n d i s c o n t i n u o u sa n dr e d u c e d n t t n l b e f o fv e i n s m p m a g o - 5 y a b 3 j c v p l c v p 2 g r a b i d o p s i s a r a b i d o p s i s v a n ! v a n 2 a r a b i d a p s i s y a r d v a n 4 忧n 5 y o n 6 g n o r m v a n 7 a r a b i d o p s i s a r a b k l o p s i s a r a b i d o p $ i s a r a b i d o p s i s a r a b i d o p s i s a r a b i d o p s i s a n 2 b i d o p s i s a r a b i d o p s i s d i s c o n t i n u o u sa n dr e d u c e d r l u m b e r o fv e i n s d i s c o n t i n u o u sa n dr e d n c e d n u m b e r o f y e h a s r e d u c e dn u m b e r o f v e i n s r e d u c e d n u m b e r o f v e i n s d i s c o a l i a n o u s 由i d r e , n e e d h u m b e ro f v e i n s d i s c o n t i n u o u sa n dr e d u c e d n u m b e r o fv e i n s 7 0 3 3 1 9 a u x i nr e s p o n s ef a c t o rl o4 l u n k n o w n柏 p r o t e i nv i i t hu n k n o w n1 4 i d e n t i t y t r a n s c r i p t i o n f a c t o r s 8 4 u n k n o w n 1 8 u n k n o w n5 2 d i s c o n t i n o o o s a n dr e d u c e dg u a n i n e n u c l e o t i d e5 2 8 5 n l l l i l b e t o fv c i n s e x c h a n g ef a c t o r d i s e t m l h a a o u s a n t i l , e d u c e du n k n o w n2 4 n u m b e r o fv e i n s d i s c o n t i n u o u sa n dr e d u c e du n k i l o w n4 3 n m b 盯o f v e i n s r e d n e e dn u m b e ! r o f v e i n su n k n o w e i 1 6 r e d u c e dn u m b e r o f v e i n su l l k t t o w n1 6 a u df r e e - e n d i n gv a s c u l a r s t r a n d s e x e s so f h y d a t h o d c su n k a o w n1 6 r e d u c e dn u m b e r o f v e i n sa n x i l l c f f i u xc a r r i e r1 2 r e d u c e dn u m b e r o f v e i n sh o m e o d o m t i nl e u c i n e1 0 5 z i p p e r l a n t e r n 表卜2 影响叶脉模式发育的突变体 1 2 幼苗茎端分生组织的发育 对于植物发育而言，由于其具有项端生长的特点，完成生橱周期所需耍的各种侧生器官都由 于顶端生长点的活动而形成，因此了解顶端生长点的活动对于认识植物发育具有重要的意义。 分生组织是指植物中的胚性组织，或一群未分化的、正在生长和活跃分裂的细胞。