植物发育生物学4章.ppt

4 1苗端分生组织4 2侧生器官 叶的发育4 3侧生器官 侧枝的发育 第4章苗端分生组织及其侧生器官的发育 建立顶端分生组织的初步结构 种子萌发 植物体建成 胚胎发生 分生组织才开始活跃 细胞分裂和分化 顶端分生组织是一群在胚胎发生后长期保留着胚性细胞特征的细胞 即具有分裂能力 细胞小而壁薄 胞质浓厚 无大的中央液泡 苗端分生组织 也称茎顶端分生组织 shootapicalmeristem SAM 具有胚性的细胞群 而不是指其所衍生的器官 茎尖 包括苗端分生组织及新近形成的叶原基 1 原套 tunica 原体 corpus 结构 细胞层结构 4 1 1苗端分生组织的细胞层与区的结构 苗端分生组织 原套 原体 L1 L2 原表皮 表皮 下表皮 原形成层 基本分生组织 部分 维管束 L3 髓 基本分生组织 部分 原表皮 部分 皮层 髓射线 垂周分裂 平周或垂周分裂 L1层细胞功能 控制其内层细胞的分裂模式 在分生组织的维护中起着重要作用 2 细胞组织区的结构 苗端分生组织 中央区 centralzone 周边区 peripheralzone 肋状分生组织 ribmeristem 细胞相对较大 是干细胞的藏身之处 细胞较小 是叶原基等器官原基的发源地 将产生髓 分生组织的径向和纵向结构彼此重合 因此 周缘区和中心区都包含了来自原体和原套的细胞 干细胞 具有无限自我更新能力和保持着再生子代细胞及其进行器官分化等潜力的一类细胞 3 分生组织中的干细胞 组织中心 organizingcentre OC 相当于根分生组织中的静止中心 quiescentcentre QC 特异表达WUS基因 功能是维持干细胞库的存在 苗端分生组织的干细胞 stemcell 也称苗端分生组织起始细胞 位于OC的上方 TA细胞 transitamplifyingcell 干细胞的子代细胞都不直接分化 而是形成一群更具有定向分裂潜力的细胞作为过渡的中间细胞类群 干细胞的命运是由干细胞微环境 分生组织 所决定的 干细胞分裂后的子代细胞 如离开它原来的庇护所 将面临分化或死亡 干细胞 TA细胞 过渡态 干细胞后裔 仍然在中央区 保持多潜能性 逐步远离中央区 分化或死亡 4 1 2苗端分生组织突变体及其相关基因 1 分生组织细胞不能维持增殖的突变体 1 突变体stm shootapicalmeristemless stm表型 缺失苗端分生组织 STM功能 抑制分生组织的分化 维持苗端分生组织 STM基因 属于KNOX KNOTTED 1likehomeobox 基因家族的成员 都有保守的同源异型域蛋白 HDprotein STM表达 在整个分生组织中都表达 不在叶原基中表达 2 突变体wus wuschel Wus表型 苗端分生组织出现 停停走走 的生长模式 导致数百个莲座叶的形成 缺失苗端分生组织 WUS功能 抑制SAM的细胞分化 以便维持干细胞群库 WUS表达 局限于中心区原体的一簇细胞 STM与WUS功能相似 但STM不能补偿WUS的缺失 WUS能部分补偿STM的缺失 WUS和STM的功能是相互独立的 2 分生组织的细胞过度增殖的突变体 突变体clv1 clavata1 clv3 产生巨大的苗端分生组织 CLV基因功能 促进分化 控制分生组织中的细胞增殖 CLV1 LRR 富含亮氨酸重复序列 Leu richrepeat 的膜结合受体类激酶 CLV3 配体分子 分泌型蛋白 是一种能在细胞间移动的信号蛋白 CLV2 富含亮氨酸重复序列的膜结合受体蛋白 CLV信号传导复合物形成 1 CLV3从干细胞分泌后进入质外体 加工为成熟肽 作为一种信号分子 2 CLV1和CLV2通过二硫键结合而成异源二聚体 与配体CLV3结合 3 CLV1中激酶区域经过自磷酸化与蛋白磷酸酶KAPP结合 KAPP可使CLV1脱磷酸化 4 ROP蛋白的激活可启动MAPK信号级联 抑制WUS的表达 4 1 3苗端分生组织形成及其维持的遗传调控 wus突变体 分化多于干细胞增殖 干细胞的增殖活性与因侧生器官发生而消耗的细胞 分化 之间就必须处于一个动态的平衡 clv突变体 干细胞增殖多于分化 分生组织的形成和维持涉及的基因可分为二类 第一类 形成和维持分生组织所需的同源异型框转录因子 如 STM WUS 第二类 促进器官原基分化的基因 如 CLV 1 WUS与CLV基因相互作用形成一个反馈回路 控制SAM的发育 干细胞增多 CLV3转录水平增加 与CLV1 CLV2结合形成有活性的受体 WUS表达 干细胞减少 CLV3转录水平降低 与CLV1 CLV2结合形成有活性的受体 WUS表达 干细胞增加 WUS表达增强 2 细胞分裂素与WUS相互作用与SAM干细胞微环境的建立 如何维持这个干细胞微环境的空间结构 细胞分裂素与WUS相互作用建立了SAM干细胞的微环境 细胞分裂素信号由拟南芥组蛋白激酶基因家族 ARABIDOPSISHISTIDINEKINASE AHK 所转感 并将信号传导给拟南芥响应调节因子 ARABIDOPSISRESPONSEREGULATOR ARR 细胞分裂素可通过依赖于CLA途径和不依赖于CLA途径诱导WUS表达 WUS通过抑制ARR增强细胞分裂素信号传导 细胞分裂素与WUS的相互作用 第4章苗端分生组织及其侧生器官的发育 4 1苗端分生组织4 2侧生器官 叶的发育4 3侧生器官 侧枝的发育 植物的侧生器官 侧生器官 花分生组织 苞片 花器官 营养性分生组织 叶 腋芽 侧枝 所有的侧生器官都来源于叶 双子叶植物 单子叶植物 叶片组成和结构 玉米叶的维管束鞘 成熟叶的横切面 叶片的三个轴 基 顶轴 由叶基部指向尖部 背 腹轴 由叶上表皮指向下表皮 中 边轴 由叶主脉指向边缘 叶片发育的阶段划分 第一阶段 叶发育的启动 SAM的周边区出现叶启动的缔造细胞 分裂速率增加 形成叶原基 第二阶段 沿着3个轴性发育出叶的各种形态 通过细胞分裂和增大使叶达到最终的大小 第三阶段 叶组织分化阶段 叶维管图式的形成和叶细胞的分化 如气孔 表皮毛形成 4 2 1叶发育的启动 叶原基 叶发育初期 在SAM周边区出现的一个小突起 叶原基启动的最早信号是在SAM的一定距离处出现的局部平周分裂 叶间隔期 plastochron 叶原基相继发育所需要的时间间隔 着重描述叶原基发育的时间 叶序 phyllotaxy 叶器官沿着苗端轴的排列方式 着重描述叶原基发育的模式 最幼小的可见叶原基称为P1 稍大点的称为P2 依次类推 叶原基发育描述方法 将来的叶原基称 初期的 用I1 I2等标记 I1是最先出现的 将要启动叶原基 而尚未出现 的部位称为P0 最近启动的最年幼的叶原基定位P1 依此类推 叶原基发育描述方法 1 叶序的发育 叶序的模式 叶序的图式 a 二列叶序 b 螺旋叶序 c 交互对生叶序 d 对生叶序 接触斜列线 contactparastichy 在螺旋叶序中 器官左右交叉 形成两组斜的行列 顺时针 反时针 把形成这样行列的叶中心点连起来的线称为斜列线 叶序中的数学奥妙 叶序可以用反时针和顺时针的接触斜列线数来表示 a 马铃薯苗端的叶序接触斜列线数目为2 3 反时针方向 实线 有2种斜列线 2 6 8 3 5 9 顺时针方向 虚线 有3种斜列线 1 4 7 2 5 8 3 6 9 b 蕨类植物叶序的接触斜列数为3 5 叶序所具有的接触斜列线数显示数学回归的规律 1 1 2 3 5 8 13 21 偏差角 divergenceangle 两个连续叶原基的夹角 拟南芥的偏差角为137 5 2 叶原基位置信号 为何新叶原基发育的部位总是离前一个叶原基发育部位尽可能地远 为何只选择特定夹角处的细胞进行叶原基发生 研究方法 叶序改变的突变体 组织学手术 药物处理 玉米叶序突变体abphyl1 由互生叶序变为对生叶序 细胞分裂素诱导ABPHYL1的表达 突变体方法 a 当P1被切时是I2而不是I1叶原基向P1靠近 显微手术使叶原基发生位移 b 当I1被切时是I3而不是I2叶原基向I1靠近 这说明 已产生的叶原基可产生一种抑制物而阻止新叶原基的发育 并根据离已产生的叶原基位置的远近形成了该抑制物的浓度梯度 药物处理 生长素运输抑制剂 施加生长素运输抑制剂可解除先出现的叶原基对后出现叶原基在位置上的抑制作用 生长素可能是叶原基的抑制物质 a 生长素浓度高的地方出现P1叶原基 原基一旦形成 就成为一个生长素的库 从分生组织周围夺取生长素 因此 在P1周围形成缺少生长素的区域 b 生长素可在离P1最远的地方积累 其浓度达到一定阈值 启动I1叶原基发育 生长素极性运输在叶序形成中的作用 4 2 1叶发育的启动 1叶序的发育2叶原基位置信号3叶原基启动的分子机制 叶原基启动的分子机制 有两种机制 1 生长素极性输出作用途径 在分生组织的表皮细胞中极性分布的生长素输出载体PIN1可以将生长素流导向分生组织的顶部 2 ARP KNOX相互抑制作用途径 ARP蛋白 AS1 RS2 PHAN蛋白 属于MYB蛋白质家族 KNOX STM和BP MYB蛋白质家族 含有MYB结构域 多数是转录因子 MYB结构域是一段约51 52个氨基酸的肽段 每隔约18个氨基酸规则间隔的色氨酸残基 b 分生组织 特异表达STM和BP STM阻止AS1在SAM中的表达 a 叶原基 特异表达AS1 高浓度的生长素 AS1抑制BP和STM在叶原基中表达 高浓度的生长素也有可能抑制BP和STM在叶原基中的表达 4 2 2叶轴性的发育 1叶片腹 背轴的发育2叶片基 顶轴的发育3叶片中 边轴的发育 a 在I1和茎顶端分生组织中心间做一个切口 b 形成辐射对称叶 1 SAM中心区产生一种化学信号 促进近远轴的形成 这种信号可能是一种固醇 脂类信号物质 2 叶原基向轴面的发育 向轴面的决定子 AS2 HD ZIP ARP AS2 类似于金鱼草的phan突变体 近轴被远轴取代 缺失腹 背轴 AS2编码的蛋白质具有亮氨酸拉链结构 可能参与蛋白质间的相互作用 AS2表达部位 腹 背面交界的内侧 AS2调控机制 在向轴面促进HD ZIP表达 在背轴面抑制YABBY的表达 在tasiRNA途经上起冗余作用 与ETT ARF4作用相反 HD ZIP HD ZIP转录因子基因家族 PHB PHV和REV等 它们都编码一个同源异型域亮氨酸拉链蛋白 HD ZIP 而且都有一个与固醇 脂类结合的START保守结构域 HD ZIP表达部位 叶原基的腹面 HD ZIP调控机制 在向轴面抑制KANADI的表达 在背轴上受miRNA166和KANADI蛋白抑制 3 叶原基背轴面的发育 背轴面的决定子 KAN家族 KAN1 KAN2 KAN3 ARF ETT ARF4 YAB家族 YAB2 YAB3 FIL 小分子RNA YAB家族基因编码锌指蛋白 zincfingerprotein KAN基因编码蛋白质含有与DNA特异区结合的GARP保守序列 YAB KAN表达部位 叶原基的背轴面 非编码的小RNA 一种是微小RNA microRNA 20 22个核苷酸 功能 降解HD ZIP 起负调控作用 miRNA先在器官原基的基部积累 然后通过韧皮部移动 累积于器官背轴面 另一种是反式作用短链干扰RNA tasiRNA 功能 降解ARF 4 叶原基腹 背轴发育由三条遗传途经决定 HD ZP途经 KAN和YAB特化背轴面发育 SAM产生向轴面的促进信号 由HD ZIP接受该信号 特化向轴面的发育 AS1 AS2途经 AS1 AS2抑制KAN 抑制背轴面发育 促进HD ZIP蛋白的表达 促进向轴面发育 小分子RNA途经 miRNA在背轴面表达 裂解HD ZIP转录物 促进背轴面发育 tasiRNA裂解ARF转录物 第4章苗端分生组织及其侧生器官的发育 4 1苗端分生组织4 2侧生器官 叶的发育4 3侧生器官 侧枝的发育 a 二叉分枝 SAM均分为二 形成各自生长轴 各个生长轴又以同样方式发育出两个分枝轴 较原始 苔藓和蕨类植物 b 单轴分枝 顶芽发育成主干 由下向上各级分枝长度依次缩短 树冠呈尖塔形 多见于裸子植物 部分被子植物 如拟南芥 c 合轴分枝 顶芽生长缓慢 顶芽下面的腋芽代替顶芽 反复交替进行分枝的发育 主干由许多腋芽发育的侧枝联合组成 较进化 多见于被子植物 d 假二叉分枝 具有对生叶的植物顶芽停止生长后 顶芽下面两侧的腋芽同时迅速发育成两个如叉状的侧枝 多见于对生叶植物 如丁香 e 分蘖 近地面的分蘖节上产生腋芽 腋芽形成具不定根的分枝 在分蘖上又继续分蘖 形成一级分蘖 二级分蘖等 禾本科植物 4 3 1植物分枝方式 腋芽发育突变体 影响腋分生组织启动的突变体 与腋生分生组织快速生长有关的突变体 与植物激素相关的突变体 4 3 2腋芽发育突变体及其相关基因 与分生组织启动及其生长都有关的突变体 1 与腋生分生组织启动有关的突变体及其相关基因 番茄突变体las laseralsuppressor 拟南芥突变体ls lateralsuppressor 表型 腋生分生组织完全被抑制 LAS LS基因编码的蛋白质是植物特有的GRAS家族蛋白 都带有保守的VHIID结构区域 LAS LS基因功能 维持腋生分生组织的分生活性 2 与腋生分生组织快速生长有关的突变体及其相关基因 豌豆5个rms ramousus 突变体 rms1 5 拟南芥max moreaxillarygrowth max1 4 突变体 表型特点 侧枝增加 MAX3为质体类胡萝卜素裂解双加氧酶 plastidicpolyenechaindioxygenase PPCD MAX2属于F box蛋白LRR家族成员 在许多信号传导途经中起作用 MAX1编码细胞色素酶P450家族 其底物常由双加氧酶所产生 MAX4也是一种类胡萝卜素裂解双加氧酶 PCD 可以裂解MAX3裂解反应的一个产物 生长素可上调MAX RMS的表达 拟南芥sps supershoot 和bus bushy 突变体 3 与腋生分生组织启动及其快速生长都有关的突变体及相关基因 表型 腋生分生组织大量增加 原来被抑制的芽也成为有活性的芽 形成超多分枝 SPS BUS编码的蛋白质都属于细胞色素P450超家族中的CYP79F1亚家族的成员 可控制生长素的合成 两种观点 叶原基发生时 直接来源于苗端分生组织的细胞 且一直保持着分生特性 在生长发育后期 叶腋处细胞通过分化重新获得分生能力而新形成的分生组织 4 3 3双子叶植物侧枝发育 1 腋生分生组织的来源 2 植物激素对腋生分生组织的作用 顶端优势 如果初生茎的顶端受损 腋芽的生长会得到极大的促进 顶端优势说明健康的茎顶端可以抑制分枝的产生 a 去除顶芽可促使腋芽生长 b 去除顶芽的切口上施加生长素 腋芽生长受抑制 c 完整茎杆上施加生长素运输抑制剂 施加点以下腋芽被促进 d 向腋芽施加细胞分裂素 促进腋芽的生长 生长素在顶芽合成 并沿茎向基部运输 从而抑制腋生分生组织的生长 但直接在腋芽部位施加生长素却不能阻止腋芽的生长 这说明生长素对腋芽的抑制作用不是直接的而是间接的 细胞分裂素在根部合成 促进腋生分生组织的生长 待鉴定的新型激素抑制腋芽的生长 3 植物激素调控腋芽发育的作用模式 1 生长素运输自动抑制作用模式 1999 主茎向下运输的生长素流抑制着腋芽中的生长素向主茎中的运输流 而从腋芽向主茎的生长素流是激活腋芽所要求的 2008 活跃的苗端必定可输出生长素 但