植物体细胞胚胎发生.ppt

第十二章植物体细胞胚胎发生 第一节体细胞胚胎发生的方式第二节影响体细胞胚胎发生的因素第三节体细胞胚胎发生中基因表达与调控 第一节体细胞胚胎发生的方式 植物体细胞胚 plantsomaticembryos 在离体培养过程中由植物外植体或愈伤组织产生与受精卵发育方式类似的胚胎结构现象 一 体细胞胚胎发生 Somaticembryogenesis 的特点 植物的胚胎发生是从合子开始的 单细胞悬浮培养 原生质体培养和花粉培养中都观察到体细胞胚胎发生或花粉胚胎发生 pollenembryogenesis 合子发育的胚胎为二倍体的体细胞产生的胚状结构 体细胞胚胎是由小孢子或其分裂产物等单倍体细胞产生的体细胞胚 通常称花粉胚 pollenembryos 可发育成单倍体植株 体细胞胚或花粉胚都是指在植物组织培养中起源于一个非合子细胞 经过胚胎发生和胚胎发育过程形成的胚状结构 包括以下几点含义 1 体细胞胚是组织培养的产物 区别于无融合生殖的胚 只限于在组织培养范围使用 2 体细胞胚起源于非合子细胞 区别于合子胚 3 体细胞胚形成经历胚胎发育过程 区别于组织培养的器官发生中芽与根的分化 二体细胞胚发生意义 植物体细胞胚胎发生和诱导器官发生相比具有明显的特点 1具有两极性2存在生理隔离3遗传性相对稳定4重演受精卵形态发生的特性 A 伸长期合子 B 合子经过第一次分裂 产生1个顶细胞 绿色 和一个基细胞 粉红色 C 四分体胚 顶细胞经历2次纵向分裂 产生含有4个细胞的胚体和2个细胞的胚柄 D 16细胞球形胚 8细胞胚的所有细胞经过1次平周分裂 产生包含8个细胞的表皮原和8个细胞的内部组织 E 早期心形胚 F 心形胚 子叶和胚根原基已经出现 G 成熟胚胎 1 顶细胞 2 基细胞 3 胚根原细胞 形成未来的ROC和根冠中央区 RM 根尖生长点 SM 茎尖生长点图6 2双子叶植物拟南芥的胚胎发育过程 第二节影响体细胞胚胎发生的因素 1 基因型与体细胞胚发生基因型是影响体细胞胚发生的重要因素 体细胞胚的诱导率和每个胚性外植体上体细胞胚的发生率因基因型而异 a 不同基因型体细胞胚诱导率 b 不同基因型每个胚性外植体上体细胞胚的数目图6 7在相同培养基上FeijoasellowianaBerg不同基因型体细胞胚诱导 引自Miguel等 2001 2 植物激素与体细胞胚发生 离体植物细胞在开始往往缺乏合成生长素和细胞分裂素的能力 但是在大多数情况下 这些细胞的分裂和分化以及形态建成过程中又必需生长素和细胞分裂素两种激素的共同作用 在培养介质中添加不同种类或不同浓度的外源激素诱导形态发生已受到广泛的重视 但最关键的是组织内部和体细胞胚发生部位的内源激素代谢动态和平衡 1 内源激素与体细胞胚发生早在胡萝卜细胞悬浮培养体细胞胚发生中发现 2 4 D在诱导胚性细胞早期是必需的 而且2 4 D是通过影响IAA结合蛋白起作用 其实质是促进IAA结合蛋白的形成 提高细胞对IAA的敏感性从而诱导胚性细胞的形成 2 外源激素与体细胞胚发生 2 4 D与体细胞胚发生2 4 D是诱导多种植物离体培养体细胞转变为胚性细胞的重要激素 单子叶植物和双子叶植物诱导体细胞胚胎发生时 所要求的2 4 D的浓度不同 对单子叶植物而言 一般要求较高浓度的2 4 D 其浓度范围为0 5 5mg L 通常使用浓度为2mg L 而对双子叶植物而言 一般要求较低浓度的2 4 D 其浓度范围为0 02 1mg L 通常使用的浓度为0 1mg L A C E为离体培养6周后的体细胞胚 B D F为离体培养5个月后形成的体细胞胚A 品种GK7 在添加83 0mMcentrophenoxine培养基上 B 品种AT120 在添加124 4mMcentrophenoxine培养基上 C 品种59 4144 在添加12 4mMdicamba培养基上 D 品种AT120 在添加83 0mMdicamba培养基上 E 品种VC1 在添加83 0mMpicloram培养基上 andF 品种VC1 在添加124 4mMpicloram培养基上 图含不同种类和不同浓度生长素固体培养基上成熟花生胚轴体细胞胚诱导 其它生长激素与体细胞胚发生除2 4 D外 ABA对植物体细胞胚的发生也起到重要的调控作用 研究表明 ABA具有促进苈蒿体细胞胚结构正常化的显著效应 在浓度适宜时 ABA能抑制多种异常体细胞胚的发生 而且ABA加入培养基的时间愈早其效应也越明显 较低浓度的ABA对保持籼稻愈伤组织的胚性结构具有重要意义 可明显提高这种胚性愈伤组织分化出苗率 在拐芹中ABA与NAA共同作用可诱导一些游离氨基酸含量的变化和特异蛋白的形成 ABA和PEG对胡萝卜 DaucuscarotaL 体细胞胚发生具有调控作用 3 多胺 腐胺 尸胺 亚精胺 高亚精胺 精胺等 和乙烯与体细胞胚发生 外源多胺对体胚发生的作用除了取决于植物种类及其内源多胺的状况之外 还关系到它们如何被吸收 运输及降解等问题 多胺与体细胞胚发生的关系在胡萝卜的研究中较多 金属离子 金属离子对体细胞胚的发生也有影响 在小麦愈伤组织诱导体细胞胚发生中也发现Zn2 Cu2 Co2 Mn2 等金属离子具有重要的促进作用 不仅可提高诱导频率 而且还可以加速胚性愈伤组织的形成 因此 在培养基中加入适合浓度金属离子可提高体细胞胚发生的频率 有研究表明 金属离子可能是通过促进多胺合成而提高体细胞胚发生频率 二 外植体与体细胞胚发生的影响 不同基因型 外植体体细胞胚发生能力不同 如胡萝卜子叶不同部位培养诱导的发育过程不同 只有表皮下细胞具有真正细胞全能性和有能力直接产生体细胞胚 胚胎发生区 而不用通过愈伤组织阶段的诱导 表皮下细胞根发生区细胞芽发生区细胞 胡萝卜子叶不同部位外植体示意图 三光与体细胞胚发生 一 体细胞胚发生的生化基础 近年来 随着植物组织培养技术的提高 在植物体细胞胚发生的全能性表达过程中 人们早已不局限于形态学和细胞胚胎学的直观描述 而是在这些观察的基础上 紧密结合细胞胚胎学过程研究生理生化机制 以探讨体细胞胚发生的分子基础 其中体细胞胚形成过程中蛋白质和酶的动态变化 为最终揭示体细胞胚发生机制奠定基础 第三节体细胞胚发生的生化基础及影响体细胞胚胎发生的因素 一 ATP酶活性的提高 在枸杞的胚性细胞早期 ATP酶反应产物主要沉积于质膜和液泡膜上 尤其是在质膜上的ATP酶活性高 且呈连续分布 在胚性细胞后期 ATP酶活性从细胞质逐渐转入细胞内 在细胞质 液泡和细胞核中均有ATP酶活性反应 进一步表明ATP酶活性是在胚性细胞发生过程中形成的 这种ATP酶活性的存在又可能为胚性细胞的分裂和发育提供能量 或者与物质和信息的传递密切相关 二 过氧化物酶和其它酶类 体细胞胚发生和发育是大量酶特异性合成及参与代谢的结果 体细胞胚发生和发育过程中具有较高的过氧化物酶活性和较多的同工酶种类 举例 如过氧化物酶在小麦体细胞胚发生中起着重要的作用 特别是C2 C6 C9三种三种同工酶带是胚胎发生的特异性酶带 被称为小麦体细胞胚发生的标志酶 在大麦的形态发生中分析几种酶的同工酶 结果发现过氧化物酶 酯酶和酸性磷酸酶同工酶的结合应用 可以作为体细胞胚发生的标志酶 近年来在枸杞的体细胞胚发生中 还发现超氧化物歧化酶 SOD 过氧化物酶 POD或POX 和过氧化氢酶 CAT 等几种抗氧化酶的活性在胚胎发生与发育过程中有特异性变化 表明体细胞胚发生也与超氧化物自由基的清除有关 三 体细胞胚发生过程中 存在着活跃的蛋白质合成 而且这些蛋白质合成为体细胞胚发生和发育奠定了分子基础 有关体细胞胚发生中可溶性蛋白质含量的变化已有大量研究报道 尽管有些结果不仅相同 但变化的趋势是相近的 在可溶性蛋白质含量上 各类材料中胚性愈伤组织的蛋白质含量和合成速率远高于非胚性愈伤组织 表明前者代谢高于后者 四 体细胞胚发生中特异的胚性蛋白质的形成 体细胞胚发生中不仅有蛋白质含量的变化 而且有特异的胚性蛋白质的形成 推测这些胚性蛋白既可作为调控因子 又可作为结构蛋白 贮藏蛋白和酶蛋白起作用 五 RNA代谢动态 RNA的合成是胚性细胞发生的分子基础 也是体细胞胚正常发育的重要条件 在体细胞胚发生和发育过程中不仅RNA合成速率远高于非胚性愈伤组织 而且mRNA种类丰富 不同发育时期mRNA种类不同 因而转译形成多种蛋白质 此外 这些mRNA的cDNA文库是研究胚胎发生与发育分子机制有效的分子探针 Sengupta等早在20世纪80年代初就发现 胡萝卜体细胞胚发生中 RNA合成始于胚性细胞培养的2 4小时 两天后细胞分裂较快 总RNA和蛋白质含量增加 而且在胚性细胞中主要合成poly A mRNA 并认为它的出现是体细胞胚分化的重要遗传信息 六 DNA代谢动态 DNA代谢动态与体细胞胚的形态学极性密切有关 它的合成为细胞分裂奠定了物质基础 为细胞分化提供了条件 二 体细胞胚发生中基因表达的调控 植物体细胞胚胎发生是一种特定细胞分化的结果 而特定细胞分化则是基因选择表达或受控表达的结果 因此 基因表达的调控是细胞正常生长 发育和分化的基础 也与生物体对环境的适应有密切的关系 真核基因表达调控包括 1 转录前的调控 如基因扩增 基因重排及DNA甲基化等 2 转录调控 3 转录后调控 如RNA剪切 mRNA从细胞核向细胞质的选择运输 RNA编辑等 4 翻译调控 5 翻译后调控 如蛋白质修饰等 一 体细胞胚发生中基因表达的激素调控 植物体细胞胚发生与激素关系密切 有些激素 2 4 D 对禾谷类植物的体细胞胚发生具有决定性作用 1 细胞分裂素对基因表达的调控 有研究表明 细胞分裂素能直接调控细胞核基因的活性 此外 还调控蛋白质的磷酸化以及调控蛋白质的翻译 进而调控体细胞胚的形成 2 生长素对基因表达的调控 60年代初Key等人提出 基因表达活化 假说 认为生长素调解生长过程所必需的蛋白质合成的mRNA形成 最近有研究表明 植物生长素能诱导mRNA的合成 而且能调控细胞内mRNA的含量水平 在苜蓿的体细胞胚发生的研究中 证明2 4 D可以诱导编码富含脯氨酸的小分子蛋白质基因 MsPRP5 的表达 在脱分化的愈伤组织中MsPRP5mRNA的积累与2 4 D的浓度有关 100 mol L的2 4 D处理愈伤组织20min mRNA的量开始增加 处理24 48hmRNA的量达到高峰 Gyorgyey等 1997 三 蛋白质磷酸化与基因表达 蛋白质的磷酸化和去磷酸化在蛋白质因子的激活 基因转录的调解中起重要作用 在植物的发育和代谢调控中 蛋白质的磷酸化起重要的作用 蛋白质的磷酸化可通过蛋白质构象的变化来激活或改变蛋白质的功能 Olah等 1989 发现苜蓿的培养物中有一种50kDa蛋白 这种蛋白可被Ca2 和自身的磷酸化作用激活 这种蛋白是一种Ca2 依赖性的蛋白质激酶 但它的功能还不清楚 四 体细胞胚发生中DNA的甲基化对基因表达的调控作用 DNA甲基化有许多重要的生物学功能 包括DNA复制起始 突变 限制修饰系统 基因表达调控及组织分化等 DNA甲基化主要发生在胞嘧啶C上 特别是在鸟嘌呤G旁边的C上 CpG上的C是最容易甲基化的位点 5 GCm 3 Loschiava等 1989 研究表明 2 4 D与DNA甲基化有关 当胡萝卜悬浮培养物在含高浓度的2 4 D的培养条件下 核DNA的甲基化从16 增加到45 核DNA甲基化的增加 表明对基因的抑制作用增强 当去除2 4 D并降低细胞密度时 核DNA便去甲基化 拟南芥体细胞胚诱导系统 A Freshlyisolatedprotoplasis B Firs