植物细胞全能性.ppt

植物细胞的全能性，徐晓洋2011201043，植物细胞的全能性(totipotential ) :植物细胞都包含这种遗传信息，具有完整的植物遗传能力。 在适当的条件下，每个细胞都能生长成新个体。 植物细胞的全能性是植物组织培养的理论基础。 1、植物细胞全能性早期研究2、植物细胞全能性理论实验证据5、展望4、植物细胞全能性(组织培养)应用3、植物细胞全能性调控机制、德国植物生理学家戈特里布兰德(GotliebHaberlandt，1854-1945 )于1902年提出植物细胞全能性理论1、植物细胞全能性的早期研究，GotliebHaberlandt，planttissueculture :100 yearssinegottliebhbarlandt，Historyofplanttissueculture， molecularbiotechnologyvolume 37 number 2、169-180、doi :10.1007/s 12033-007-0031-3、gottly blant分离的小野芝麻栏细胞、大花凤眼兰叶柄木质部髓细胞、肺草和荨麻腺毛细胞、紫鸭拓草雄绒毛这些培养细胞能合成淀粉，体积增大，存活数周，未发生细胞分裂。 主要原因是他选择的实验材料和培养基不相配。 在今后的研究中，培养基成分的研究将成为组织培养研究和植物细胞全能性研究的突破口。 20世纪30年代至50年代，随着b族维生素的应用、生长素和细胞因子的发现，为培养基成分的完善和植物组织培养奠定了基础。 1957年斯科格和米勒提出了控制植物激素器官形成的概念，指出烟髓组织培养中根和芽的分化依赖于生长素和细胞分裂素的相对浓度，比例高则促进生根，比例低则促进芽的分化。 1962年，穆拉希格和斯科格提出了适合烟草组织培养的MS培养基，成为目前应用最广泛的培养基。 这些研究为实验证实植物细胞的全能性奠定了坚实的基础。 2、植物细胞全能理论的实验证据，为了证实植物细胞的全能性，需要解决两个问题。 一个是单细胞的分离增殖，二个是由单细胞的增殖组织生长为完整的株。 第一个问题在细胞培养装置发展后得到解决，前后发展了四种培养方式：振动培养、平板培养、悬浮培养和悬浮培养。 在细胞培养的基础上，Reinert和Steward (reinert和steward，1958 )报道了胡萝卜悬浮培养细胞和愈伤组织细胞胚，首次实验科学地论证了植物细胞的全能性。胡萝卜(ReinertandSteward，1958 )、烟草(Vasi1965 )、花药培养(GuhaandMaheswari，1966 )、原生质体培养(NagataandTakebe，1971 )、3、植物细胞全能性的调控机制、植物细胞全能性的果实茎尖和愈伤组织培养研究表明，我国已有700多种植物可在体外再生。 可是，植物细胞全能性的调控机制还不清楚，从细胞学、分子生物学等方面吸引人们。 3.1细胞学研究表达植物细胞的全能性，需要将分化成熟细胞的去分化诱导至分化组织细胞，再诱导分化组织、愈伤组织分化不定芽和体细胞胚胎，最后形成完整的株。 在研究胡萝卜培养细胞体细胞胚胎发生的过程中，发现了敏感细胞的存在。 接受状态细胞是指外植体细胞在培养初期以诱导形态发生的状态的细胞。 胡萝卜接受状态细胞是b状态细胞，球形且气泡化，能够分类为直径约12m的细胞的c状态细胞是球形且细胞质丰富、直径约12m的细胞即d状态细胞，长度、气泡化的细胞。b状态细胞的细胞壁中存在阿拉伯半乳聚糖(AGP )，c状态细胞中不含AGP。 麦克布(McCabe，1997 )等利用可识别上糖抗原簇的单克隆抗体JIM8进行细胞免疫荧光标记，揭示胡萝卜受体细胞的发生和发育过程。 b状态细胞壁由Jim-8抗体标记(深灰色)，b状态细胞壁出现极性时，只有一半细胞壁由Jim-8抗体标记，开始细胞分裂，与未由Jim-8标记的c状态细胞完全形成由Jim-8标记的f状态细胞。 c状细胞是胚胎接受状态细胞，与来自b状细胞的信号分子反应形成胚胎决定细胞，继续生长为体细胞胚。 f状细胞逐渐萎缩，成为g状细胞，最后细胞死亡。 (McCabe，1997 )、3.2分子生物学研究和分子生物学研究表明，成熟细胞的去分化表明，一些基因的表达与形态发生和细胞全能表达有关。 体细胞胚胎发生的许多蛋白质和基因克隆研究表明，植物细胞获得胚胎受体的作用基因是体细胞胚胎发生的受体激酶基因(somaticembryogenesisreceptorkinase，SERK )，该基因表达被认为是胚胎细胞的标志l997年，Schmidt等人从胡萝卜胚胎细胞培养物中分离出来的cDNA克隆编码LRRRLK，它首先在体胚发生过程中的胚胎单细胞中表达，因此是体细胞胚发生相关受体蛋白激酶(somicembryogenesisreceptorking ) SERK基因家族： dcSERKatserk1- ATS ERK5zmserk1- zmserk3OSS ERK1- OS ser k2ghsnerk1- GH ser k3tcerkmtserk1- MTS Berk 21，serk基因结构，DcSERK首先将7d 下胚轴培养5d后，增大的细胞开始出现，7d时增殖的细胞团表面的一些来源于原维管组织的增大细胞开始表达SERK。 在随后的培养过程中，一些小型细胞团簇也表达SERK，这些细胞都发育成体胚。 原位杂交结果表明，SERK表达在时间和数量上均与“受体细胞”的出现密切相关。 RT-PCR后southern杂交也表明SERK表达与外植体敏感细胞的出现之间有密切的相关性，SERK被认为是受体细胞的标志。 aleucine-richrepeatcontainingreceptor-likinsesmarchiticationplationmaticplementttoformembryos，development124， 2049-2062(1997 )、EdD.L.Schmidt FlaviaGuzzo、mare la.j.tooneandssaccoc.dev ries、拟南芥等其他植物中，SERK不仅表达于胚性细胞，也表达于非胚性细胞。 AtSERK1的表达较广泛，不仅在早期的合子胚及培养胚性细胞内大量表达，在雌配子体、孢子体原基周围细胞层、表皮细胞及成熟的根茎叶维管组织中也少量表达，在合子胚发育中仅在心型期表达。 TcSERK与ZmSERK2、MtSERK1的表达方式相似，在合子胚和体细胞胚的整个发育过程中表达。 TcSERK不仅在胚性愈伤组织和增殖胚中大量表达，而且在叶中微量表达，但在根、花瓣和退化雄蕊中不表达信号。 SERK基因的表达调控，不同植物的SERK基因有特定的表达方式，部分SERK基因在体细胞胚胎发生过程中过渡表达，表明SERK基因的表达可能受到严格控制。 Kim等人对苜蓿进行了高胚性和低胚性细胞培养，培养基中添加细胞分裂素类似物BAP(6-benzylaminopurine )和生长素类似物NAA(1-naphthaleneaceticacid )的培养物MtSERK1的表达水平在2天内显着提高，但培养基中未添加植物生长物质的培养物mtsberk1的表达水平2天后急速下降，表明植物生长物质BAP和NAA可能与mtsberk1表达的诱导和维持有关。 以上研究结果表明，植物生长物质参与了SERK基因的表达调控，不同植物可能存在不同的调控机制。 在SERK基因表达的负调控机制中，拟南芥AtSERK1的研究最为明确。AMP1蛋白很可能对AtSERK1的表达发挥负调控作用。 因为AtSERK1突变体的过度表达比AtSERK1提高体细胞胚胎的发生率，所以amp1突变体的AtSERK1表达水平远高于野生型的胚状体发芽后，amp1蛋白的积累与AtSERK1表达的降低或消失一致。 AMP1蛋白是一种谷氨酸羧肽酶，具有去除小分子和小信号肽分子的功能，但AtSERK1蛋白的n末端具有信号肽的特征，AMP1蛋白可能是负性控制AtSERK1表达的分子机制SERK基因的其他可能功能： SERK参与孢子体发育：拟南芥serk1或serk2单突变体无异常表型可引起孢子体发育，但serk1serk2双突变体可引起孢子体发育不全或雄性不育。 serk1serk2双突变体的被孢子细胞产生小孢子母细胞只能从减数分裂到四分体期，然后母性细胞消失，雄性完全不育。 SERK参与植物病害防御： OsSERK1是LRR-RLKs之一，不仅能感染稻瘟菌诱导表达，还参与水稻对稻瘟菌的反应。 水稻感染稻瘟菌后，OsSERK1诱导表达，其表达量与水稻抗病性有定性关系。 SERK可能与植物非减数分裂孤雌生殖有关： SERKandapostart.candidategeenesforapoxisinpoapratensis、PlantPhysiology、August2005、serk的信号转导、 serk蛋白具有典型的细胞外受体结合区、跨膜区和细胞内激酶活性结构区等特点，能够独立完成信号接收、跨膜传导和细胞内传导。 目前，研究了最多的SERK所涉及的信号传递路径，其中，AtSERK3(即BAK1)所涉及的例程(BRassinosteroid，br )信号传递路径。 AtSERK3与BR11共同接收细胞外BR信号，形成同源/异源二聚体或多聚体，抑制BIN2、GSK3的活性，激活BSU1，改变细胞内磷酸化水平和核转录因子BZS1和BZR1的稳定性，调节BR的基因表达，产生BR生理效应。 SERK基因总结：基因结构：表达调控：可能功能：信号转导：LRRRLK、受植物生长物质参BAP和NAA及AMP1蛋白调控，参与体细胞胚的发生、孢子体发育、植物病害防御和孤雌生殖等，DcSERK仅在胚细胞中表达， 其他SERK在非胚性细胞中也表达的AtSERK3涉及的芦丁信号转导途径、4、植物细胞全能性(组织培养)的应用、4.1无性系快速繁殖、快速繁殖是组织培养生产最广泛、最成功的领域。 通常一年内可繁殖数万种种苗，尤其对于推广珍贵品种、稀有品种、优良单株或新育品种具有重要意义。 离婚繁殖优良品种苗头最早在兰工业成功。 兰花成熟的种子多数不能生存，种子不能发芽，但原球茎组织培养可大幅度提高兰花的繁殖系数，形成了1960年代世界流行的“兰花工业”。 此外，牡丹、香石竹、菊花等难插的珍贵品种，无籽西瓜、草莓、猕猴桃、葡萄、菠萝、柑橘、樱桃、杉木等无性系迅速繁殖，大力推进生产。 培育4.2无病毒种苗，感染株不同部位病毒分布不一致，新生组织和器官病毒含量低，生长点几乎不含病毒。 这是因为分生组织的细胞生长迅速，病毒的繁殖速度相对较慢，而且病毒通过筛选管和细胞之间的线传播，在分生组织的扩散也受到一定的限制。 茎尖越小，去病毒的机会越大，但分离技术越难，生存也越难。 通常以0.20.5mm、具有12个叶原基的茎尖作为外植体，可以得到无病毒株系。 病毒病常使马铃薯减产50%左右。 近年来，我国马铃薯无病毒种苗种植面积已超过25万hm2，约占全国马铃薯种植面积的1/10，现在仍在不断扩大。 另外，通过试管对香蕉、苹果、甘蔗、葡萄、桉树、毛白杨、草莓、甜瓜、花卉进行消毒，与试管厂建立了无病苗圃。4.3新品种的选育，1 .花培和单倍体育种，花药和花粉培育的主要目的是诱导花粉发育形成单倍体株，迅速获得纯系，缩短育种周期，有利于选育隐性突变体，提高选择效率。 中国科学院遗传研究所于1970年获得首株水稻花药培养成苗，1971年获得小麦花药培养的多倍体植株。 近年来，烟草、水稻、小麦、大麦、玉米、青椒等多个花培优良新品种在生产方面得到广泛普及。 花药培养是克服远缘杂交亲和性的有效方法。 例如，棉远缘杂交种胚胎发育过程中胚乳生长不正常，停止幼胚分化，离体培养杂交授粉后的25d胚珠，可使胚生长为杂交株。 迄今为止，采用胚培养技术获得了多种栽培种和野生种杂种，选育了高抗病、抗虫、抗旱、耐盐、优质品系或中间材料，扩充了作物的基因库。 2、离体胚培养和杂交株的获得，3 .体细胞诱变和突变筛选，在离体培养条件下细胞不受整体控制而直接接触环境，且培养基中的化学成分和植物激素可能含有诱变因子和促突变条件，植物细胞在离体培养条件下容易发生染色体突变和基因突变。 加入物理或化学诱变处理，诱发突变的概率较高。 目前筛选出的突变品已应用于十种作物的改良。 早熟、丰产水稻和小麦新品系等高产多穗玉米新品系和抗白叶枯病的水稻赤霉病和抗根腐病的小麦高赖氨酸含量抗玉米和抗大麦早病的西红柿抗枯黄萎病、耐高温、耐盐性棉花新品系疫病、抗枯病的马铃薯突变系、抗除草剂的烟草系等。 4 .细胞融合和杂种株的获得、细胞融合(cellfusion )是指在一定条件下将两个以上细胞融合成一个细胞的过程。 用纤维素酶、半纤维素酶、分离酶等分离细胞，得到纯原生质体。 原生质体脱去细胞壁后，容易诱导融合，外来遗传物质、细胞器等也容易摄取。 原生质体融合可以部分克服远