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1、第二章 茎端分生组织 （shoot apical meristem，SAM）,植物分生组织的概念 茎端分生组织的形成 茎端分生组织的形态发生 侧芽的形成与分生组织的重建 茎端分生组织发育的遗传控制,1. 植物分生组织的概念,Meristem：是指植物的胚性组织，或一群未分化、正在生长并活跃分裂的细胞。,细胞较小，等径的多面体，细胞壁薄，细胞核相对较大，细胞质较稠密，有少量小的液泡 。,分生组织的分类 以茎轴为参照系，根据分生组织所处的部位： 顶端分生组织（apical meristem）是植物根尖、茎端的分生组织。茎端分生组织（shoot apical meristem，SAM）、根端分生组织

2、（root apical meristem, RAM） 侧生分生组织（lateral meristem）在某些植物根茎等器官近表面与长轴平行的方向上呈桶状分布的分生组织。包括形成层（cambium）；木栓形成层（cork cambium）。 居间分生组织（intercalary meristern）在某些植物发育过程中，已经分化的成熟组织间夹杂着一些未完全分化的分生组织。,根据分生组织细胞之间的衍生关系 ： 原生分生组织（promeristem）从胚胎中保留下来，具有持久的分生能力，位于根、茎的最前端 初生分生组织（primary meristem）原分生组织衍生，形态上有初步分化，但具有分生

3、能力。 次生分生组织（secondary meristem）由已经分化的细胞恢复分生能力形成分生组织。,分生组织在植物发育中的重要性 通过活跃的细胞分裂而完成多细胞植物个体的形态建成。 茎端分生组织是被子植物生活周期完成的中心。,2.茎端分生组织的形成,The SAM can produce very different organs, depending on the phase of its life cycle, from leaves with various shapes during the vegetative phase, to flowers during the repro

4、ductive phase.,Longitudinal section of a paraffin-embedded WT SAM of the plant model Arabidopsis thaliana, showing an in situ hybridization of the CLV3 gene Fabrice Besnard Teva Vernoux Olivier Hamant (2011). Cell. Mol. Life Sci. 68:28852906,All SAMs in higher plants share a stereotypical common str

5、ucture: a central, often dome-shaped domain surrounded by several emerging organs. Cells in the meristem proper are considered as undifferentiated, because of their smaller size, a reduced vacuole, and an active mitotic cycle.,Shoot apical meristem organization 原套原体学说（tunica-corpus theory） 细胞组织学的分区学

6、说（cytohistological zonation theory）,The tunica consists usually of 2-3 cell layers where cell division occurs primarily in the anticlinal plane (perpendicular to the surface). 原套通常包含有2-3层细胞，细胞进行严格的垂周分裂，以保持原套的层状排列。,Structural zonation of the SAM, CZ central zone, PZ peripheral zone, P primordium, I I

7、nitium, L1L3 cellular layers,The corpus is the mass of cells in the central part of the meristem and cell divisions occur in all planes. 原体由分生组织中央的细胞群组成，可以进行平周、垂周两种分裂，细胞排列较为杂乱。,叶的表皮主要来自L1细胞层 叶肉细胞由L2细胞层衍生 叶维管组织来源于L3细胞层,Central Zone（CZ）：是多能性干细胞和其他区细胞的发源地，细胞核显著。 Peripheral Zone（PZ）：围绕中心区延伸，是 侧生器官的发生区域，

8、细胞分裂活跃。 Rib Zone（RZ）： 位于分生组织的基部，是顶端分生组织与茎组织之间的过渡区，成为分生组织和完全分化细胞之间的一个边界。,此外，环绕外周区的区域将成为器官区（OZ），器官原基在此区形成形态上可以区分的结构。,OZ,Spatial variations of cell cycle rate in the SAM,Genetic zonation of the SAM.,Putative distribution for the three main hormones auxin, cytokinin, and gibberellins in the SAM.,Mechani

9、cal stresses in the SAM. The models predict that the L1 is under tension and internal tissues are under compression.,Besnard T et al。Cell. Mol. Life Sci. (2011) 68:28852906,草原龙胆的花芽分化进程,形态分化前期,萼片原基（CaP）分化期,花瓣原基（PeP）分化期,雄蕊原基（SP）分化期,雌蕊原基（PP）分化初期,雌蕊原基（PP）分化末期,花瓣原基（PeP I）分化期,萼片原基（CaP）分化期,花瓣原基（PeP II）分化期,

10、雄蕊原基（SP）分化期,花瓣原基（PeP III）分化期,雌蕊原基（PP）分化末期,草原龙胆的花芽分化进程,Initiation of Shoot apical meristem 从受精卵分裂开始，一个新的植物生活周期中最初的茎端分生组织的来源 各个分枝茎端分生组织的来源,合子进行第一次非对称的横向分裂形成顶细胞和基细胞，由顶细胞发育成原胚，基细胞发育成胚柄，从而建立起纵轴的极性。 顶细胞进行两次纵向分裂产生四细胞原胚，然后进行横向分裂，形成八细胞原胚，分裂产生的细胞壁称为O线，将原胚分为两个不同的区域。,在球形胚期，O线上方由表皮层和下皮层两层细胞组成，在向鱼雷胚过渡时，下皮层细胞平周分裂，

11、下皮层再分为上下皮层和下下皮层。茎端分生组织就是由这三层细胞发育而来。当子叶向外长出时，夹在子叶间的三层细胞区变宽，形成茎端分生组织。,3.茎端分生组织的形态发生,不同类型的侧生器官是茎端分生组织形态发生的标志 茎端分生组织活动终结方式的多样性 叶转变为花器官 ：月季等单花植物 花序分生组织 形成刺或卷须，如山楂、葡萄。,侧芽的形成与分枝 侧芽的活动基本上是在不同程度上重复受精卵细胞起源的茎端分生组织的活动，两者之间最重要的不同，在于侧芽的茎端分生组织的形成方式与受精卵细胞起源的茎端分生组织不同。 主茎的茎端分生组织在形成叶原基时保留在其叶腋处的分生细胞所组成； 叶腋处已分化的细胞重新脱分化而

12、形成。,4. 侧芽的形成及茎端分生组织的重建,茎端分生组织的重建 侧芽不是直接从保留在叶腋处茎端分生细胞形成的。 这就涉及从已分化的细胞脱分化而形成新的茎端分生组织，即茎端分生组织重组的问题。 茎端分生组织是一团活跃分裂的胚性细胞。那么，已分化的细胞是如何逆转其分化的方向、退回到分化程度低的胚性状态？这一直是人们关心的一个有趣的问题。,Kalanchoe laxiflola,5.茎端分生组织发育的遗传控制,茎端分生组织的中心区域有一群分裂速度较慢的茎干细胞(stem cell, 以下称干细胞), 它们分裂可以产生两部分细胞, 一部分称干细胞后裔(progeny of stem cell), 它

13、们留在原来的位置, 保持着多潜能性; 另一部分称子细胞(daughter cells), 它们最终会离开中心区域而进入周边区域, 在那里保持较快的分裂速度, 可以分化成为器官原基(Mayer等1998; Clark 2001)。细胞分裂产生新的干细胞和干细胞离开中心区域发生分化这两个过程之间必须维持平衡以保证茎端分生组织的正常功能(Fletcher等1999), 此种平衡的实现需要一系列基因的精确调控。,5.茎端分生组织发育的遗传控制,茎端分生组织发育突变体 shoot meristemless（stm）突变体：胚胎发育正常，但成熟的胚缺失茎端分生组织。 STM 不仅参与SM在胚中的起始，也是

14、维持SM在胚后生 长中形成器官所必需的。 STM促进CZ细胞的分裂，维持保持未CZ细胞分化状态。 STM编码HD蛋白。,wuschel（wus）突变体：能够形成2至数片叶，在叶腋处又能起始一些不定分生组织重复几次，导致植株发育成丛缩状。在某些情况下，偶尔产生一些无定型的茎枝并开花，但只形成花萼和花瓣和单个雄蕊，表明WUS基因并不抑制器官形成，而是特化分生组织细胞命运所必需的。 WUS基因的功能或许是帮助建立CZPZ分界 。,Clavata（clv）突变体： 未分化细胞能够持续积累； CLV1基因编码一个类似受体的激酶具有胞外区和胞内区的蛋白，其N端有一个潜在的信号肽。一个21个氨基酸的胞外亮氨

15、酸富集(LRR)蛋白，一个跨膜区域，以及一个膜内的丝氨酸/苏氨酸激酶区域。 CLV基因限制CZ细胞分裂的速率；CLV基因促进进入PZ的细胞从未分化状态转换为分化状态。,CLAVATA3(CLV3) ： (L1) 、 (L2) of the central zone CLV1 mRNA ：(L3) of the central zone. WUSCHEL (WUS) ： restricted to a few cells within the L3 FILAMENTOUS FLOWER (FIL) ：expression demarcates lateral organ anlagen in t

16、he peripheral zone.,WUS编码一种由291个氨基酸组成的同源异型结构域蛋白。在胚后发育阶段，WUS始终在茎端分生组织中心区域的干细胞之下的一个小细胞群中表达, 此细胞群称为干细胞组织中心(stem cellorganizing center, OC) (Mayer等1998)。WUS的表达足以诱导干细胞特征基因CLV3在其上方的细胞中表达并赋予它们干细胞特征 。 在茎端分生组织中, WUS的存在能促使其中的干细胞保持未分化的状态, 并维持茎端分生组织的结构和功能的完整。,WUS通过与转录辅阻遏蛋白WSIP1和WSIP2结合, 抑制参与干细胞分化过程中的基因表达, 因而干细胞

17、能保持其多能性的特征。,WUS在拟南芥茎端分生组织内的干细胞组织中心表达, 使其上方的细胞维持干细胞特性, 这些干细胞通过分裂, 将部分子细胞推入周边区域形成器官原基, 同时维系自身的存在。在这个过程中CLV (CLV1、CLV2、CLV3)基因起调节作用。,CLV1在WUS表达区域的上方表达, 编码一个富亮氨酸受体蛋白激酶, 其胞外域由N末端信号序列和21个重复排列的亮氨酸组成。此外, 它还含有一个疏水性的跨膜域和一个存在于胞质内的激酶域 。,CLV2与CLV1以二硫键联结形成异二聚体。在CLV2的跨膜区域含有带电荷的氨基酸, 它与受体激酶跨膜区域之间的电荷作用能促使异二聚体的形成。,(A)

18、 A sketch of the Arabidopsis shoot apex showing various cell types compared with domains of WUS RNA and protein distribution. 3D reconstructed top view of a wus-1 mutant SAM rescued by pWUSTeGFP-WUS (B) and FMs of stage 2 (C), stage 3 (C), and stage 5 (D) showing eGFP-WUS protein (in green); cell ou

19、tlines were stained with FM4-64 (red). (E,F) Side views of SAMs showing eGFP:WUS protein extending into the PZ and into the L1 layer. (G,H) Side views of early and late stage FMs showing WUS protein localization. I, J, and K are side views of SAMs, early flowers, and late flowers, respectively, show

20、ing eGFP mRNA distribution in pWUSTeGFP:WUSexpressing plants.,Genes Dev. 2011 25: 2025-2030,WUS protein migrates from OC/niche into adjacent cells,(A) Illustration of the gene interactions in the model showing typical expression domains in the SAM. (B) Simulation results from a CLV3WUS feedback mode

21、l .The top row shows WUS expression, and the bottom row shows CLV3 expression. The left panel shows the wild-type expression domains, the middle panel shows the results from a perturbed WUS diffusion (the disappearance of the CLV3 expression can be interpreted as a terminated meristem), and the righ

22、t panel shows the expanded stem cell domain/CLV3 expression domain along the outer layers of cells upon misexpression of WUS from the CLV3 promoter, as shown in earlier In the color bar, a linear scale is used and normal represents the template value used for optimization,A computational model for 3

23、D patterning of gene expressions in the SAM., Three Arabidopsis AIL/PLT genes act in combination to regulate shoot apical meristem function Mudunkothge JS and KrizeBA. Plant Journal 2012, doi: 10.1111/j.1365-313X.2012.04975.x,A balance between stem cell renewal and organ production is required for c

24、ontinued meristem function.,The class I KNOTTED-like (KNOX) homeodomain protein SHOOT MERISTEMLESS (STM) acts within the meristem to promote cell division and suppress differentiation.,Endrizzi K et al. Plant J. 10, 967979,The CLAVATA (CLV1, CLV2 and CLV3) and WUSCHEL (WUS) proteins act in a second pathway to maintain a specified number of stem cells within the meristem.,M.K. Barton / Developmental Biology 341 (2010) 95113,ANT, AIL6/PLT3 and AIL7/PLT7 encode