2023/12/201第三章

植物細(xì)胞全能性

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細(xì)胞脫分化、再分化2023/12/2023.1植物細(xì)胞全能性3.1.1植物的再生現(xiàn)象自然界高等植物個(gè)體發(fā)育過(guò)程中，具有兩種繁育方式：有性繁殖：雌雄配子的結(jié)合，形成合子。無(wú)性繁殖：不經(jīng)過(guò)雌雄配子的結(jié)合，而是用其母體的一部分進(jìn)行繁殖。2023/12/203無(wú)性繁殖具有多種方式：（1）利用原有的芽和根來(lái)繁殖（2）利用原有的芽，而后再生根，最后形成植株（3）既無(wú)芽又無(wú)根也能繁殖（利用愈傷組織再分化成株）植物的再生作用，對(duì)于植物細(xì)胞全能性的發(fā)現(xiàn)起著及其重要的作用。2023/12/2043.1.2植物細(xì)胞全能性概念3.1.2.1細(xì)胞全能性的認(rèn)識(shí)過(guò)程

1902年德國(guó)植物學(xué)家Haberlandt在自然界再生作用的啟迪下，提出假說(shuō)。

1958年由Steward等人證明：胡蘿卜細(xì)胞（一小塊愈傷組織）在適宜的條件下（液體懸浮培養(yǎng)）下會(huì)形成體細(xì)胞胚（胚狀體），其發(fā)育階段與合子胚相似，最后形成小植株。此后又證實(shí)了胡蘿卜單一的細(xì)胞（不必依賴于其他細(xì)胞的參與）亦具有這種能力。2023/12/2053.1.2.2植物細(xì)胞“全能性”的概念植物細(xì)胞具有該植物體全部遺傳的可能性，在一定條件下如同受精卵一樣，具有發(fā)育成完整植物體的潛在能力。兩個(gè)含義：1）植物細(xì)胞無(wú)論是體細(xì)胞還是生殖細(xì)胞，均具有該物種全部的遺傳信息2）每個(gè)植物細(xì)胞均具有發(fā)育成完整植物體的潛在能力2023/12/2063.1.3植物細(xì)胞全能性的實(shí)現(xiàn)途徑3.1.3.1離體培養(yǎng)技術(shù)在細(xì)胞全能性實(shí)現(xiàn)和利用中的作用植物細(xì)胞全能性是通過(guò)生命周期、細(xì)胞周期和組織培養(yǎng)周期來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

生命周期：表示以孢子體和配子體的世代交替

細(xì)胞周期：核質(zhì)周期

組織培養(yǎng)周期：組織與供體失去聯(lián)系，通過(guò)細(xì)胞脫分化、分裂、再分化成完整植株。2023/12/207植物的生活史（生命周期）：早期胚胎發(fā)育受精卵合子胚分化組織植物體形成構(gòu)成器官2023/12/2082023/12/209

離體培養(yǎng)技術(shù)的作用在于將離體狀態(tài)下的植物細(xì)胞，通過(guò)理化因子的人工調(diào)控而發(fā)育成完整植物體，從而使植物固有的潛在能力得以充分表達(dá)。2023/12/2010器官脫分化愈傷組織再分化組織植物體植物組織培養(yǎng)過(guò)程：外植體形成構(gòu)成2023/12/20113.1.3.2離體培養(yǎng)條件下的植物細(xì)胞全能性實(shí)現(xiàn)的途徑以植物的體細(xì)胞為培養(yǎng)材料以植物的性細(xì)胞為培養(yǎng)材料以原生質(zhì)體為培養(yǎng)材料對(duì)不同種的原生質(zhì)體進(jìn)行融合，培養(yǎng)融合后的雜合細(xì)胞利用DNA重組技術(shù)，培養(yǎng)具有新性狀的植物體2023/12/2012為什么植物細(xì)胞具有“全能性”，而

動(dòng)物細(xì)胞不表現(xiàn)“全能性”呢？

可能與動(dòng)物、植物在營(yíng)養(yǎng)需要、代謝類型和發(fā)育方式上的不同有著密切的關(guān)系。（1）動(dòng)物、植物在營(yíng)養(yǎng)需要上的不同①植物是自養(yǎng)的，可以進(jìn)行光合作用，還可以選擇性吸收各種無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)和水分。動(dòng)物所需要的養(yǎng)分和水分，完全是由外界供給的。②植物是自養(yǎng)的，它僅要求簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)并可通過(guò)自身的光合作用制造有機(jī)營(yíng)養(yǎng)。動(dòng)物除要求無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)外，還要求供給復(fù)雜的大分子有機(jī)營(yíng)養(yǎng)。2023/12/2013（2）動(dòng)物、植物的代謝類型不同①植物養(yǎng)分及水分的吸收和運(yùn)輸，依靠簡(jiǎn)單的輸導(dǎo)組織，運(yùn)往身體各個(gè)部位，由韌皮部將光合產(chǎn)物運(yùn)往植物體內(nèi)各個(gè)部位。動(dòng)物攝入各種有機(jī)、無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)和水分后，要通過(guò)各種復(fù)雜的系統(tǒng)送往全身。②植物可以吸收稀薄的養(yǎng)分，進(jìn)行自身濃縮來(lái)滿足植物體生長(zhǎng)發(fā)育的需要。動(dòng)物是在濃縮的環(huán)境中生活，不滿足這種條件，動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育就會(huì)受到影響。2023/12/2014（3）動(dòng)物、植物發(fā)育方式的不同①植物具有頂端分生組織和次生分生組織。因此，植物器官的建成，可以多次重復(fù)，是無(wú)限的。動(dòng)物器官建成是在發(fā)育的早期階段，一次發(fā)育形成不能重復(fù)。②植物胚胎是通過(guò)胚柄與母體相連，通過(guò)胚柄吸收營(yíng)養(yǎng)，同時(shí)還通過(guò)吸收胚乳的營(yíng)養(yǎng)來(lái)發(fā)育。動(dòng)物胚胎是通過(guò)胎盤與母體相連，通過(guò)血液循環(huán)吸收營(yíng)養(yǎng)。2023/12/20153.2植物細(xì)胞的分化3.2.1植物細(xì)胞的分化現(xiàn)象細(xì)胞分化現(xiàn)象普遍存在于植物界細(xì)胞分化：由于細(xì)胞的分工而導(dǎo)致的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的改變，或發(fā)育方式改變的過(guò)程。細(xì)胞分化的結(jié)果：導(dǎo)致形態(tài)發(fā)生，從而形成不同器官，不同器官又執(zhí)行著不同功能。2023/12/2016根結(jié)構(gòu)：表皮細(xì)胞排列整齊，沒(méi)有細(xì)胞間隙，形狀扁平，細(xì)胞壁薄，不具有葉綠體；功能是選擇無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)和水分。葉結(jié)構(gòu)：表皮細(xì)胞外壁，由一層脂肪性物質(zhì)組成的角質(zhì)層所覆蓋；氣孔由一對(duì)新月型細(xì)胞構(gòu)成，葉肉細(xì)胞位于表皮和皮層之間，排列整齊，細(xì)胞內(nèi)含由葉綠體；功能是進(jìn)行光合作用，合成有機(jī)營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能的不同或發(fā)育方式的不同，從而產(chǎn)生分工的不同。2023/12/20173.2.2分子遺傳學(xué)觀念如何解釋細(xì)胞分化植物個(gè)體發(fā)育的過(guò)程，表現(xiàn)為染色體上的不同基因，按一定順序，選擇性活化和阻遏。由于不同基因活化的結(jié)果，表現(xiàn)為合成不同的酶和蛋白質(zhì)分子。

就是，當(dāng)同一個(gè)基因型的細(xì)胞合成不同酶和蛋白質(zhì)時(shí)，即出現(xiàn)細(xì)胞的分化。2023/12/20183.3離體培養(yǎng)條件下植物細(xì)胞的

脫分化和再分化3.3.1相關(guān)概念：脫分化：外植體中已分化的細(xì)胞，在切割損傷和培養(yǎng)物內(nèi)外因素作用下，逐漸喪失其原有的分化的結(jié)構(gòu)和功能，合成代謝變得旺盛、細(xì)胞壁由厚變薄，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，包括核仁和染色體。即失去分化細(xì)胞的典型特征，細(xì)胞高度液泡化，形成無(wú)組織的細(xì)胞團(tuán)或愈傷組織的過(guò)程。2023/12/2019

細(xì)胞再分化：即脫分化后的分生細(xì)胞（愈傷組織）在特定的條件（離體培養(yǎng)）下，重新恢復(fù)細(xì)胞分化能力。再分化可以通過(guò)兩種不同途徑實(shí)現(xiàn)，一種是胚胎發(fā)生形成雙極性的胚狀體；另一種是器官發(fā)生，形成單極性的芽或根，進(jìn)一步發(fā)育成完整植物體的過(guò)程。成熟細(xì)胞分裂細(xì)胞形態(tài)建成多細(xì)胞團(tuán)完整植株脫分化再分化分裂增殖2023/12/2020愈傷組織：植物局部創(chuàng)傷后或在組織培養(yǎng)中，當(dāng)已分化的細(xì)胞恢復(fù)了細(xì)胞分裂能力，而增殖形成的無(wú)組織結(jié)構(gòu)、無(wú)器官分化的薄壁細(xì)胞團(tuán)。在組織培養(yǎng)中，先由外植體增殖產(chǎn)生，在一定條件下，對(duì)它經(jīng)過(guò)一段時(shí)間培養(yǎng)，可能從其再分化出具一定結(jié)構(gòu)及功能的器官，如根、莖、胚狀體或重新形成完整的植株。2023/12/20213.3.2離體培養(yǎng)下細(xì)胞的脫分化

和再分化的時(shí)期

從完整的植物體切下的一塊組織，經(jīng)過(guò)離體培養(yǎng)到器官發(fā)生，大致可分為：

誘導(dǎo)期

分裂期

分化期這三個(gè)時(shí)期中細(xì)胞代謝、細(xì)胞數(shù)目、細(xì)胞形態(tài)建成均有明顯的差別。2023/12/20223.3.2.1誘導(dǎo)期

細(xì)胞分裂的準(zhǔn)備期誘導(dǎo)期是通過(guò)一些刺激因素和激素的誘導(dǎo)作用，使其合成代謝活動(dòng)加強(qiáng)，迅速進(jìn)行蛋白質(zhì)和核酸物質(zhì)的合成。此期細(xì)胞的大小變化不大。特征：細(xì)胞質(zhì)增加，出現(xiàn)活躍的原生質(zhì)流動(dòng)，貯藏物質(zhì)淀粉等消失；隨著組織的活化，細(xì)胞內(nèi)的核糖體增加并形成大量多聚核糖體；RNA迅速合成和累積。注意：誘導(dǎo)期的長(zhǎng)短，因植物種類和外植體的生理狀況和外部因素而異。2023/12/2023

外源生長(zhǎng)物質(zhì)對(duì)誘導(dǎo)細(xì)胞開(kāi)始分裂效果最好。最常用的有2,4-D、NAA、IAA和細(xì)胞分裂素等。靜止細(xì)胞是具有分裂潛力的，只是被存在著的一類抑制劑所抑制，如果除去抑制物質(zhì)，就可恢復(fù)分裂能力。這些抑制物質(zhì)的作用是阻礙DNA復(fù)制，若加入抵消抑制劑影響的物質(zhì)，那么細(xì)胞就立即進(jìn)行DNA復(fù)制，全部細(xì)胞進(jìn)入合成期，并發(fā)生同步分裂。2023/12/20243.3.2.2分裂期

細(xì)胞從開(kāi)始分裂到持續(xù)分裂的時(shí)期分裂期是指細(xì)胞通過(guò)一分為二的分裂，不斷增生子細(xì)胞的過(guò)程。特征：細(xì)胞分裂快，細(xì)胞數(shù)量增加，體積變小、核和核仁變大，RNA含量持續(xù)上升外植體的細(xì)胞一旦經(jīng)過(guò)誘導(dǎo)，其外層細(xì)胞開(kāi)始發(fā)生細(xì)胞分裂，使細(xì)胞脫分化。2023/12/2025

如果在原培養(yǎng)基上繼續(xù)培養(yǎng)，細(xì)胞將不可避免地發(fā)生分化，產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)，但是把它及時(shí)轉(zhuǎn)移到新鮮的培養(yǎng)基上，則愈傷組織可無(wú)限制地進(jìn)行細(xì)胞分裂，而維持其不分化的狀態(tài)。2023/12/20263.3.2.3分化期

從愈傷組織形成到器官發(fā)生分化期是指停止分裂的細(xì)胞發(fā)生生理代謝變化而形成不同形態(tài)和功能的細(xì)胞。細(xì)胞內(nèi)開(kāi)始發(fā)生一系列的形態(tài)和生理變化，導(dǎo)致細(xì)胞在形態(tài)和生理功能上的分化，出現(xiàn)形態(tài)和功能各異的細(xì)胞。特征：細(xì)胞形態(tài)大小保持相對(duì)穩(wěn)定，體積不再減小，愈傷組織不再增殖。細(xì)胞有原來(lái)的平周分裂轉(zhuǎn)入組織內(nèi)部局部區(qū)域的分裂從而形成“瘤狀結(jié)構(gòu)”和“片壯結(jié)構(gòu)”。2023/12/2027細(xì)胞內(nèi)的生化變化：各種酶的活性加強(qiáng)淀粉的累積：根、芽器官形成的先決條件RNA和組蛋白合成速度加快2023/12/2028

根器官的形成：由維管組織外圍的分生細(xì)胞單向極性生長(zhǎng)而形成根原基。芽器官的形成：由愈傷組織局部外緣細(xì)胞分化形成芽原基，分化過(guò)程中，逐漸與維管組織相連接；也可以直接由維管組織結(jié)節(jié)單向極性分化形成。2023/12/2029終上所述：離體條件下的器官再生都必須經(jīng)過(guò)細(xì)胞的脫分化過(guò)程。即：除了原有的芽（包括潛伏芽）和根原基外，培養(yǎng)外植體（成熟細(xì)胞），均需經(jīng)過(guò)細(xì)胞脫分化形成愈傷組織后發(fā)生器官再生。2023/12/20303.3.3植物細(xì)胞脫分化和再分化3.3.3.1植物細(xì)胞的機(jī)械隔離和生理隔離由切割而造成的機(jī)械和生理隔離對(duì)細(xì)胞脫分化、再分化是十分重要的，也可以說(shuō)是植物細(xì)胞全能性表現(xiàn)的重要措施。2023/12/20313.3.3.2植物激素的作用植物生長(zhǎng)素：?jiǎn)?dòng)細(xì)胞分裂。其中尤以2,4-D對(duì)啟動(dòng)細(xì)胞脫分化和形成胚性細(xì)胞團(tuán)，即具有器官分化能力的分生組織更為重要。植物細(xì)胞分裂素：使已經(jīng)脫分化的細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)保持有絲分裂。從而使細(xì)胞團(tuán)能夠進(jìn)行繼代培養(yǎng)。2023/12/2032植物激素與植物細(xì)胞的再分化：生長(zhǎng)素與細(xì)胞分裂素的配比創(chuàng)傷和外源激素可以改變分生細(xì)胞的遺傳信息：使形成層細(xì)胞（分生細(xì)胞）改變了控制細(xì)胞分化的遺傳信息，從而改變了代謝路線，使形成層細(xì)胞朝著“胚性細(xì)胞”的發(fā)現(xiàn)分化2023/12/2033分子遺傳學(xué)的解釋

植物個(gè)體的發(fā)育是受植物體內(nèi)的全部遺傳信息中部分信息的“開(kāi)”和“關(guān)”所控制的。而控制這一過(guò)程的“效應(yīng)子”就是植物激素。植物激素中的生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素是啟動(dòng)細(xì)胞脫分化、分裂和再分化的關(guān)鍵性激素。所以在離體培養(yǎng)條件下，由于切割創(chuàng)傷和外源激素的作用下，使部分遺傳信息開(kāi)放。從而改變了植物的代謝路線，使之朝著胚性細(xì)胞的方向發(fā)育2023/12/2034再分化過(guò)程的兩種方式：（1）器官發(fā)生方式：不定根脫分化愈傷組織再分化不定芽外植體轉(zhuǎn)管再生植株脫分化愈傷組織再分化胚狀體外植體再生植株（2）無(wú)性胚胎方式：2023/12/20353.4胚狀體

3.4.1植物胚狀體發(fā)生的普遍性胚狀體的發(fā)生方式：（1）花藥或花粉培養(yǎng)：人工孤雌生殖（2）愈傷組織培養(yǎng)：離體器官上間接發(fā)生（3）離體器官培養(yǎng)：離體器官上直接發(fā)生（4）單細(xì)胞懸浮培養(yǎng)2023/12/2036

在胚狀體研究上，由于胚狀體再生植株的優(yōu)點(diǎn)是一是分化率高，繁殖系數(shù)大，二是繁殖速率快，三是成苗率高(培養(yǎng)物上產(chǎn)生胚狀體數(shù)目比不定芽多；形成速度快；結(jié)構(gòu)完整)。另外通過(guò)胚狀體再生的缺點(diǎn)是遺傳變異頻率較大。2023/12/2037

由于胚狀體具有這些優(yōu)點(diǎn)，所以在育種工作及園藝工作中，可用胚狀體作為特定的優(yōu)良基因型個(gè)體的無(wú)性繁殖手段，同時(shí)在研究胚胎發(fā)育中也有很重要的理論意義。

2023/12/20383.4.2植物胚狀體的概念植物離體培養(yǎng)中器官發(fā)生的四種基本方式：1.先芽后根2.先根后芽3.在愈傷組織的不同部位形成芽和根，再通過(guò)維管組織的聯(lián)系形成完整植株。4.細(xì)胞脫分化后形成類胚結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)歷與合子胚相似的發(fā)育方式進(jìn)一步發(fā)育成完整的植株2023/12/2039

胚狀體：對(duì)應(yīng)于種子胚而言。在離體培養(yǎng)過(guò)程中產(chǎn)生一種形似胚（具有明顯的根端和芽端），功能與胚相同的結(jié)構(gòu)。石龍芮下胚軸培養(yǎng)產(chǎn)生胚狀體過(guò)程2023/12/2040三層含義：（1）胚狀體是離體培養(yǎng)的產(chǎn)物，區(qū)別于無(wú)融合生殖的胚（2）胚狀體起源于非合子胚，區(qū)別于合子胚（3）胚狀體的形成經(jīng)歷于合子胚相似，區(qū)別于離體培養(yǎng)時(shí)分化的芽體2023/12/20413.4.3胚狀體的類別和特點(diǎn)類別：1）體細(xì)胞胚：來(lái)源于根莖葉以及它們的組織和細(xì)胞。染色體組為兩套。2）生殖細(xì)胞胚：來(lái)源于孢子細(xì)胞。染色體組為單套。3）三倍體胚：來(lái)源于胚乳細(xì)胞。具有三套染色體組。2023/12/2042特點(diǎn)：1）兩極性：即在發(fā)育的早期階段，從其方向相反的兩端分化出莖端和根端，而不定芽或不定根都為單向極性。2