第二章++细胞全能性与形态发生

第二章细胞全能性与形态发生第一节植物细胞全能性第二节离体条件下植物细胞的脱分化与再分化第三节器官分化与体细胞胚胎发生第四节影响细胞脱分化和再分化的因素第五节培养物的遗传和变异第一节植物细胞全能性一、植物细胞全能性的理论全能性概念全能性是细胞的一个基本属性全能性是细胞的一种潜在特性二、植物细胞全能性的实现途径1.全能性概念植物细胞的全能性由德国植物学家haberlandt于1902年提出。并于1958年由Reinert和Steward证实。广义的细胞全能性（totipotancy）是指一个细胞发育成一个完整有机体的潜能或特性。在离体培养中，植物细胞的全能性是指任何一个具有完整细胞核的植物细胞，都拥有形成完整植株所必需的全部遗传信息，在适宜条件下都能分化发育成一个完整植株的潜在能力。自然条件下细胞全能性的表达植物个体的生长发育过程：精卵细胞结合合子有丝分裂生物体细胞分化发育不同组织和器官植物体父母本遗传信息结合遗传信息由亲代细胞传给子代细胞遗传信息的不同时空表达特定结构、功能和生理特点的细胞植物体细胞A.具有细胞全能性（遗传基础）B.不表现全能性a.受所在组织、器官束缚b.高度分化离体条件适当刺激因此：营养条件温度、光照、湿度植物激素从理论上讲，植物细胞只要具有一个完整的膜系统和一个有生命力的核，就具有回复到分生状态或胚性细胞状态的能力。并非所以的细胞都能再现全能性:细胞回复到分生状态的能力，取决于其在原来所处的自然部位上已经达到的细胞和生理状态。强：一些营养生长中心（如根尖、茎尖、芽尖）、形成层及分泌细胞、薄壁细胞等。弱：角质化、木质化的细胞，纤维细胞，核已解体的细胞（如筛管和木质部成分）。细胞全能性的再现受到基因型的限制和环境的影响。2.全能性是细胞的一个基本属性离生长中心越远，分化程度越高的细胞，其向分生状态回复的可能性就越小。这与分化细胞的类型及其所处的位置有关。图不同类型细胞脱分化过程可能进行的程度（箭头越长代表向分生状态回复的能力越弱）二、植物细胞全能性的实现途径植物细胞全能性可以通过生命周期（A循环）、细胞周期（B循环）和组织培养周期（C循环）三条途径得以实现。三者密切相关联：♠细胞周期是细胞分裂、分化的基础，因此也是生命周期和组织培养周期的基础，生命周期和组织培养周期都需要通过细胞周期来实现细胞的全能性。♠细胞周期中DNA的重组和克隆又需要通过组织培养周期实现转化和表达，进而得到遗传转化的个体。♠组织培养周期又必须通过生命周期来实现细胞全能性的表达、延续和利用。第二节离体条件下植物细胞的脱分化与再分化细胞分化(植物)(动物)一、脱分化和再分化的概念二、脱分化和再分化的条件与过程三、细胞的脱分化四、细胞的再分化1.脱分化：指已分化成熟的细胞失去原有的状态和功能而恢复到未分化的愈伤组织或细胞团的过程。2.再分化指离体培养中形成的处于脱分化状态的愈伤组织或细胞团再度分化形成另一种或几种类型的细胞、组织、器官进而形成完整植株的过程。3.再分化过程的两种形式（1）器官发生型（2）胚胎发生型一、脱分化和再分化的概念分化成熟的细胞要表现其全能性，实现植株再生，必须经历脱分化和再分化过程。高度分化的细胞愈伤组织芽、根或胚状体脱分化再分化脱分化细胞分化状态分生状态分化状态愈伤组织脱分化后的植物细胞，往往经过多次细胞分裂形成一团无特定结构和功能的松散的薄壁细胞，称为愈伤组织（Callus）。愈伤组织细胞一般大而不规则，高度液泡化，没有次生细胞壁和胞间连丝。愈伤组织由其表面向内是分生中心，细胞体积明显变小，有胞间连丝和果胶质，这一分生中心是愈伤组织增殖的主要部位。愈伤组织实际上是一种典型的脱分化组织。二、脱分化和再分化的条件离体条件：把要培养的细胞从植物体其余部分的抑制性影响下解脱出来，即使这部分细胞处于离体的条件下；外界刺激：要给予它们适当的刺激，包括适宜的营养条件、环境条件以及一定植物激素的作用。外植体脱分化（可能产生愈伤组织）植株植株植株植株根芽同生先根后芽先芽后根不定器官体细胞胚脱分化和再分化的过程示意图再分化三、细胞的脱分化（一）细胞脱分化过程中的生理活动与结构变化1.细胞质变浓，细胞器增多，大液泡消失，核增大并移位到细胞中央。2.质体的变化：叶绿体分裂变小，片层退化并逐渐消失，内部出现淀粉粒，转化为淀粉体，其中的淀粉粒消失后转化为原质体。3.线粒体变化：数量迅速增加，嵴趋于发达。4.其他细胞器如高尔基体、内质网等显著增加。不同来源、不同分化类型的细胞脱分化过程中的细胞变化存在差异。（二）细胞脱分化的调控机制1.细胞脱分化调控的实质是G0期细胞回复到分裂周期的调控过程。2.已克隆多个植物激素诱导表达基因，但大都功能未知。植物激素作用的发挥，需要相应受体蛋白以及其他信号转导过程的参与。（三）脱分化与细胞分裂1.两者关系（1）观点1：脱分化在启动细胞分裂的过程中完成；（2）观点2：细胞完成脱分化状态的转变之后启动细胞分裂。2.脱分化细胞的第一次分裂存在无丝分裂，这也许与外植体细胞的类型有关。3.对于组织器官培养，细胞分裂往往首先发生在组织分离时的伤口部位，然后逐渐延伸到整个外植体，并形成愈伤组织。4.脱分化可形成愈伤组织，也可形成胚性细胞团（体细胞胚）三、细胞的脱分化四、细胞的再分化1．细胞分化细胞分化是基因组中特定基因选择性表达的结果。2．组织分化1．细胞分化细胞分化是组织分化、器官分化和体细胞胚胎发生的第一步。植物细胞分化的研究重点是维管组织的分化，特别是木质部成分的分化。2．组织分化拟分生组织是脱分化后细胞发生一系列分裂产生的，其细胞体积小、壁薄、液泡小，细胞质和细胞核染色深。维管组织结节是是一定区域的愈伤组织转化为韧皮分子和木质分子的混合体结构，这样的结构若向外延伸与拟分生组织相连，便形成芽原基或根原基。可以认为维管组织结节是再生植株维管束的前身。愈伤组织芽原基根原基分生组织结节维管组织结节第三节器官发生与体细胞胚胎发生器官发生发生方式特点分化过程原球茎发生方式体细胞胚胎发生概念发生方式特点来源器官发生和体细胞胚发生的主要区别外植体细胞愈伤组织根、芽直接器官发生（转分化）间接器官发生器官发生有直接发生和间接发生两种方式间接器官发生经愈伤组织的器官发生顺序有以下几种情况：①先芽后根。多数植物属于这种情况；②先根后芽。如颠茄、枸杞、苜蓿等。③根芽同生。如胡萝卜、石刁柏。④仅有根或芽再生，形成无芽的根或无根的芽直接器官发生外植体不经过典型的愈伤组织即可形成器官原基：（1）外植体中存在器官原基，进一步培养即形成相应的组织器官，进而再生植株。如茎尖和根尖等材料。（2）外植体中的部分细胞，重新分裂后直接形成分生细胞团，然后由分生细胞团形成器官原基。♣在叶肉细胞再生植株过程中，最初细胞的平周分裂不仅是细胞的脱分化，也是细胞发育发生的转变。拟分生组织芽原基器官发生的特点器官发生是单极性的：分化的器官只是与原先存在于愈伤组织或外植体中的维管组织相连，而在根芽之间却缺乏联系起源于多细胞，形成的器官易存在嵌合现象。器官分化过程经愈伤组织再分化为器官一般要经过三个生长阶段（1）外植体经诱导形成愈伤组织；此时的细胞处于无序生长的非分化状态，细胞含大的液泡，蛋白质少，细胞器不发达。（2）形成“生长中心”，产生排列有序的致密细胞团；生长中心的细胞体积小，细胞质稠，蛋白质丰富，液泡逐渐消失。（3）器官原基与器官形成生长中心的某些细胞分化形成管状细胞，进而形成微管组织，开始形成器官原基，进一步分化出相应的组织和器官。原球茎可理解为缩短的、呈珠粒状的、由胚性细胞组成的、类似嫩茎的器官石斛兰原球茎体细胞胚胎发生概念是指体细胞或生殖细胞在未经性细胞融合（受精）的情况下，模拟有性合子胚胎发生的各个阶段而发育成新个体的形态发生过程。一般将这种非合子细胞起源于的、经历胚胎发生和胚胎发育所形成的类胚结构，称为胚状体或体细胞胚。魔芋的体细胞胚体细胞胚胎发生方式外植体细胞愈伤组织体细胞胚直接胚胎发生间接胚胎发生体细胞胚胎有直接发生和间接发生两种方式石龙芮幼苗下胚轴胚状体发生过程A.培养一个月的幼苗,下胚轴产生许多胚状体;C.两个表皮细胞,可由此产生胚状体;D-G.原胚发生过程;J.心形胚状体;H.I.:已分化子叶、胚根及维管束地胚状体体细胞胚胎发生特点①具双极性。②生理隔离。胚状体内具有共同的维管束贯穿两极，但其胚根端的外缘是封闭的，与周围母体愈伤组织或外植体组织并无或很少有维管束相连，这就使得胚状体的维管组织分布呈现独立的“Y”字型。③起源于单细胞，遗传性相对稳定。由胚状体长成的植株遗传稳定性好，变异较小，很少存在嵌合现象；④发育过程与合子胚相似。并具有与合子胚类似的形态结构；⑤可独立萌发形成小苗。图胡萝卜胚状体和合子胚发生过程比较A合子胚B胚状体体细胞胚胎离体培养来源①愈伤组织培养②离体器官或组织培养③单倍体细胞培养④悬浮细胞培养⑤原生质体培养器官发生型胚胎发生型形成部位内层细胞表层细胞形成时间可能不一致一致嵌合性存在无极性单极性双极性起源一个以上的细胞单个细胞器官发生型和胚胎发生型的区别第四节影响细胞脱分化和再分化的因素一、培养材料（内因）（一）基因型（二）外植体的生理状态二、外界影响因素（一）培养基（二）植物激素（三）环境条件一、培养材料（内因）（一）基因型不同的种间、品种间甚至同一品种的纯种和杂种之间，细胞全能性的表达却差在显著差异。（二）外植体的生理状态对于同一器官或组织而言，幼年状态的外植体比成年期的容易培养和再生植株。同一植株不同幼嫩程度的外植体或同一器官不同部位的组织，离体培养的难易程度也存在较大差异。愈伤组织本身的生理状态也影响到其形态发生的能力。表2-1苹果“橘苹”品种不同树龄的茎尖*新梢增殖数量的比较培养材料类型培养体增殖（%）每个茎尖产生新稍数(个)4周6周4周6周实生苗（幼年期）初代培养507036继代培养83891015成年株（刚开花）初代培养020（8周）14（8周）继代培养5667810（一）培养基培养基基本成分1．无机元素2．有机营养培养基的物理性质1．培养基的物理状态2．培养基的pH3．培养基的渗透压此外，培养基中的其他一些成分，如无机磷、活性炭等也影响培养物的形态发生。1．无机元素无机盐浓度高低芽的分化和增殖根的分化无机盐种类培养基中同时存在硝态氮和氨态氮才可分化产生胚状体2．有机营养培养基中的糖类、有机添加物以及各种氨基酸和维生素等，对细胞的脱分化和再分化也有重要影响.培养基的pH越橘4.5葡萄5.7~6.0胡萝卜6.0月季5.8苹果5.8~6.0桃6.0~7.0茄子5.8香石竹5.8山楂5.4~5.8芥菜5.4~7.5青椒5.8大麦4.9荔枝5.8石刁柏5.8~6.0番茄6.5玉米5.8种类最适pH种类最适pH种类最适pH种类最适pH龙眼5.8蚕豆5.5杜鹃4.0水稻5.0培养基的渗透压培养基的渗透压是影响培养细胞形态发生的重要因素。培养基的渗透压影响细胞对物质的吸收。一般较高的渗透压抑制愈伤组织的增值；对幼胚和单倍体细胞的培养，往往需要较高的渗透压。根的分化常要求较低的渗透压。培养基渗透压的高低可通过调节培养基糖浓度来实现。（二）植物激素生长素和细胞分裂素都具有诱导脱分化细胞再分化的功能，只是生长素的作用更倾向于根的分化，而细胞分裂素趋向于芽的分化。1．植物激素与脱分化植物激素不仅对愈伤组织诱导起决定性作用，而且对愈伤组织的特性也有重要影响。2．植物激素与再分化植物激素控制器官分化的模式：3.植物激素的使用原则愈伤组织的质地、颜色植物激素控制器官分化的模式生长素/细胞分裂素高低适当根的分化芽的分化愈伤组织生长植物激素的使用原则不同植物激素的作用特点和特性。激素调控器官分化的模式。外植体本身的内源激素大概水平。查阅文献资料。某种形态发生所需的激素水平外植体中内源激素的大概水平应该添加的外源激素量=1mg/L0.01mg/L0.99mg/L=（三）环境条件（一）温度培养温度与植物细胞的脱分化、细胞分