体细胞胚及人工种子

林木植物胞胚胎及人工种子森环森保所韩素英2012.10第一节体细胞胚的概念及其发生途径第二节人工种子体细胞胚及人工种子第一节体细胞胚的概念及其发生途径体细胞胚胎发生的意义体细胞胚胎发生的概念体细胞胚胎发生的方式体细胞胚胎的起源体细胞向胚性转变的制机体细胞胚胎发育成植株的能力影响体细胞胚胎发生的因素举例：落叶松体细胞胚胎发生体细胞胚胎发生的意义“HowdoesaSingleSomaticCellBecomeAWholePlant”(如何使一个单细胞发育成一棵完整植株，是世界科学必须解决的问题)是2005年SCIENCE杂志上提出的世界科学界25大问题之一(Oneof25“Whatdon’tweknow”inSCIENCEVol309,1July2005)林业上，体细胞胚胎发生是限制林业产业化和无性系化的关键技术，更是世界林业优良针叶树新品种实现快速繁殖的重要手段。下一张返回在应用上，体细胞胚胎发生是进行遗传转化、种质保存、快速繁殖、生理生化基础研究等的重要手段；它也是基因工程的桥梁，在林木的大量繁殖、品种改良、林木更新、沙漠改造等方面都有很大现实意义和经济效益。尤其对于针叶树难以无性繁殖的树。自1985年，第一例针叶树体细胞胚发生以来，国内外通过体胚发生获得完整植株有一些报道和专利，取得很大进展；Hakman首次报道挪威云杉未成熟胚形成体细胞胚并再生植株以来，国内外已从30多种不同针叶树培养产生了体细胞胚（Tautorus,1991），，迄今为止，已经有加勒比松(JainS.M.,1989)、糖松(GuptaP.K.，DurzanD.J.,1986)、火炬松、（BecwarM.R.,1989）落叶松美国的Weyerhaeuser公司用1升的三角瓶液体培养黄杉、火炬松、挪威云杉的ESM（embryo-genicsuspensormass）培养物，用这套系统生产了1千多棵黄杉再生植株和4千多棵挪威云杉的再生植株；美国WESTVACO公司的火炬松、新西兰的辐射松、加拿大CELLFORFORESTRY公司的云杉、冷杉、花旗松等都致力于通过体细胞胚胎发生途径进入规模化生产；澳大利亚林业部门已集中力量研究实施日益发展的商业化微繁技术；泰国柚木改良中心，每年能培育出200万株生物苗;加拿大锡尔巴杰公司研究使用不定胚生产云杉生物苗;日本正在研究不定胚生产人工种子;新西兰的辐射松纯林大都是利用生物苗营造的,现在塔斯曼林业公司每年可产250-300万株生物苗,这是世界林业大有希望的领域。无论用常规方法，还是生物技术，都应该向产业化方向发展，对针叶树种来说，常规方法很慢，体细胞胚胎发生则可在短期内迅速扩大数量体细胞胚发生存在的问题早萌问题同步化的问题体细胞胚不生根下胚轴不伸长子叶发育不正常体细胞胚（somaticembryo）又称胚状体，是指离体培养条件下没有经过受精过程而形成的胚胎类似物。一、体细胞胚的概念花粉培养单细胞悬浮培养原生质体培养组织器官培养体细胞胚花粉胚非合子胚非合子细胞合子胚无融合生殖胚**大量研究表明，大多数植物组织培养，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）**前者为二倍体的体细胞产生的胚状结构**后者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。体细胞胚的发生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、体细胞胚的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。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、重演受精卵形态发生的特性**植物组织培养过程中植物体细胞胚胎途径可归纳为两类：直接途径和间接途径。**直接途径是直接从原外植体不经愈伤组织阶段发育而成**间接方式是体胚从愈伤组织或悬浮细胞、有时也从已形成的体胚的一组细胞中发育而成，如香雪兰（Freesiarefracta）花序外植体经直接体细胞胚胎发生途径形成再生植株。二、体细胞胚胎发生的方式1直接途径直接发生体胚的来源细胞可以是外植体表皮、亚表皮、幼胚、悬浮培养的细胞和原生质体。一般认为直接方式发生体胚是由原先就存在于外植体中的胚性细胞――预胚胎决定细胞（PEDCs）培养后直接进入胚胎发生而形成体胚，如柑桔属的珠心组织（在体内或离体情况）通过预胚胎决定细胞直接进行体胚发生的最好例子.2间接途径间接体细胞胚胎发生中，外植体已分化的细胞先脱分化，并对其发育命运重决定而诱导出胚性细胞――诱导胚胎决定细胞（IEDCs），进而形成体细胞胚。1茎尖培养诱导形成胚性愈伤组织MS培养基附加2.0mg/L2,4-D2胚性愈伤组织悬浮培养增殖MS培养基附加2.0mg/L2,4-D3由细胞集合体形成体细胞胚MS培养基附加2.0mg/L2,4-D4体细胞胚萌发并形成小植株MS培养基附加1.0mg/LABA图甘薯品种栗子香胚性愈伤组织诱导体细胞胚和再生小植株胚性愈伤组织非胚性愈伤组织颜色淡黄白色表面光滑粗糙质地坚硬但易碎松散，水渍状胚性细胞的多少大量极少或无细胞形态小，圆球形管状或不规则形细胞质浓厚，染色深稀薄，染色浅内含物多少细胞核及核仁核明显，大，核仁多核小，核仁少，或无核胚性细胞团特征：成簇、成团，体积小，细胞质致密三、体细胞胚的起源体细胞胚胎发生途径有直接途径和间接途径，但无论哪一种发生途径，绝大多数研究报道认为体细胞胚胎起源于单细胞,从多种植物中都观察到单个胚性细胞，有不均等分裂的二细胞原胚和均等分裂的二细胞原胚、多细胞原胚、球形胚直到成熟胚。也有研究认为起源于多细胞。在同一块愈伤组织或一个胚性细胞复合体上可以观察到多个不同发育时期的体细胞胚，从单个原始细胞到多细胞的原胚、球形胚、鱼雷胚直至具子叶的胚状体，这是由体细胞胚发生和分裂的不同步所致。香蕉：心形体细胞胚可可：心形胚A和球形胚BAB1体细胞胚的单细胞起源a)胚性细胞第一次分裂；b-d)原胚第一次细胞分裂，鳄梨树形胚柄细胞仍保持单个细胞；e)胚柄细胞开始增殖；f-k)原胚和胚柄发育的不同时期；l)球形体细胞胚。(ep)=原胚；(s)=胚柄图仙人掌科体细胞胚胎早期发育（由单细胞形成球形胚时期）有的学者观察到体细胞胚来源于多细胞组成的胚性细胞复合体，王亚馥等人也观察到这种胚性细胞团，但用同位素脉冲标记实验即可证明这些细胞团也是由一个单细胞连续分裂而形成，经进一步分化和分裂形成不同发育时期的体细胞胚，因而这些体细胞胚实质也可能是起源于单细胞。当然也不排除有些植物的体细胞胚的确是起源于多细胞，仍有待深入研究。总之，体细胞胚胎的发生是一个非常复杂的生理过程，仍有许多问题尚需进一步研究。2体细胞胚的多细胞起源四、体细胞转变为胚性细胞的机制**合子胚来源于受精卵；体细胞胚是非合子胚，未经过雌雄配子受精这一过程，SomaticEmbryos又是如何形成？机制是什么？**体细胞胚无论起源于哪一种细胞，都存在着一个共同的问题，即体细胞是如何转变为胚性细胞而形成体细胞胚的。大量研究事实表明，植物细胞在一定培养条件下，具胚胎发生能力可能是一个普遍现象。1体细胞胚发生理论—渐变理论（1）体细胞胚胎发生实质**体细胞胚胎发生实质是细胞分化的问题，而细胞分化的分子基础则是基因差别表达与调控的结果。有关细胞分化的分子机制有许多理论，其中最具普遍性的是渐变理论，认为一个细胞系的细胞质因子间的互相作用是一个原发稳定基因组中基因活化的结果，从而使该细胞系与其它细胞系不同。外植体脱分化愈伤组织细胞分化胚性细胞非胚性细胞基因调控（2）渐变理论认为细胞分化可分为几个阶段？分为两个阶段：第一阶段为预定阶段，细胞接受了或预定了特殊发育命运，但并未表现出可见的特化标志，这种特性一旦建立就可以在细胞继代培养中得以稳定保持。第二阶段是表达阶段，在适宜条件诱导下，预定的细胞（pro-embroygenicdeterminedcells,PEDC）发生一系列生理生化和形态上的变化，表现出分化的特性，但由于这种表达与培养过程中诱导因素关系密切，而表现为一种生理反应，是不稳定的。（3）渐变理论的不足（一）未揭示体细胞胚胎发生的实质，以及细胞的预定性是如何实现的问题。（二）不能解释经多次继代培养的细胞往往会失去胚胎发生能力，因其理论认为预定性细胞在以后的培养过程中处于稳定状态。（三）不能解释体细胞胚胎直接发生途径和间接发生途径可因条件不同而相互转化的问题。**按预决定观点，从外植体组织或细胞直接形成体细胞胚的途径，需要一种诱导物的合成或抑制物的消除，来恢复有丝分裂活动和促进胚胎发育。这时生长素对胚胎发生常起抑制作用，去掉生长素并给以必要的条件就使细胞进入分裂周期，并进行胚胎发生的表达。**从外植体经过脱分化形成愈伤组织，间接产生体细胞胚的途径，则需要分化细胞的重新预决定，称为诱导的胚胎预决定的细胞（inducedembroygenicallydeterminedcells,IEDC），这时则需要生长素，诱导细胞进入细胞周期。生长素不仅作为使细胞发生分裂所必需的物质，而且也是使细胞进入胚胎状态所必需的因素。（4）按预决定观点，生长素对由直接途径和间接途径体细胞胚发生的作用五、体细胞胚发育成植株的能力1体细胞胚发育成植株的能力**一般来说胚胎一旦被分化出来或甚至完成诱导之后转移到基本培养基上即可发育成熟，并可形成小植株。**如陈东方等（1986）对棒头草幼穗培养的研究表明，体细胞胚形成之后，可以在原来培养基上或MS无任何附加成分的培养基上以及1/2MS加IAA或NAA0.5mg/L和6-BA0.5mg/L培养基上萌发形成小植株。1茎尖培养诱导形成胚性愈伤组织MS培养基附加2.0mg/L2,4-D2胚性愈伤组织悬浮培养增殖MS培养基附加2.0mg/L2,4-D3由细胞集合体形成体细胞胚MS培养基附加2.0mg/L2,4-D4体细胞胚萌发并形成小植株MS培养基附加1.0mg/LABA图甘薯品种栗子香胚性愈伤组织诱导体细胞胚和再生小植株2体细胞胚萌发的两种不正常现象体细胞胚萌发时观察到两种不正常萌发现象：**一种是不完全萌发，即只有芽而无根或只有根而无芽.**另一种是早熟萌发，即体胚还未表现出完整的胚结构之前就已萌发，萌发时盾片膨大形成一叶状体，在叶状体基部长出芽。注意：体细胞胚胎途径的形态发生能力要比器官分化途径保持更长久。六、影响体细胞胚发生的因素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。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。水稻细胞培养中也发现，由于2,4-D促进细胞内源IAA含量提高进而诱导胚性细胞的形成，并认为内源IAA含量上升或维持在较高水平，是胚性细胞出现的一个共同标志。一些研究表明，ABA对植物体细胞胚的发生与发育具