第二章++細胞全能性與形態(tài)發(fā)生

第二章細胞全能性與形態(tài)發(fā)生第一節(jié)植物細胞全能性第二節(jié)離體條件下植物細胞的脫分化與再分化第三節(jié)器官分化與體細胞胚胎發(fā)生

第四節(jié)影響細胞脫分化和再分化的因素第五節(jié)培養(yǎng)物的遺傳和變異第一節(jié)植物細胞全能性一、植物細胞全能性的理論全能性概念全能性是細胞的一個基本屬性全能性是細胞的一種潛在特性二、植物細胞全能性的實現途徑1.全能性概念植物細胞的全能性由德國植物學家haberlandt于1902年提出。并于1958年由Reinert和Steward證實。廣義的細胞全能性（totipotancy）是指一個細胞發(fā)育成一個完整有機體的潛能或特性。在離體培養(yǎng)中，植物細胞的全能性是指任何一個具有完整細胞核的植物細胞，都擁有形成完整植株所必需的全部遺傳信息，在適宜條件下都能分化發(fā)育成一個完整植株的潛在能力。

自然條件下細胞全能性的表達植物個體的生長發(fā)育過程：精卵細胞結合合子有絲分裂生物體細胞分化發(fā)育不同組織和器官植物體父母本遺傳信息結合遺傳信息由親代細胞傳給子代細胞遺傳信息的不同時空表達特定結構、功能和生理特點的細胞植物體細胞A.具有細胞全能性（遺傳基礎）B.不表現全能性a.受所在組織、器官束縛b.高度分化離體條件適當刺激因此：營養(yǎng)條件溫度、光照、濕度植物激素從理論上講，植物細胞只要具有一個完整的膜系統(tǒng)和一個有生命力的核，就具有回復到分生狀態(tài)或胚性細胞狀態(tài)的能力。并非所以的細胞都能再現全能性:

細胞回復到分生狀態(tài)的能力，取決于其在原來所處的自然 部位上已經達到的細胞和生理狀態(tài)。 強：一些營養(yǎng)生長中心（如根尖、莖尖、芽尖）、形成層 及分泌細胞、薄壁細胞等。 弱：角質化、木質化的細胞，纖維細胞，核已解體的細胞 （如篩管和木質部成分）。細胞全能性的再現受到基因型的限制和環(huán)境的影響。2.全能性是細胞的一個基本屬性離生長中心越遠，分化程度越高的細胞，其向分生狀態(tài)回復的可能性就越小。這與分化細胞的類型及其所處的位置有關。圖不同類型細胞脫分化過程可能進行的程度（箭頭越長代表向分生狀態(tài)回復的能力越弱）二、植物細胞全能性的實現途徑

植物細胞全能性可以通過生命周期（A循環(huán)）、細胞周期（B循環(huán)）和組織培養(yǎng)周期（C循環(huán)）三條途徑得以實現。三者密切相關聯(lián)：

?細胞周期是細胞分裂、分化的基礎，因此也是生命周期和組織培養(yǎng)周期的基礎，生命周期和組織培養(yǎng)周期都需要通過細胞周期來實現細胞的全能性。

?細胞周期中DNA的重組和克隆又需要通過組織培養(yǎng)周期實現轉化和表達，進而得到遺傳轉化的個體。

?組織培養(yǎng)周期又必須通過生命周期來實現細胞全能性的表達、延續(xù)和利用。

第二節(jié)

離體條件下植物細胞的

脫分化與再分化

細胞分化(植物)(動物)一、脫分化和再分化的概念

二、脫分化和再分化的條件

與過程三、細胞的脫分化四、細胞的再分化

1.脫分化：指已分化成熟的細胞失去原有的狀態(tài)和功能而恢復到未分化的愈傷組織或細胞團的過程。2.再分化指離體培養(yǎng)中形成的處于脫分化狀態(tài)的愈傷組織或細胞團再度分化形成另一種或幾種類型的細胞、組織、器官進而形成完整植株的過程。3.再分化過程的兩種形式（1）器官發(fā)生型（2）胚胎發(fā)生型一、脫分化和再分化的概念

分化成熟的細胞要表現其全能性，實現植株再生，必須經歷脫分化和再分化過程。

高度分化的細胞愈傷組織芽、根或胚狀體脫分化再分化脫分化細胞分化狀態(tài)分生狀態(tài)分化狀態(tài)愈傷組織脫分化后的植物細胞，往往經過多次細胞分裂形成一團無特定結構和功能的松散的薄壁細胞，稱為愈傷組織（Callus）。愈傷組織細胞一般大而不規(guī)則，高度液泡化，沒有次生細胞壁和胞間連絲。愈傷組織由其表面向內是分生中心，細胞體積明顯變小，有胞間連絲和果膠質，這一分生中心是愈傷組織增殖的主要部位。愈傷組織實際上是一種典型的脫分化組織。二、脫分化和再分化的條件

離體條件：

把要培養(yǎng)的細胞從植物體其余部分的抑制性影響下解脫出來，即使這部分細胞處于離體的條件下；外界刺激：

要給予它們適當的刺激，包括適宜的營養(yǎng)條件、環(huán)境條件以及一定植物激素的作用。外植體脫分化（可能產生愈傷組織）植株植株植株植株根芽同生先根后芽先芽后根不定器官體細胞胚脫分化和再分化的過程示意圖再分化三、細胞的脫分化（一）細胞脫分化過程中的生理活動與結構變化1.細胞質變濃，細胞器增多，大液泡消失，核增大并移位到細胞中央。2.質體的變化：葉綠體分裂變小，片層退化并逐漸消失，內部出現淀粉粒，轉化為淀粉體，其中的淀粉粒消失后轉化為原質體。3.線粒體變化：數量迅速增加，嵴趨于發(fā)達。4.其他細胞器如高爾基體、內質網等顯著增加。不同來源、不同分化類型的細胞脫分化過程中的細胞變化存在差異。（二）細胞脫分化的調控機制1.細胞脫分化調控的實質是G0期細胞回復到分裂周期的調控過程。2.已克隆多個植物激素誘導表達基因，但大都功能未知。植物激素作用的發(fā)揮，需要相應受體蛋白以及其他信號轉導過程的參與。（三）脫分化與細胞分裂1.兩者關系（1）觀點1：脫分化在啟動細胞分裂的過程中完成；（2）觀點2：細胞完成脫分化狀態(tài)的轉變之后啟動細胞分裂。2.脫分化細胞的第一次分裂存在無絲分裂，這也許與外植體細胞的類型有關。3.對于組織器官培養(yǎng)，細胞分裂往往首先發(fā)生在組織分離時的傷口部位，然后逐漸延伸到整個外植體，并形成愈傷組織。4.脫分化可形成愈傷組織，也可形成胚性細胞團（體細胞胚）三、細胞的脫分化四、細胞的再分化1．細胞分化

細胞分化是基因組中特定基因選擇性表達的結果。2．組織分化

1．細胞分化細胞分化是組織分化、器官分化和體細胞胚胎發(fā)生的第一步。植物細胞分化的研究重點是維管組織的分化，特別是木質部成分的分化。2．組織分化擬分生組織是脫分化后細胞發(fā)生一系列分裂產生的，其細胞體積小、壁薄、液泡小，細胞質和細胞核染色深。維管組織結節(jié)是是一定區(qū)域的愈傷組織轉化為韌皮分子和木質分子的混合體結構，這樣的結構若向外延伸與擬分生組織相連，便形成芽原基或根原基。可以認為維管組織結節(jié)是再生植株維管束的前身。愈傷組織芽原基根原基分生組織結節(jié)維管組織結節(jié)第三節(jié)器官發(fā)生與體細胞胚胎發(fā)生器官發(fā)生

發(fā)生方式

特點

分化過程

原球莖發(fā)生方式

體細胞胚胎發(fā)生

概念

發(fā)生方式

特點

來源器官發(fā)生和體細胞胚發(fā)生的主要區(qū)別外植體細胞

愈傷組織

根、芽

直接器官發(fā)生（轉分化）間接器官發(fā)生器官發(fā)生有直接發(fā)生和間接發(fā)生兩種方式間接器官發(fā)生經愈傷組織的器官發(fā)生順序有以下幾種情況：①先芽后根。多數植物屬于這種情況；②先根后芽。如顛茄、枸杞、苜蓿等。③根芽同生。如胡蘿卜、石刁柏。④僅有根或芽再生，形成無芽的根或無根的芽直接器官發(fā)生外植體不經過典型的愈傷組織即可形成器官原基：（1）外植體中存在器官原基，進一步培養(yǎng)即形成相應的組織器官，進而再生植株。如莖尖和根尖等材料。（2）外植體中的部分細胞，重新分裂后直接形成分生細胞團，然后由分生細胞團形成器官原基。?在葉肉細胞再生植株過程中，最初細胞的平周分裂不僅是細胞的脫分化，也是細胞發(fā)育發(fā)生的轉變。擬分生組織芽原基器官發(fā)生的特點器官發(fā)生是單極性的：分化的器官只是與原先存在于愈傷組織或外植體中的維管組織相連，而在根芽之間卻缺乏聯(lián)系

起源于多細胞，形成的器官易存在嵌合現象。器官分化過程經愈傷組織再分化為器官一般要經過三個生長階段（1）外植體經誘導形成愈傷組織；此時的細胞處于無序生長的非分化狀態(tài)，細胞含大的液泡，蛋白質少，細胞器不發(fā)達。（2）形成“生長中心”，產生排列有序的致密細胞團；生長中心的細胞體積小，細胞質稠，蛋白質豐富，液泡逐漸消失。（3）器官原基與器官形成生長中心的某些細胞分化形成管狀細胞，進而形成微管組織，開始形成器官原基，進一步分化出相應的組織和器官。原球莖可理解為縮短的、呈珠粒狀的、由胚性細胞組成的、類似嫩莖的器官

石斛蘭原球莖體細胞胚胎發(fā)生概念是指體細胞或生殖細胞在未經性細胞融合（受精）的情況下，模擬有性合子胚胎發(fā)生的各個階段而發(fā)育成新個體的形態(tài)發(fā)生過程。一般將這種非合子細胞起源于的、經歷胚胎發(fā)生和胚胎發(fā)育所形成的類胚結構，稱為胚狀體或體細胞胚。魔芋的體細胞胚體細胞胚胎發(fā)生方式外植體細胞

愈傷組織

體細胞胚

直接胚胎發(fā)生間接胚胎發(fā)生體細胞胚胎有直接發(fā)生和間接發(fā)生兩種方式石龍芮幼苗下胚軸胚狀體發(fā)生過程A.培養(yǎng)一個月的幼苗,下胚軸產生許多胚狀體;C.兩個表皮細胞,可由此產生胚狀體;D-G.原胚發(fā)生過程;J.心形胚狀體;H.I.:已分化子葉、胚根及維管束地胚狀體體細胞胚胎發(fā)生特點①具雙極性。②生理隔離。胚狀體內具有共同的維管束貫穿兩極，但其胚根端的外緣是封閉的，與周圍母體愈傷組織或外植體組織并無或很少有維管束相連，這就使得胚狀體的維管組織分布呈現獨立的“Y”字型。③起源于單細胞，遺傳性相對穩(wěn)定。由胚狀體長成的植株遺傳穩(wěn)定性好，變異較小，很少存在嵌合現象；④發(fā)育過程與合子胚相似。并具有與合子胚類似的形態(tài)結構；⑤可獨立萌發(fā)形成小苗。圖胡蘿卜胚狀體和合子胚發(fā)生過程比較A合子胚B胚狀體體細胞胚胎離體培養(yǎng)來源①愈傷組織培養(yǎng)

②離體器官或組織培養(yǎng)

③單倍體細胞培養(yǎng)

④懸浮細胞培養(yǎng)

⑤原生質體培養(yǎng)

器官發(fā)生型胚胎發(fā)生型形成部位內層細胞表層細胞形成時間可能不一致一致嵌合性存在無極性單極性雙極性起源一個以上的細胞單個細胞器官發(fā)生型和胚胎發(fā)生型的區(qū)別第四節(jié)

影響細胞

脫分化和再分化的因素

一、培養(yǎng)材料（內因）（一）基因型

（二）外植體的生理狀態(tài)

二、外界影響因素（一）培養(yǎng)基（二）植物激素

（三）環(huán)境條件一、培養(yǎng)材料（內因）（一）基因型

不同的種間、品種間甚至同一品種的純種和雜種之間，細胞全能性的表達卻差在顯著差異。（二）外植體的生理狀態(tài)對于同一器官或組織而言，幼年狀態(tài)的外植體比成年期的容易培養(yǎng)和再生植株。同一植株不同幼嫩程度的外植體或同一器官不同部位的組織，離體培養(yǎng)的難易程度也存在較大差異。愈傷組織本身的生理狀態(tài)也影響到其形態(tài)發(fā)生的能力。表2-1蘋果“橘蘋”品種不同樹齡的莖尖*新梢增殖數量的比較培養(yǎng)材料類型培養(yǎng)體增殖（%）每個莖尖產生新稍數(個)4周6周4周6周實生苗（幼年期）

初代培養(yǎng)507036繼代培養(yǎng)83891015成年株（剛開花）

初代培養(yǎng)020（8周）14（8周）繼代培養(yǎng)5667810（一）培養(yǎng)基培養(yǎng)基基本成分

1．無機元素

2．有機營養(yǎng)

培養(yǎng)基的物理性質

1．培養(yǎng)基的物理狀態(tài)

2．培養(yǎng)基的pH

3．培養(yǎng)基的滲透壓

此外，培養(yǎng)基中的其他一些成分，如無機磷、活性炭等也影響培養(yǎng)物的形態(tài)發(fā)生。

1．無機元素無機鹽濃度高

低芽的分化和增殖根的分化無機鹽種類培養(yǎng)基中同時存在硝態(tài)氮和氨態(tài)氮才可分化產生胚狀體2．有機營養(yǎng)培養(yǎng)基中的糖類、有機添加物以及各種氨基酸和維生素等，對細胞的脫分化和再分化也有重要影響.培養(yǎng)基的pH越橘4.5葡萄5.7~6.0胡蘿卜6.0月季5.8蘋果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大麥4.9荔枝5.8石刁柏5.8~6.0番茄6.5玉米5.8種類最適pH種類最適pH種類最適pH種類最適pH龍眼5.8蠶豆5.5杜鵑4.0水稻5.0培養(yǎng)基的滲透壓培養(yǎng)基的滲透壓是影響培養(yǎng)細胞形態(tài)發(fā)生的重要因素。培養(yǎng)基的滲透壓影響細胞對物質的吸收。一般較高的滲透壓抑制愈傷組織的增值；對幼胚和單倍體細胞的培養(yǎng)，往往需要較高的滲透壓。根的分化常要求較低的滲透壓。培養(yǎng)基滲透壓的高低可通過調節(jié)培養(yǎng)基糖濃度來實現。（二）植物激素生長素和細胞分裂素都具有誘導脫分化細胞再分化的功能，只是生長素的作用更傾向于根的分化，而細胞分裂素趨向于芽的分化。

1．植物激素與脫分化

植物激素不僅對愈傷組織誘導起決定性作用，而且對愈傷組織的特性也有重要影響。2．植物激素與再分化

植物激素控制器官分化的模式：3.植物激素的使用原則愈傷組織的質地、顏色植物激素控制器官分化的模式生長素/細胞分裂素高低適當根的分化芽的分化愈傷組織生長植物激素的使用原則不同植物激素的