发育生物学 第二章 植物发育的细胞学基础

第二章植物发育的细胞学基础任何植物的个体都是由一个细胞, 即受精卵发育而来的，发育的过程都是通过细胞的分裂和分化来完成的。

植物的生长发育依赖于细胞的生长、分裂和分化，而细胞的生长、分裂和分化都涉及细胞周期。

2.1 细胞周期2.1.1 处于不断分裂中细胞的细胞周期（1）细胞周期: 指连续分裂的细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂结束所经历的整个过程。

（2）两个阶段: 20世纪50年代以前，人们通过光学显微镜看到的能连续分裂的细胞，除了分裂过程外看不到其他变化，因此就把分裂期以外的时期称作间期，即把这种细胞从一次分裂到下次分裂的时间分为分裂期和分裂间期两个阶段。

（3）四个阶段: 32P标记后的放射自显影技术研究蚕豆苗根尖细胞分裂过程时发现，有丝分裂过程必需的DNA复制发生于分裂间期中的一个区段，并把此过程划分为4个时期，即S期（DNA合成期）Synthesis、M期（有丝分裂期）Mitosis、G1期（M期结束到S期间的间隙）Gap1、G2期（S期结束到M期间的间隙）Gap2。

细胞在此周期中顺序经过G1-S-G2-M而完成其增殖。

G1期：有大量蛋白质和RNA的合成，为此期中细胞的生长，特别是为S期中DNA 的合成准备好原料和相关的酶等调节因子，但其最关键的事件是启动DNA的复制。

S期：主要是进行DNA的复制。

G2期：主要为细胞进入M期在结构和功能上作准备，与有丝分裂装置有关的微管蛋白的合成开始于S期，完成于G2期。

M期：是进行有丝分裂的各个时期，最后形成2个子细胞。

2.1.2 植物细胞周期调控基本机制细胞周期的中心控制体系：细胞周期能够严格按照G1-S-G2-M的顺序运转是与相关调控基因的有序表达分不开的。

我们把这个调控体系称为细胞周期的中心控制体系。

组成：它是由周期蛋白（cyclin)家族和依赖于周期蛋白的激酶家族（cyclin-dependent kinase, CDK）组成的复合物控制的。

（1）CDK: 植物细胞周期中多数调控因子具有特殊的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性，因他们与周期蛋白结合才能起作用，被命名为周期蛋白依赖激酶。

CDK结构特征：与其他蛋白激酶一样，CDK也包含了保守的蛋白激酶结构域；CDK含有特异性的结构域，在第三个结构域中都含有PSTAIRE，有周期蛋白和ATP 结合区，Thr161（苏氨酸）Thr14(苏氨酸),Tyr15(酪氨酸)所在的磷酸化调节位置。

CDK的活性调节：1）周期蛋白结合激活CDK。

2）磷酸化激活CDK: 需要CAK催化CDK T环上的苏氨酸(Thr)161残基磷酸化，CAK是CDK激活激酶，CDK activating kinase。

3）脱磷酸化激活CDK: CDK的完全活化需要由CDC25磷酸酶除去Thr14和Tyr15上的磷酸基团（脱磷酸化）。

4）CKI抑制CDK: CYC-CDK的活性还受到一类抑制蛋白CKI(又称KRP)的调节。

(2)细胞周期蛋白各种周期蛋白之间存在着共同的分子结构特点，均含有称为周期蛋白框的一段相当保守的氨基酸序列来介导与CDK的结合，调节CDK的活性。

目前已有60多个周期蛋白从植物中分离出来，在与动物周期蛋白做序列相似性比较基础上，将这些周期蛋白分为A、B、C、D、H、L型。

其中A和B型周期蛋白为M周期蛋白，分别在S期、G2期和M期早期积累；D型周期蛋白为G1周期蛋白，通过应答生长因子及营养元素控制G1期的进程；（3）细胞周期的推进依赖于特定类型的CYC与CDK的结合而形成的复合体，CDKA/CYCD是G1期的重要复合物。

细胞周期蛋白D（CyclinD,CYCD）与CDKA结合形成复合体，复合体在CAK 和CKI蛋白作用的调节下被激活，活化后的复合体通过磷酸化作用解除成视网膜瘤蛋白（PBR）和2对转录因子的抑制效应，释放转录因子E2F/DP复合体，能促进G1转换到S期所需的基因的表达。

G2期的关键复合体是CDKA/B/CYC,CYC包括了A,B,D型。

该复合体可以激活有丝分裂。

在M期结束时，周期蛋白通过依赖遍在蛋白（anaphas-promoting complex, APC）途径被水解，推出分裂期，完成一个细胞周期。

可以借用这样一个比喻来理解这一控制体系：中心控制体系对细胞周期的控制作用类似于全自动洗衣机中的控制器。

当它转到细胞周期中某特定点时，就启动该点的细胞进行一系列活动，如DNA复制、有丝分裂等等。

（6）细胞周期与抗癌药物：癌細胞與一般正常細胞的最大差別是在於癌細胞能夠一直無限的增生，而這就是癌細胞的細胞週期(cell cycle) 已經不受正常的調控（恶性生长）最明顯的證據。

如果能夠利用藥物去控制癌細胞的細胞週期，使癌細胞停止增生，甚至使癌細胞進行程式性凋亡，那麼就能夠達到我們所預期的抗癌效果。

多數的抗癌藥物都是針對影響癌細胞的細胞週期所研發的。

1）S期：造成DNA 損害的烷基化試劑、阻礙DNA 的複製的嵌合試劑能夠造成細胞週期停滯在S 期2）抑制Cyclins/CDKs 的活性。

癌細胞相較於一般細胞的差別是會不斷增生，所以在組織內細胞複製所需要的蛋白質會大量表現，所以Cyclins/CDKs 複合物也會大量表現。

Cyclins/CDKs 複合物在進行其生理功能時都需要ATP，所以若能夠阻礙ATP 進入Cyclins/CDKs 複合物的活化區域(active site)，就能夠阻礙Cyclins/CDKs複合物進行正常的生理功能，而能夠造成癌細胞的增生停止。

3）有絲分裂期 (mitosis)：微管 (Microtubules) 是組成細胞骨架的非常重要的一個成分，並且在細胞的有絲分裂中牽引染色體的分離和細胞分裂。

當癌細胞大量的進行有絲分裂的時候，必須有非常多的微管幫助，如果能夠利用小分子藥物直接干擾微管的功能，就能有效的阻止有丝分裂。

2.1.2 细胞分化与细胞周期（1）从细胞增殖和角度看细胞有3种状态：周期细胞：就是在细胞周期中运转的细胞，如分生组织细胞。

G0期细胞：暂时脱离细胞周期，停止细胞分裂，执行一定生物学功能的细胞，也称为静止期细胞。

它们可在适当刺激下重新进入细胞周期，进行增殖。

如茎皮层细胞通常不再进行细胞分裂，视为G0期，但发育到一定阶段，其中一些细胞恢复分裂活动，转变为形成层细胞，重新进入细胞周期。

终端分化细胞：指那些不可逆的脱离细胞周期，丧失分裂能力保持生理机能的细胞。

如韧皮部中的筛管分子。

（2）细胞分化与细胞周期关系：这些细胞在执行细胞周期程序的G1期中发生变化，在分化诱导信号（DIS)的诱导下，发生与分化有关的DNA 复制，经过与分化有关的DG2期，随后发生分化分裂（DM)，其分裂结果是一个子细胞回到正常的细胞周期，另一个子细胞分化为具有特定功能的细胞（DC ），不再进行DNA 复制，只进行与分化有关的一系列生理生化反应。

2.2 细胞分裂植物的细胞分裂有多种方式，根据其过程中染色体的变化可分为主要发生于生殖过程的减数分裂，发生于所有生长发育过程的有丝分裂和发生于病态或其他特殊生理状态下的无丝分裂三种。

减数分裂中细胞分裂两次，但只在第一次分裂前发生DNA 复制，并发生染色体联会，而第二次分裂中既不发生DNA 复制，也不发生染色体联会，所以分裂结果是产生四个单倍体细胞。

许多前期课程已对减数分裂的基本形态学过程作了详细描述，这里不再重复。

但应当指出的是，有关控制其过程的分子机理几乎还是空白。

无丝分裂只是发生于特殊情况，不在本课讨论范围。

有丝分裂在每次细胞分裂之前都要发生DNA 复制，所以子细胞的染色体数与母细胞相同。

根据所产生子细胞未来的命运可把有丝分裂分为增殖分裂和分化分减数分裂无丝分裂有丝分裂 根据染色体的变化 增殖分裂 分化分裂根据子细胞的命运裂两类。

2.2.1 增殖分裂增殖分裂：此种分裂产生的两个子细胞的大小、形态和细胞器的分布等都相同，也就是说这种分裂的结果只是细胞数量的增加。

在植物体内的分生组织增加自身的一类细胞分裂就属此类。

2.2.2 分化分裂分化分裂：此种分裂产生的两个子细胞的命运是不同的，它们将发育成完全不同的细胞。

例如，受精卵的第一次分裂，两个子细胞中的一个发育成胚本体，另一个则将发育成胚柄。

形成层纺锤状原始细胞的平周分裂，其子细胞中的一个将发育成木质部母细胞或韧皮部母细胞，另一个则维持形成层纺锤状原始细胞的特征。

韧皮部母细胞的进一步分裂仍为分化分裂，一个子细胞发育成筛管分子，另一个则发育成伴胞。

分化分裂的特点：（1）分裂面的变化增殖分裂：沿着新细胞壁面积最小的面进行分裂。

分化分裂：沿着新细胞壁面积最大的面进行分裂。

（2）分裂方向的变化细胞分裂的方向由不定向转向定向，往往是分化的开始。

（3）不等分裂的发生不等分裂：一个细胞内建立起极性以后，即引起不均等的细胞分裂，产生两个大小不等、命运不同的子细胞。

例如：受精卵的第一次分裂，在形成的两个子细胞中，具大液泡一端的大的子细胞将发育成胚柄，而细胞质浓厚的一端的子细胞则将发育成胚本体。

（4）细胞直径的异化由近乎等径变成沿一个方向伸长的细胞也是细胞开始分化的一个标志。

（5）细胞壁的变化a, 细胞壁成分的变化：许多细胞在分化过程中其细胞壁成分都要发生变化。

如，最幼小的分生组织细胞的细胞壁主要含果胶质和半纤维素，而较成熟的则含有非纤维素多糖和纤维素。

有的细胞壁成分可作为一些特定细胞的鉴别特征，如，木质素是鉴定木质部细胞分化的一个指标。

而栓质的出现则为木栓细胞分化的特征，也是鉴定凯氏带细胞壁的一个指标。

b, 细胞壁结构的变化：细胞在分化过程中，不仅细胞壁成分发生变化，细胞壁的结构也发生很大的变化。

初生壁：初生壁的结构会随着其分化成熟后功能的不同而不同。

如具有支持功能的厚角组织细胞，其初生壁发生不均匀的加厚；具储藏功能的细胞其初生壁则发生均匀的加厚，而具有运输和装卸载功能的传递细胞，其出生壁就形成内突生长。

次生壁的发生及其加厚方式的变化：植物体中有许多细胞在其分化过程中，于初生壁内面又形成了具不同层、不同结构的次生细胞壁，以适应其成熟后所行使的功能。

如具有支持功能的纤维和石细胞可形成具有单纹孔和分枝纹孔的次生壁；而具有运输水分和无机盐的木质部管胞分化出具有具缘纹孔的次生壁。

（6）细胞器的变化植物细胞在由原始细胞分化为各种具有特殊功能的细胞时，其原生质体，特别是其中的细胞器都要发生不同程度的变化，尤其是质体和液泡的变化最大。

液泡的变化：几乎所有细胞在其分化过程中液泡都要发生明显的变化，通常从在显微镜下看不到的分散的数量多的微小液泡发育成在光镜下能看到的明显的少而大的液泡。

质体的变化：随着原始细胞分化为具有不同功能的成熟细胞，质体也分化为具有相应功能的细胞器。

在光合组织的细胞中，质体分化为叶绿体；在分化为贮藏组织的细胞中则分化为造粉体；在花瓣等具颜色的组织细胞中则分化为杂色体。