第十二章 植物体细胞胚胎发生

(A) 伸长期合子；(B) 合子经过第一次分裂, 产生1 个顶细胞(绿色)和一个 基细胞(粉红色)；(C) 四分体胚: 顶细胞经历2 次纵向分裂，产生含有4 个 细胞的胚体和2 个细胞的胚柄；(D) 16 细胞球形胚: 8 细胞胚的所有细胞经 过1 次平周分裂, 产生包含8 个细胞的表皮原和8 个细胞的内部组织；(E) 早期心形胚；(F) 心形胚: 子叶和胚根原基已经出现；(G) 成熟胚胎。 1: 顶细胞; 2 : 基细胞; 3: 胚根原细胞, 形成未来的ROC 和根冠中央区; RM: 根尖生长点; SM: 茎尖生长点 图6.2 双子叶植物拟南芥的胚胎发育过程
品种Jack Jack（光照强度 Jack 50-60 µE m2 s-1）
品种 Fayette Fayette（光照强度50-60 µE m2 s-1）
品种Jack Jack（光照强度5-10 Jack µE m2 s-1）
品种Fayette Fayette（光照强度 Fayette 5-10 µE m2 s-1）
于非胚性愈伤组织，而且mRNA种类丰富 mRNA种类丰富 mRNA种类丰富、不同发育时期mRNA种类
不同，因而转译形成探针。
**Sengupta等早在20世纪80年代初就发现，胡萝卜体细胞胚发生 中，RNA合成始于胚性细胞培养的2-4小时 RNA合成始于胚性细胞培养的 RNA合成始于胚性细胞培养的2 小时，两天后细胞分裂较快，
总RNA和蛋白质含量增加 ，而且在 胚性细胞中主要合成poly(A)+ mRNA，并认为它的出现是体细胞胚分化的重要遗传信息。
（六）、DNA代谢动态
DNA代谢动态与体细胞胚的形态学极性密切有关，
它的合成为细胞分裂奠定了物质基础，为细胞分化提 供了条件。
二、体细胞胚发生中基因表达的调控 **植物体细胞胚胎发生是一种特定细胞分化的结果，而特定细
(三)、蛋白质磷酸化与基因表达 **蛋白质的磷酸化和去磷酸化在蛋白质因子的激活、基因转录 的调解中起重要作用。 **在植物的发育和代谢调控中，蛋白质的磷酸化起重要的作用， 蛋白质的磷酸化可通过蛋白质构象的变化来激活或改变蛋白质 的功能. Olah等（1989）发现苜蓿的培养物中有一种50kDa蛋白， 这种蛋白可被Ca2+和自身的磷酸化作用激活，这种蛋白是一种 Ca2＋依赖性的蛋白质激酶，但它的功能还不清楚。
（1）、内源激素与体细胞胚发生
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2，4D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。
（2）外源激素与体细胞胚发生
① 2，4-D与体细胞胚发生 2，4-D是诱导多种植物离体培养体细胞转变为胚性细胞的 重要激素。 单子叶植物和双子叶植物诱导体细胞胚胎发生时，所要求 的2,4-D的浓度不同，对单子叶植物而言，一般要求较高 浓度的2,4-D，其浓度范围为0.5-5mg/L，通常使用浓度为 2mg/L； 而对双子叶植物而言，一般要求较低浓度的2,4-D，其浓 度范围为0.02-1mg/L，通常使用的浓度为0.1mg/L。
体细胞胚，通常称花粉胚（pollen embryos），可发育成单倍 体植株。
单细胞悬浮培养 原生质体培养 组织器官培养
体 细 胞 胚
花粉培养 合子胚 无融合生殖胚
花 粉 胚
非 合 子 胚
非 合 子 细 胞
二 体细胞胚发生意义
**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
1、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Feijoa sellowiana Berg不同基因型体细胞胚诱导 （引自Miguel等，2001）
（三）、体细胞胚发生过程中，存在着活跃的蛋白 质合成，而且这些蛋白质合成为体细胞胚发生和发 育奠定了分子基础
**有关体细胞胚发生中可溶性蛋白质含量的变化已有 大量研究报道，尽管有些结果不仅相同，但变化的趋 势是相近的。在可溶性蛋白质含量上，各类材料中胚
性愈伤组织的蛋白质含量和合成速率远高于非胚性愈 伤组织，表明前者代谢高于后者。
（四）、体细胞胚发生中特异的胚性蛋白质的形成
**体细胞胚发生中不仅有蛋白质含量的变化，而且有特异
的胚性蛋白质的形成，推测这些胚性蛋白既可作为调控因 子，又可作为结构蛋白、贮藏蛋白和酶蛋白起作用。
（五）、RNA代谢动态
**RNA的合成是胚性细胞发生的分子基础，也是体细胞胚正常发育 的重要条件。在体细胞胚发生和发育过程中不仅RNA合成速率远高
二、 外植体与体细胞胚发生的影响
不同基因型、外植体体细胞胚发生能力不同。如 胡萝卜子叶不同部位培养诱导的发育过程不同。只有 表皮下细胞具有真正细胞全能性和有能力直接产生体 细胞胚（胚胎发生区），而不用通过愈伤组织阶段的 诱导。
表皮下细胞
根发生区细胞 芽发生区细胞
胡萝卜子叶不同部位外植体示意图
三 光与体细胞胚发生
A,C,E为离体培养6周后的体细胞 胚；B,D,F为离体培养5个月后形 成的体细胞胚 A:品种GK7 ，在添加83.0 mM centrophenoxine培养基上; B: 品种AT120，在添加124.4 mM centrophenoxine培养基上; C: 品种59-4144，在添加12.4 mM dicamba培养基上; D:品种 AT120，在添加83.0 mM dicamba 培养基上; E: 品种VC1，在添加83.0 mM picloram培养基上; and F:品种VC1，在添加124.4 mM picloram培养基上. 图 含不同种类和不同浓度生长 素固体培养基上成熟花生胚轴体 细胞胚诱导
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遗传性相对稳定 4重演受精卵形态发生的特性
（一）、ATP酶活性的提高
**在枸杞的胚性细胞早期，ATP酶反应产物主要沉积于质 膜和液泡膜上，尤其是在质膜上的ATP酶活性高，且呈连 续分布。在胚性细胞后期，ATP酶活性从细胞质逐渐转入 细胞内，在细胞质、液泡和细胞核中均有ATP酶活性反应。 **进一步表明ATP酶活性是在胚性细胞发生过程中形成的。 **这种ATP酶活性的存在又可能为胚性细胞的分裂和发育
胞分化则是基因选择表达或受控表达的结果。因此，基因表达
的调控是细胞正常生长、发育和分化的基础，也与生物体对环 境的适应有密切的关系。 **真核基因表达调控包括：1、转录前的调控，如基因扩增、 基因重排及DNA甲基化等；2、转录调控；3、转录后调控，如 RNA剪切、mRNA从细胞核向细胞质的选择运输、RNA编辑等；4、 翻译调控；5、翻译后调控，如蛋白质修饰等。
2、生长素对基因表达的调控 **60年代初Key等人提出 “基因表达活化”假说，认为生长素 调解生长过程所必需的蛋白质合成的mRNA形成。 **最近有研究表明，植物生长素能诱导mRNA的合成，而且能调
控细胞内mRNA的含量水平。
**在苜蓿的体细胞胚发生的研究中,证明2,4-D可以诱导编码富 含脯氨酸的小分子蛋白质基因（ MsPRP5 ）的 表达，在脱分化 的 愈 伤 组 织 中 MsPRP5 mRNA 的 积 累 与 2,4-D 的 浓 度 有 关 ， 100μmol/L的2,4-D处理愈伤组织20min，mRNA的量开始增加， 处理24-48h mRNA的量达到高峰（Gyorgyey等，1997）。
一、体细胞胚胎发生（Somatic embryogenesis）的特点 **植物的胚胎发生是从合子开始的。 **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（pollen embryogenesis） **合子发育的胚胎为二倍体的体细胞产生的胚状结构 **体细胞胚胎是由小孢子或其分裂产物等单倍体细胞产生的
（一）、体细胞胚发生中基因表达的激素调控
**植物体细胞胚发生与激素关系密切，有些激素（2,4-D）对禾谷类 植物的体细胞胚发生具有决定性作用。 1、细胞分裂素对基因表达的调控 **有研究表明，细胞分裂素能直接调控细胞核基因的活性，此外，
还调控蛋白质的磷酸化以及调控蛋白质的翻译，进而调控体细胞胚 的形成。
② 其它生长激素与体细胞胚发生 除2,4-D外，ABA对植物体细胞胚的发生也起到重要的调控 作用。 研究表明，ABA具有促进苈蒿体细胞胚结构正常化的显著 效应。 在浓度适宜时，ABA能抑制多种异常体细胞胚的发生，而 且ABA加入培养基的时间愈早其效应也越明显。 较低浓度的ABA对保持籼稻愈伤组织的胚性结构具有重要 意义，可明显提高这种胚性愈伤组织分化出苗率。 在拐芹中ABA与NAA共同作用可诱导一些游离氨基酸含量的 变化和特异蛋白的形成。 ABA和PEG对胡萝卜(Daucus carota L.)体细胞胚发生具有 调控作用
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。
（3） 多胺（腐胺、尸胺、亚精胺、高亚精胺、精胺等）和 乙烯与体细胞胚发生 **外源多胺对体胚发生的作用除了取决于植物种类及其内 源多胺的状况之外，还关系到它们如何被吸收、运输及降解 等问题。多胺与体细胞胚发生的关系在胡萝卜的研究中较多。