植物组织培养课件- 细胞全能性与形态发生

一、植物细胞全能性
1、植物细胞全能性的相对性
植物细胞全能性是一个活细胞所具有的发育成 完整植株的潜在能力。 细胞全能性的证据： 1958 Steward 组织 1965 Vasil 单细胞 获得再生植株 1964 Guha 花药 1971 Takebe 原生质体 但是,细胞的再生潜力与其分化程度呈负相关， 即一个细胞的生理状态和形态决定它回复到分生态 的难易程度。极少数完全丧失分裂能力的细胞，不 能恢复其细胞全能性。
在G2-M期，cyclinA、cyclinB与CDK1结合，CDK1使
底物蛋白磷酸化、如将组蛋白H1磷酸化导致染色体
凝缩，核纤层蛋白磷酸化使核膜解体。


生长素感应： 生长素----生长素受体----胞内信号转导----细 胞核基因表达PSK----cyclinD表达---细胞通 过R点，进入细胞周期。 细胞脱分化过程中的染色体二次解凝聚： 第一次解凝聚：发生于细胞壁的酶解过程 中，是细胞脱分化的转换过程。 第二次解凝聚：发生在原生质体培养初期， 是有丝分裂周期的衔接过程。

（1）叶肉细胞的脱分化：微丝重排、质体降 解、与蛋白质合成有关基因的表达加强。 （2）脱分化叶肉细胞向TE细胞的转分化阶段： TED基因、细胞壁合成相关基因表达加强， RNA、蛋白质合成活动加强。 （3）TE细胞的特化阶段：CW加厚，原生质 自溶，细胞核与细胞器消失，细胞骨架呈网状 螺旋排列，整个细胞特化成TE细胞。
3.细胞分裂与愈伤组织的形成
愈伤组织的形态类型
AUX：2,4-D;NAA
松散型
CTK：BA
紧实型
胚胎发生途径

器官发生途径
愈伤组织： 外植体上形成的一团无序生长的薄壁细胞 团，是细胞脱分化后不断分裂后的产物。
细胞脱分化与愈伤组织的关系


大多数情况下，细胞脱分化后进入细胞分裂的结 果是形成愈伤组织，但并非所有的细胞脱分化的 结果是形成愈伤组织。有的细胞脱分化后可以直 接形成体细胞胚，再由体细胞胚分化成植株，而 不必经过愈伤组织阶段。 愈伤组织内的细胞也并非都处于未分化状态，在 存在状态下还是存在一定差异。 脱分化只是细胞生理状态的改变，而形成愈伤组 织只是离体培养过程中的一个形态学变化阶段， 两者之间没有必然联系。
细胞全能性的表达，离体是前提，激素是 重要调控方式。


二、培养条件下的细胞脱分化



脱分化的概念： 通常认为，培养条件下，使一个已分化的细胞恢 复到原始无分化状态或分生细胞状态的过程就是 细胞的脱分化。 脱分化与细胞分裂： 现在一般认为，脱分化发生在静止细胞第一次有 丝分裂之前，即G0期静止细胞接受外界信号刺激 后，由于细胞基因选择性表达，使细胞发生一系 列生理生化变化，脱离G0期重新进入细胞周期。 静止细胞启动分裂是分化细胞成功脱分化的重要 标志。
Chapter 3.细胞全能性与形态发生



细胞全能性及其表达 细胞全能性的概念 细胞脱分化 细胞再分化 器官发生 器官发生方式 器官分化过程 器官分化的影响因素 器官分化的基因调控 体细胞胚发生 体细胞胚发生方式 体细胞胚结构与发育特点 体细胞胚发生的影响因素 体细胞胚发生的生化与分子基础
细胞学说与细胞全能性学说
TE细胞 TE细胞是植物维管系统的主要成分，在维 管系统的行成中具有中心作用，生理状态 下，TE细胞由根和芽的原形成层或次生形 成层细胞分化而成。 离体状态下，TE细胞由愈伤组织中的薄壁 细胞分化形成，它的出现是愈伤组织再分 化的前提和标志。
百叶草叶肉细胞不经分裂直接分化 形成TE细胞的过程


CDK activating

cell cycle regulation

G1期，在生长因子（如生长素）的刺激下，cyclin D
表达，并与CDK4、CDK6结合，使下游的蛋白质如
Rb磷酸化，Rb释放出转录因子E2F，促进许多基因的
转录，如编码cyclinE、A和CDK1的基因。

G1-S期，cyclinE与CDK2结合，促进细胞进入S期。
②
③
①
植物细胞按其分裂能力分为三类：



周期性细胞: 始终保持分裂能力，如茎尖、根尖分生区及 形成层的细胞； 终端分化细胞: 永久失去分裂能力，如筛管、导管、气孔保 卫细胞等特化细胞； G0期细胞: 在通常情况下不分裂，但受到外界刺激后可 重新启动分裂，如表皮细胞及各种薄壁细胞。

2.结论：全能性表达的难易度主要取决于该细胞
2.极性与细胞分化

极性的定义： 所谓极性是指植物的器官、组织，甚至是单 个细胞在不同的轴向上存在的某种形态结构 及生理生化上的梯度差异。
极性的建立与细胞膜离子通道的不对称性分 布和细胞周质微管的重排有关。 细胞的不均等分裂是细胞极性建立的标志。


3.管状分子（TE）细胞分化及调控


★器官分化的激素调控理论： i、器官分化（茎芽、根的分化）受到 CTK/AUX 激素比例关系的调控； ii、设CTK/AUX＝Ni，则可建立起茎、 芽、根分化情况与Ni的相关性模型：(供参考) a、Ni大 →芽的分化； b、Ni小 →细胞增殖与根的分化； c、Ni适中→保持愈伤组织生长状态； iii、不同物种、不同基因型对适中的Ni值要求 不同；起决定作用的是CTK/AUX值，而非激 素的绝对用量。







一、学习目的与要求 掌握植物细胞离体培养的基本理论基础及植物细胞全能性的特点，从而深入理解培养条件下植物 细胞（组织）生长与分化的调控原理。 二、考核知识点与考核目标 （一）细胞全能性及其表达（重点） 识记：细胞学说的含义，细胞全能性的概念及其发展，植物细胞全能性的基本内容，G0细胞的概 念，根据分裂能力对植物细胞的分类，根据细胞全能性强弱对植物细胞及组织进行排序，细胞脱 分化与细胞再分化的概念，细胞脱分化的标志，愈伤组织的概念及形成过程，极性的概念 理解：细胞全能性与细胞分化程度之间的关系，细胞全能性表达与细胞脱分化及细胞再分化之间 的联系，细胞脱分化的三阶段以及在此过程中细胞的生理活动与结构变化，细胞脱分化调控的实 质，细胞周期蛋白和周期蛋白依赖激酶在细胞脱分化过程中的调控作用，相关基因表达与细胞脱 分化的关系，细胞分化过程中基因组的变化，细胞分化过程极性的产生，TE细胞分化过程及其调 控 应用：从基因型、植物种类及动植物细胞的差异等不同角度正确分析细胞全能性实现的绝对性与 相对性，根据不同激素的协同作用及对细胞分化的调控作用来指导实践 （二）器官发生（次重点） 识记：体细胞形态发生、器官发生的概念，不定根、不定芽、生长中心及器官原基的含义 理解：离体培养中通过器官发生形成再生植株的三种方式，经过愈伤组织再分化器官的过程，外 植体不经过愈伤组织直接形成器官原基的情况，光照对器官分化的影响，器官发生的基因调控原 理 应用：以母体植株的遗传基础与与外植体的类型对器官分化的影响为依据，选择适宜的离体培养 材料；离体条件下外源激素的调控总原则及其合理运用对器官分化的调节作用 （三）体细胞胚胎发生（次重点） 识记：体细胞胚胎的定义及界定，生理隔离的概念 理解：体细胞胚胎的形成途径，体细胞胚直接形成的两个阶段，经过愈伤组织的体细胞胚发生的 三个培养阶段，悬浮培养与体细胞胚发生的关系，体细胞胚胎的发育与结构特点，体细胞胚发育 再生植株与器官发生形成植物个体的区别，体细胞胚胎在形态结构和生理特性上与合子胚的区别， 体细胞胚胎形成过程中内源生长素的变化，特异蛋白质在体细胞胚发生过程中的作用，体细胞胚 形成的基因表达调控机制 应用：外源激素、培养基及培养条件、基因型等因素对体细胞胚发生的影响

1. 细胞分化与基因组变化


（1）染色体的反复复制：多线染色体等。 （2）DNA的差异扩增：如rDNA的过度扩 增。 （3）基因重排：转座子的移动、mt基因组 的改变等。 以上变化都并非细胞分化的分子本质，近年 来的研究表明，奢侈基因的选择性表达才是 细胞分化的分子本质。




管家基因与奢侈基因 管家基因：是维持细胞最低生命活动的基因，基 因的表达产物是细胞基本生命活动不可缺少的， 如组蛋白基因、微管蛋白基因等。 奢侈基因：指特定时期在特定组织内表达的一类 与细胞特化特征有关的基因，这类基因的表达与 否并不影响细胞的生死，又称为组织特异性基因， 如红细胞内的珠蛋白基因等。 不同类型的奢侈基因的表达，导致细胞分化产生 不同的功能。
三、细胞的再分化



外植体形成愈伤组织后在相关激素的调节下 愈伤组织中的未分化状态细胞通过再分化过 程，形成不同组织器官进而形成完整植株， 从而实现细胞的全能性发育潜能。 细胞分化的定义： 细胞分化是指导致细胞形成不同结构，引起 功能改变或潜在发育方式改变的过程。 即：细胞在分裂的过程中，子代细胞在形态、 结构、功能上产生稳定性差异的过程。
1. 细胞脱分化过程中的生理活动 与结构变化

Байду номын сангаас
已分化细胞脱分化过程中结构变化：
植物体中分化细胞中薄壁细胞含量最多， 在形态学上，细胞核较小并位于细胞边缘， 细胞中央有大液泡，胞内核糖体浓度低， 质体为分化程度较高的叶绿体等。 胞质浓缩，出现液泡蛋白体，大液泡消失， 质体转变为原质体，核体积增大并逐步移 位至细胞中央，细胞器增多。
4.激素在细胞分化中的调控作用

生长素对维管组织分化的刺激作用：
茎尖
分化中的 维管束
分化区 愈伤组织块 培养基
愈伤组织块
茎尖嫁接到洋丁香愈伤组织 上可诱导维管束组织的形成
含生长素和蔗糖的琼脂楔可 诱导愈伤组织中的维管分化



分裂素与生长素协同作用，促进细胞的生长与 分化，两者的量与比例的不同配合，对细胞分 化起重要的调节作用。（激素调控理论） 两种激素处理的顺序不同，诱导分化的效果也 不同。先AUX后CTK处理有利于细胞的分裂而 不利于细胞的分化；反之，则有利于细胞的分 化。 分裂素的作用可能在于能增强生长素的敏感性。




细胞脱分化过程的三个阶段： （1）启动阶段：胞质增生，细胞质丝产生， 液泡蛋白体开始出现。 （2）演变阶段：核开始向向细胞中央移位， 质体演变为原质体。 （3）脱分化终结期：蛋白质合成达到高峰， 回复到分生状态，准备进入细胞周期启动 分裂。
2.细胞脱分化的调控机理




本质是G0期细胞回复到分列周期的过程。 细胞周期中的限制点（R point）：如Rb蛋白 细胞周期蛋白（cyclin） 细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）：cdc基因 的表达产物。 周期蛋白依赖性激酶抑制物（CKI） Cyclin是调节亚单位（“油门”），CDK是 催化亚单位（“引擎”），CKI是“刹车”。
的生理状态及结构特征。通常细胞分化程度越高、 结构越特化，其脱分化的难度就越大。
2、细胞全能性表达的前提

离体：正常生物体组织中的细胞是已经分 化后的成熟细胞，处在具有高度组织结构 分工的细胞整体中，其全能性受到限制。 激素：激素作用于离体组织细胞，通过细 胞信号转导，刺激细胞核，使基因重新编 程并表达，诱导细胞分裂与分化。

细胞脱分化和再分化是离体培养过程中细胞全能性表现 的基本过程。 培养条件下，植物细胞通过再分化过程形成完整个体可 以通过器官发生和体细胞胚发生两种途径来实现。
器官发生 茎芽、根
分化成熟 脱分化 分生态 再分化 细 胞 细 胞
胚胎发生 胚状体
再 生 植 株
植物细胞要表达其全能性 1.表达过程须经：脱分化和再分化两个阶段； 2.再分化途径有：器官发生或（和）胚胎发生两种。
第二节 器官发生

概念：培养条件下的组织或细胞团分化形 成不定根、不定芽等器官的过程。 愈伤组织
脱分化 成 熟 细 胞 分 生 态 细 细胞分化 胞 再分化 特 化 细 胞
外植体
茎芽、根等

细胞说学： 1838年，德国科学家施莱登（J.Schleiden）、施旺 （T.Shwann）提出：一切生命有机体都是由细胞构成 的，细胞是生物体结构与功能的基本组成单位。 细胞全能性学说： 1902年，德国植物学家Haberladt提出：植物器官和组 织可以不断分割成细胞，每个生活细胞有可能在离体 培养时发育成完整植株。