植物细胞的全能性.pptx

基础植物生物技术基础植物生物技术Basic Plant Molecular Biotechnology任课教师：韩英鹏任课教师：韩英鹏开课专业班级：农学开课专业班级：农学200620061.21.2班班,种子种子200620061 1班班开课时间：开课时间：2009.9-2009.122009.9-2009.121.1.细胞全能性及其类型细胞全能性及其类型第一章第一章 植物细胞的全能性植物细胞的全能性第一节第一节 植物细胞脱分化与感受态细胞的发生植物细胞脱分化与感受态细胞的发生2.2.细胞周期与脱分化及其产生条件细胞周期与脱分化及其产生条件3.3.感受态细胞的发生时期及其细胞特征感受态细胞的发生时期及其细胞特征4.4.分子水平分析脱分化的特征分子水平分析脱分化的特征第一节第一节 植物细胞脱分化与感受态细胞的发生植物细胞脱分化与感受态细胞的发生生物技术生物技术：生物技术是指利用生物系统、活生物体或者其：生物技术是指利用生物系统、活生物体或者其 衍生生物，为特定用途而生产或改变产品或过衍生生物，为特定用途而生产或改变产品或过 程的任何技术应用。程的任何技术应用。植物生物技术植物生物技术：广义的植物生物技术是指提高和改良农作：广义的植物生物技术是指提高和改良农作 物产量品质的所有技术；狭义的植物生物物产量品质的所有技术；狭义的植物生物 技术指利用植物器官、组织、细胞、和利技术指利用植物器官、组织、细胞、和利 用分子水平的操作，促进植物繁殖、有用用分子水平的操作，促进植物繁殖、有用 物质生产和植物品种遗传改良的技术。植物质生产和植物品种遗传改良的技术。植 物生物技术由植物组织培养、植物细胞工物生物技术由植物组织培养、植物细胞工 程和植物基因工程。程和植物基因工程。细胞全能性细胞全能性：广义：广义 是指一个细胞发育成一个完整有机是指一个细胞发育成一个完整有机体个体的潜能或特性。体个体的潜能或特性。植物细胞的全能性植物细胞的全能性：是指具有完整细胞核的植物细胞，：是指具有完整细胞核的植物细胞，在适宜条件下能够分化发育成完整植株的潜在能力。具在适宜条件下能够分化发育成完整植株的潜在能力。具有完整细胞核的植物细胞具有形成完整植株所必需的全有完整细胞核的植物细胞具有形成完整植株所必需的全部遗传信息，在生长发育过程中不同的器官、组织细胞部遗传信息，在生长发育过程中不同的器官、组织细胞的基因表达有很大的差异，这种差异是遗传信息表达调的基因表达有很大的差异，这种差异是遗传信息表达调控机制发生了变化的结果，而不是遗传信息发生了不可控机制发生了变化的结果，而不是遗传信息发生了不可逆的消失或钝化。逆的消失或钝化。细胞全能性的表达：细胞全能性的表达：从离体培养的植物细胞或组织诱导从离体培养的植物细胞或组织诱导生长分化成完整植株的过程成为植物细胞全能性的表达生长分化成完整植株的过程成为植物细胞全能性的表达一、细胞全能性、植物细胞全能性和细胞全能性的表达一、细胞全能性、植物细胞全能性和细胞全能性的表达 概念及细胞全能性的类型概念及细胞全能性的类型细胞全能性的类型：细胞全能性的类型：在在整整体体植植株株中中，卵卵细细胞胞的的全全能能性性表表达达最最强强，受受精精卵卵经经过过 细细胞胞分分裂裂、分分化化直直接接形形成成种种胚胚，并并萌萌发发生生长长成成植植株株；茎尖、根尖分生组织细胞和形成细胞的全能性次之茎尖、根尖分生组织细胞和形成细胞的全能性次之，它们，它们分别能形成茎叶、根和其他组织与器官；分别能形成茎叶、根和其他组织与器官；少数植物的分化成熟的某些器官，少数植物的分化成熟的某些器官，例如落地生根叶片，叶例如落地生根叶片，叶肉细胞的全能性直接表达，分化成新的植物；肉细胞的全能性直接表达，分化成新的植物；对于绝大数植物来说，非分生组织细胞难以在整体植株上对于绝大数植物来说，非分生组织细胞难以在整体植株上表达细胞的全能性表达细胞的全能性，必须将他们与整体植株分裂后，在适宜，必须将他们与整体植株分裂后，在适宜的培养条件下诱导细胞脱分化和再分化，才能使细胞的全能的培养条件下诱导细胞脱分化和再分化，才能使细胞的全能性得到表达，并形成完整的植株。性得到表达，并形成完整的植株。一、细胞全能性、植物细胞全能性和细胞全能性的表达一、细胞全能性、植物细胞全能性和细胞全能性的表达 概念及细胞全能性的类型概念及细胞全能性的类型 植物细胞的全能性植物细胞的全能性离体培养细胞的全能性表达经历离体培养细胞的全能性表达经历3 3个阶段，即个阶段，即细胞细胞 脱分化与感受态细胞脱分化与感受态细胞，细胞分化的诱导或细胞的决细胞分化的诱导或细胞的决定作用定作用以及以及组织、器官的形态分化和发育组织、器官的形态分化和发育二、植物细胞脱分化与感受态细胞发生二、植物细胞脱分化与感受态细胞发生脱分化脱分化：脱分化的细胞在一定的条件下恢复分裂机能，脱分化的细胞在一定的条件下恢复分裂机能，转变成分生组织和形成愈伤组织的过程。脱转变成分生组织和形成愈伤组织的过程。脱 分化过程中细胞生化代谢、细胞生理和细胞分化过程中细胞生化代谢、细胞生理和细胞 结构发生了本质的变化，其中一部分细胞形结构发生了本质的变化，其中一部分细胞形 成了感受态细胞，即感受信号分子刺激的细成了感受态细胞，即感受信号分子刺激的细 胞，从而确定了细胞生长和发育的新途径胞，从而确定了细胞生长和发育的新途径。细胞周期与脱分化细胞周期与脱分化成熟细胞成熟细胞脱分化脱分化成为分生组织细成为分生组织细胞，需要进入细胞周期。如图胞，需要进入细胞周期。如图2-12-1所示所示,植物分裂细胞从植物分裂细胞从G1G1期到期到G2G2期期脱离细胞周期进入分化，同样分化脱离细胞周期进入分化，同样分化细胞脱分化也从细胞脱分化也从G1G1期到期到G2G2期进入细期进入细胞周期。分化细胞能否脱分化进入胞周期。分化细胞能否脱分化进入细胞周期，取决于其细胞周期，取决于其分化成度分化成度和和原原初的生理状态初的生理状态 。二、植物细胞脱分化与感受态细胞发生二、植物细胞脱分化与感受态细胞发生图图2-12-1Gautheret Gautheret 观察到筛管、细胞核开始讲解的木质部细胞，以及细观察到筛管、细胞核开始讲解的木质部细胞，以及细胞壁厚度超过胞壁厚度超过2um2um的纤维细胞都不能进入细胞分裂。一般来说，细的纤维细胞都不能进入细胞分裂。一般来说，细胞的脱分化能力由强到弱依次是胞的脱分化能力由强到弱依次是营养生长点细胞、形成层细胞、营养生长点细胞、形成层细胞、伴胞和分泌细胞、薄壁细胞伴胞和分泌细胞、薄壁细胞等（图等（图2-22-2）。脱分化的）。脱分化的营养生长点细营养生长点细胞和形成层细胞胞和形成层细胞能再分化成能再分化成完整植株完整植株，而，而伴胞、分泌细胞、薄壁伴胞、分泌细胞、薄壁细胞、厚壁细胞、纤维细胞和筛管细胞、厚壁细胞、纤维细胞和筛管只能成为形成层组织，进行组只能成为形成层组织，进行组织分化。织分化。二、植物细胞脱分化与感受态细胞发生二、植物细胞脱分化与感受态细胞发生图图2-2二、植物细胞脱分化与感受态细胞发生二、植物细胞脱分化与感受态细胞发生 植物细胞脱分化的条件植物细胞脱分化的条件有许多因素影响离体细胞和组织的脱分化，其中最主要的影有许多因素影响离体细胞和组织的脱分化，其中最主要的影响因子是响因子是生长素和细胞分裂素类型生长素和细胞分裂素类型的植物生长调节剂。的植物生长调节剂。不同不同植物细胞和组织脱分化诱导条件是不同的植物细胞和组织脱分化诱导条件是不同的，例如，例如菊芋菊芋等在等在生生长素长素的诱导下就能够脱分化，的诱导下就能够脱分化，大豆、猕猴桃大豆、猕猴桃等能在细胞分裂等能在细胞分裂素诱导下脱分化，而素诱导下脱分化，而烟草、胡萝卜和马铃薯烟草、胡萝卜和马铃薯需要在需要在生长素生长素和和细胞分裂素细胞分裂素配合诱导下才能脱分化。配合诱导下才能脱分化。植物细胞脱分化的特征：植物细胞脱分化过程中，植物细胞脱分化的特征：植物细胞脱分化过程中，细胞分裂细胞分裂类型类型、基因表达基因表达和和细胞物质变化细胞物质变化具有明显的特征。光烟草茎具有明显的特征。光烟草茎髓部组织脱分化过程表现为：诱导第髓部组织脱分化过程表现为：诱导第3d,3d,核膜解体，细胞核核膜解体，细胞核和核仁进入细胞质，诱导后第和核仁进入细胞质，诱导后第6d,90%6d,90%核破碎，有丝分裂占核破碎，有丝分裂占1.5%1.5%，每个细胞平均有核，每个细胞平均有核4-54-5个，最多有个，最多有2020多个。多个。三、感受态细胞的发生时期及其细胞特征三、感受态细胞的发生时期及其细胞特征感受态细胞感受态细胞：指外植体细胞培养初期获得的处于能被诱导：指外植体细胞培养初期获得的处于能被诱导 形态发生的状态，具有特殊的细胞特征和基形态发生的状态，具有特殊的细胞特征和基 因表达类型的细胞。因表达类型的细胞。感受态细胞发生的时期感受态细胞发生的时期植物细胞获得形态建成感受态的时间和条件有较大差异，植物细胞获得形态建成感受态的时间和条件有较大差异，有可能在细胞脱分化前，也可能在脱分化期间或若分化有可能在细胞脱分化前，也可能在脱分化期间或若分化之后。有的植物细胞成为感受态细胞的诱导时间很短，之后。有的植物细胞成为感受态细胞的诱导时间很短，很可能在细胞若分化前。例如烟草原生质体在游离过程很可能在细胞若分化前。例如烟草原生质体在游离过程中，第一次染色体解聚发生，细胞同时获得器官发生的中，第一次染色体解聚发生，细胞同时获得器官发生的感受态；感受态；烟草外植体从整体植物上切离时，随即获得烟草外植体从整体植物上切离时，随即获得不定根发生的感受态。不定根发生的感受态。有的植物获得感受态细胞的时间较长，可能在细胞若有的植物获得感受态细胞的时间较长，可能在细胞若分化时获得形态发生的感受态细胞。例如分化时获得形态发生的感受态细胞。例如苹果砧木苹果砧木Jork9Jork9试管苗不定根又到中脱分化期和不定根发生的试管苗不定根又到中脱分化期和不定根发生的感感受态期受态期为为0-24h,0-24h,诱导期诱导期为为24-72 h24-72 h或或96 h,48h 96 h,48h 后出后出现第一次现第一次细胞分裂细胞分裂，96h96h后形成平均后形成平均3030个细胞的个细胞的类分生类分生组织组织。有的植物细胞分化后可能才成为感受态细胞，。有的植物细胞分化后可能才成为感受态细胞，如如非洲紫罗兰杂交种叶圆片非洲紫罗兰杂交种叶圆片在茎诱导培养基上培养在茎诱导培养基上培养3-3-5d5d后，下表皮细胞开始后，下表皮细胞开始平周分裂使平周分裂使外植体获得外植体获得不定芽不定芽的感受态的感受态。三、感受态细胞的发生时期及其细胞特征三、感受态细胞的发生时期及其细胞特征三、感受态细胞的发生时期及其细胞特征三、感受态细胞的发生时期及其细胞特征 感受态细胞的特征感受态细胞的特征在培养细胞中有各种细胞类型，很难直接观察感受态细胞，在培养细胞中有各种细胞类型，很难直接观察感受态细胞，必须必须借助特殊的细胞标记方法借助特殊的细胞标记方法。其中胡萝卜的诱导属于一。其中胡萝卜的诱导属于一个经典的研究。根据胡萝卜单细胞悬浮培养物的形态特征，个经典的研究。根据胡萝卜单细胞悬浮培养物的形态特征，将培养细胞分成以下几类：（将培养细胞分成以下几类：（1 1）B B状态细胞状态细胞，球形且液泡，球形且液泡化、直径为化、直径为12M12M的细胞；（的细胞；（2 2）C C状态细胞状态细胞，球形且细胞质，球形且细胞质丰富、直径为丰富、直径为12M12M的细胞；（的细胞；（3 3）D D状态细胞状态细胞，长形、液泡，长形、液泡化细胞；（化细胞；（4 4）E E状态细胞与状态细胞与D D状态细胞相似状态细胞相似。B B状态细胞和状态细胞和C C状态细胞的胚胎发生能力很轻，而状态细胞的胚胎发生能力很轻，而E E状态细胞与状态细胞与D D状态细胞相状态细胞相似胚胎发生能力很弱。似胚胎发生能力很弱。B B状态细胞和状态细胞和C C状态细胞的重要区别还状态细胞的重要区别还表现在细胞壁的成分上，表现在细胞壁的成分上，B B状态细胞的细胞壁存在阿拉伯半乳状态细胞的细胞壁存在阿拉伯半乳糖聚糖蛋白（糖聚糖蛋白（AGPAGP）,而而c c状态细胞的细胞壁不存在阿拉伯半状态细胞的细胞壁不存在阿拉伯半乳糖聚糖蛋白（乳糖聚糖蛋白（AGPAGP）,McCadeMcCade等（等（19971997）利用能够识别）利用能够识别AGPAGP上糖类抗原族的上糖类抗原族的单克隆抗体单克隆抗体JIM8JIM8，进行了细胞免疫荧光标记，揭示了胡萝卜胚性感受态细胞，进行了细胞免疫荧光标记，揭示了胡萝卜胚性感受态细胞发生和生长发育的过程。如图发生和生长发育的过程。如图2-32-3所示，所示，B B状态细胞壁完全被状态细胞壁完全被JIM8JIM8标记，随着标记，随着B B状态细胞的生长状态细胞的生长，细胞壁出现极性，一部分细胞壁，细胞壁出现极性，一部分细胞壁不含不含AGPAGP，不能被，不能被JIM8JIM8标记，而另外一部分细胞壁则相反。标记，而另外一部分细胞壁则相反。B B状态状态细胞分裂产生的子细胞分别为细胞分裂产生的子细胞分别为C C状态细胞和状态细胞和F F状态细胞。状态细胞。c c状态细胞状态细胞不被不被JIM8JIM8标记，且能对胚胎发生的诱导信号起反应，将成为胚胎标记，且能对胚胎发生的诱导信号起反应，将成为胚胎决定细胞，并发育成体细胞胚。决定细胞，并发育成体细胞胚。F F状态细胞是液泡化细胞状态细胞是液泡化细胞，DNADNA合合成停止，转变成程序性死亡的成停止，转变成程序性死亡的G G状态细胞。状态细胞。G G状态细胞逐渐萎缩、状态细胞逐渐萎缩、死亡。因此死亡。因此C C状态细胞是感受态细胞，是状态细胞是感受态细胞，是B B状态细胞分裂产生的状态细胞分裂产生的结果。结果。三、感受态细胞的发生时期及其细胞特征三、感受态细胞的发生时期及其细胞特征三、感受态细胞的发生时期及其细胞特征三、感受态细胞的发生时期及其细胞特征图图2-3四、分子水平分析脱分化的特征四、分子水平分析脱分化的特征可以看到脱分化细胞与形态发生的关系。可以看到脱分化细胞与形态发生的关系。RAmagopalRAmagopal等（等（19941994）在分析甘蔗基因型对形态发生的影响时，）在分析甘蔗基因型对形态发生的影响时，发现五个甘蔗基因型中共出现发现五个甘蔗基因型中共出现6363种脱分化专一的蛋白种脱分化专一的蛋白质，有质，有3333种是所有基因型共有的；脱分化专一的蛋白种是所有基因型共有的；脱分化专一的蛋白质有质有3 3种是具有形态发生能力的愈伤组织系统专有的，种是具有形态发生能力的愈伤组织系统专有的，有一中蛋白不具有形态发生能力的愈伤组织系所专有有一中蛋白不具有形态发生能力的愈伤组织系所专有的。的。本次课应掌握的知识点本次课应掌握的知识点：一、名词解释一、名词解释 生物技术、植物生物技术、生物技术、植物生物技术、细胞全能性、植物细胞细胞全能性、植物细胞 全能性、细胞全能性的表达、脱分化、感受态细胞全能性、细胞全能性的表达、脱分化、感受态细胞二、问答题二、问答题脱分化、感受态细胞的概念即产生条件、特征？脱分化、感受态细胞的概念即产生条件、特征？1.1.诱导细胞决定的信号分子诱导细胞决定的信号分子第一章第一章 植物细胞的全能性植物细胞的全能性第二节第二节 植物细胞的决定作用植物细胞的决定作用2.2.决定细胞的细胞特征决定细胞的细胞特征决定作用：决定作用：胚胎某一个区域的组织或细胞只能向胚胎某一个区域的组织或细胞只能向某一个特定的某一个特定的方向分化方向分化的发育状态。对于一个生物体的某一个特定部分，往的发育状态。对于一个生物体的某一个特定部分，往往一旦经过某个临界时期，随后的发育方向即被决定。所以细往一旦经过某个临界时期，随后的发育方向即被决定。所以细胞的决定作用又指胞的决定作用又指细胞特定发育程序细胞特定发育程序的决定。的决定。例如，例如，SteevesSteeves和和Susex(1953)Susex(1953)发现一定培养基上培养蕨类植物发现一定培养基上培养蕨类植物紫槭紫槭800 uM800 uM以上叶原基，只能使其发育成叶以上叶原基，只能使其发育成叶；取槭取槭300 uM300 uM大小大小的叶原基培养时则可以生长发育成植株的叶原基培养时则可以生长发育成植株。说明说明800 uM800 uM以上叶原以上叶原基是紫槭叶发育的临界时期，该叶原基细胞沿叶发育方向生长。基是紫槭叶发育的临界时期，该叶原基细胞沿叶发育方向生长。组织培养过程中植物细胞的决定表现在两个方面，即组织培养过程中植物细胞的决定表现在两个方面，即外植体细外植体细胞的决定胞的决定和和培养细胞的诱导决定培养细胞的诱导决定。第二节第二节 植物细胞的决定作用植物细胞的决定作用第二节第二节 植物细胞的决定作用植物细胞的决定作用外植体外植体：是指从植株上切离、用于培养的部分组织和器官。：是指从植株上切离、用于培养的部分组织和器官。外植体细胞的决定外植体细胞的决定：同一个植株上越靠近花器官的外植体，：同一个植株上越靠近花器官的外植体，其离体分化花芽的能力越强，表现成花的梯度性。这在烟其离体分化花芽的能力越强，表现成花的梯度性。这在烟草和菊芋等植物花柄或花梗外植体培养中都有报道。其他草和菊芋等植物花柄或花梗外植体培养中都有报道。其他来自营养器官的外植体，不具备分化花器官的潜能，完全来自营养器官的外植体，不具备分化花器官的潜能，完全考调节培养基成分是不能诱导花芽分化的，必须首先进行考调节培养基成分是不能诱导花芽分化的，必须首先进行光周期和春化处理使其获得花芽分化的潜能。光周期和春化处理使其获得花芽分化的潜能。培养细胞的诱导决定培养细胞的诱导决定：指植物细胞在一定培养基上受诱导：指植物细胞在一定培养基上受诱导改变自身的发育状态或方向，产生新的分化和发育的方向。改变自身的发育状态或方向，产生新的分化和发育的方向。培养过程是特定发育状态的植物细胞对培养基成分和培养培养过程是特定发育状态的植物细胞对培养基成分和培养条件的应答反应。条件的应答反应。一、一、诱导细胞决定的信号分子诱导细胞决定的信号分子细胞的决定作用细胞的决定作用：是指细胞与细胞之间信号分子作用的结果，在一：是指细胞与细胞之间信号分子作用的结果，在一个完整的植物体中，每一个细胞、组织或器官的生长发育都受到相个完整的植物体中，每一个细胞、组织或器官的生长发育都受到相邻的细胞、组织或其他器官信号分子的调节，以维持植株正常的生邻的细胞、组织或其他器官信号分子的调节，以维持植株正常的生长发育。长发育。离体细胞和组织培养的条件下，也表现了信号分子的调节或通讯作离体细胞和组织培养的条件下，也表现了信号分子的调节或通讯作用。用。例如，将例如，将JIM8JIM8标记的胡萝卜悬浮细胞的纯和类群分别培养，发标记的胡萝卜悬浮细胞的纯和类群分别培养，发现没有现没有JIM8JIM8标记细胞的培养集中，或培养在含有标记细胞的培养集中，或培养在含有JIM8JIM8细胞的培养集细胞的培养集中，中，C C状态细胞就能发育成体细胞胚胎。因此，状态细胞就能发育成体细胞胚胎。因此，JIM8 JIM8 标记的细胞可标记的细胞可能释放可溶性信号分子，这些信号分子刺激或者诱导能释放可溶性信号分子，这些信号分子刺激或者诱导C C状态细胞发状态细胞发育成育成体细胞胚体细胞胚。细胞与细胞之间信号分子传递，对于决定了细胞与细胞之间信号分子传递，对于决定了C C状态状态细胞向体细胞胚发育方向发育是必须的细胞向体细胞胚发育方向发育是必须的。同样在器官分化的诱导同样在器官分化的诱导过程中，细胞与细胞之间的信号传递也起着十分重要的作用过程中，细胞与细胞之间的信号传递也起着十分重要的作用。二、二、决定细胞的细胞特征决定细胞的细胞特征感受态细胞被诱导形成特定发育方向的细胞后，细胞代谢活动和感受态细胞被诱导形成特定发育方向的细胞后，细胞代谢活动和结构也随着发生变化，这些结构也随着发生变化，这些变化对限定细胞的发育方向起到关键作用。变化对限定细胞的发育方向起到关键作用。细胞代谢特征细胞代谢特征山茶叶肉细胞直接体细胞胚胎发生过程经过了感受态细胞发生及山茶叶肉细胞直接体细胞胚胎发生过程经过了感受态细胞发生及细胞决定的阶段。如图细胞决定的阶段。如图2-52-5所示，诱导处理前叶肉细胞的叶绿体所示，诱导处理前叶肉细胞的叶绿体淀粉含量低，胞内草酸钙结晶少；诱导淀粉含量低，胞内草酸钙结晶少；诱导3-5d3-5d到到15d15d后，叶绿体中后，叶绿体中有淀粉积累，叶脉周围的细胞内草酸钙结晶增加。诱导后第有淀粉积累，叶脉周围的细胞内草酸钙结晶增加。诱导后第3-5d3-5d，出现细胞壁自发荧光，表明诱导细胞获得胚胎发生的感受态。，出现细胞壁自发荧光，表明诱导细胞获得胚胎发生的感受态。而后，自发荧光细胞的细胞壁增厚而后，自发荧光细胞的细胞壁增厚4 4倍，细胞壁含有亲脂性物质倍，细胞壁含有亲脂性物质和脂转移蛋白（和脂转移蛋白（LTPLTP）。）。诱导后第诱导后第5d5d到到15d15d变换培养基改变不了诱导细胞向体细胞胚变换培养基改变不了诱导细胞向体细胞胚发育的方向，说明体细胞胚发生的决定已经完成。第发育的方向，说明体细胞胚发生的决定已经完成。第15d15d发发生了第一次细胞分裂，第生了第一次细胞分裂，第20d20d在叶外体中出现原胚细胞团。在叶外体中出现原胚细胞团。原胚细胞团所有的细胞壁仍然具有自发荧光，但强度比原原胚细胞团所有的细胞壁仍然具有自发荧光，但强度比原胚早期细胞弱得多胚早期细胞弱得多二、二、决定细胞的细胞特征决定细胞的细胞特征 细胞代谢特征细胞代谢特征图图2-5细胞被诱导或者决定后，在细胞结构细胞被诱导或者决定后，在细胞结构上细胞壁变化最明显。墨角藻受精卵上细胞壁变化最明显。墨角藻受精卵第一次细胞分裂形成叶状体和假根的第一次细胞分裂形成叶状体和假根的2 2细胞胚胎后，维持正常发育是叶状体细胞胚胎后，维持正常发育是叶状体和假根细胞壁控制的。如图和假根细胞壁控制的。如图2-62-6所示，所示，叶状体原生质体再生细胞壁厚，分裂叶状体原生质体再生细胞壁厚，分裂形成完整的胚胎。形成完整的胚胎。二、二、决定细胞的细胞特征决定细胞的细胞特征 细胞壁的作用细胞壁的作用图图2-6如果将假根细胞和细胞壁完全去掉，叶状体细胞发如果将假根细胞和细胞壁完全去掉，叶状体细胞发育途径不变。用同样的方法处理假根细胞，得到的育途径不变。用同样的方法处理假根细胞，得到的结果与叶状体相似。但是，将结果与叶状体相似。但是，将2 2细胞胚的假根原生细胞胚的假根原生质体除去，叶状体细胞黏附部分假根细胞壁的情况质体除去，叶状体细胞黏附部分假根细胞壁的情况下，叶状体细胞分裂特征正常，而与假根细胞壁相下，叶状体细胞分裂特征正常，而与假根细胞壁相连的叶状体细胞启动假根发育的模式，形成伸长的连的叶状体细胞启动假根发育的模式，形成伸长的假根细胞，所以，与假根细胞壁响亮的叶状体细胞假根细胞，所以，与假根细胞壁响亮的叶状体细胞转变成假根细胞。再去掉叶状体原生质体，并保留转变成假根细胞。再去掉叶状体原生质体，并保留部分叶状体细胞壁的相反的实验中，与叶状体细胞部分叶状体细胞壁的相反的实验中，与叶状体细胞壁接触的假根细胞也发育成叶状体细胞。这个研究壁接触的假根细胞也发育成叶状体细胞。这个研究说明，细胞壁成分在控制细胞生长发育中起到重要说明，细胞壁成分在控制细胞生长发育中起到重要的作用。的作用。二、二、决定细胞的细胞特征决定细胞的细胞特征 细胞壁的作用细胞壁的作用二、二、决定细胞的细胞特征决定细胞的细胞特征 细胞决定作用发生的时期细胞决定作用发生的时期怎样分析判断细胞决定作用完成的时间？怎样分析判断细胞决定作用完成的时间？对于烟草等植物来说，一般采用的方法是对于烟草等植物来说，一般采用的方法是,将组织培养在将组织培养在生长调节剂的培养基上一段时间后，将其转移到无生长调生长调节剂的培养基上一段时间后，将其转移到无生长调节剂的培养基上，如果节剂的培养基上，如果细胞的决定作用细胞的决定作用已完成，这些组织已完成，这些组织就能在就能在物生长调节剂物生长调节剂的培养基上继续其发育程序，以此决的培养基上继续其发育程序，以此决定可以确定细胞保决定作用完成的时间。对不同植物和外定可以确定细胞保决定作用完成的时间。对不同植物和外植体来说，诱导细胞分化需要的时间差异很大。植体来说，诱导细胞分化需要的时间差异很大。AttfieldAttfield和和EvansEvans（19911991）报道，）报道，烟草叶肉细胞在生根诱导培养基烟草叶肉细胞在生根诱导培养基（RIMRIM）上诱导不定根发生的决定只需要）上诱导不定根发生的决定只需要24h24h。在茎诱导培。在茎诱导培养基上（养基上（SIMSIM）上培养）上培养7d7d决定叶柄外植体具有茎芽发生能决定叶柄外植体具有茎芽发生能力，此时外植体细胞分裂形成分生组织，力，此时外植体细胞分裂形成分生组织，但无分化特征但无分化特征。培养的第培养的第9d9d分化芽原基，第分化芽原基，第14d14d可见叶原基。可见叶原基。外植体成根外植体成根的决定至少需要在的决定至少需要在RIMRIM上培养上培养3d.3d.本次课应掌握的知识点本次课应掌握的知识点：一、名词解释一、名词解释决定作用、外植体、外植体细胞的决定、培养细胞的决定作用、外植体、外植体细胞的决定、培养细胞的诱导决定、细胞的决定作用诱导决定、细胞的决定作用二、问答题二、问答题决定细胞的细胞特征、决定细胞的细胞特征、细胞决决定细胞的细胞特征、决定细胞的细胞特征、细胞决定作用发生的时期？定作用发生的时期？1.1.维管束组织的分化维管束组织的分化第一章第一章 植物细胞的全能性植物细胞的全能性第三节第三节 细胞和组织分化细胞和组织分化2.2.导管细胞分化的分子调控导管细胞分化的分子调控3.3.培养基成分对维管束分化的影响培养基成分对维管束分化的影响再分化：再分化：经过诱导决定的细胞在一定的条件下分化成经过诱导决定的细胞在一定的条件下分化成不同的组织、器官和植株，这一过程成为在分化。细不同的组织、器官和植株，这一过程成为在分化。细胞和组织分化是器官发生和体细胞胚胎发生的第一步。胞和组织分化是器官发生和体细胞胚胎发生的第一步。第三节第三节 细胞和组织分化细胞和组织分化一、一、维管束组织的分化维管束组织的分化植物细胞分化的研究重点是维管束组织的分化，特别植物细胞分化的研究重点是维管束组织的分化，特别是是木质部分化木质部分化的成分。由于技术上困难，对韧皮部分的成分。由于技术上困难，对韧皮部分化过程的研究较少。主要原因是化过程的研究较少。主要原因是导管分子容易染色导管分子容易染色，但小而纤细的筛管却不行。但小而纤细的筛管却不行。导管分子的分化导管分子的分化过程现在过程现在已成为研究植物组织培养中已成为研究植物组织培养中细胞分化细胞分化的模式系统。的模式系统。第三节第三节 细胞和组织分化细胞和组织分化植物的在分化植物的在分化一、一、维管束组织的分化维管束组织的分化研究发现百日草是研究分化的理想材料。研究发现百日草是研究分化的理想材料。KohlenbachKohlenbach和和Schmidt(1975)Schmidt(1975)观察到，百日草叶肉细胞培养在适当的观察到，百日草叶肉细胞培养在适当的培养基上不经过细胞分裂就分化成导管细胞。后来以此培养基上不经过细胞分裂就分化成导管细胞。后来以此建立了更好的细胞培养系统，培养建立了更好的细胞培养系统，培养72h72h的细胞同步分裂的细胞同步分裂达到达到50-60%50-60%。这个系统的优点是：（。这个系统的优点是：（1 1）新分离的百日）新分离的百日草细胞是非多倍体细胞组成的单细胞系统；（草细胞是非多倍体细胞组成的单细胞系统；（2 2）添加）添加外源激素和化学物质到培养基中能更好的控制分化，避外源激素和化学物质到培养基中能更好的控制分化，避免了多细胞系统的激素梯度和营养梯度的影响；（免了多细胞系统的激素梯度和营养梯度的影响；（3 3）由于细胞分裂不是分化必需的，诱导因子直接影响了分由于细胞分裂不是分化必需的，诱导因子直接影响了分化而不是细胞分裂；（化而不是细胞分裂；（4 4）分化同步化频率发生。）分化同步化频率发生。二、二、导管细胞分化的分子调控导管细胞分化的分子调控特异性基因表达与百日草导管细胞分化有关。特异性基因表达与百日草导管细胞分化有关。FukudaFukuda和和Komamine(1983)Komamine(1983)报道，在百日草叶肉导报道，在百日草叶肉导管细胞分化的诱导下，培养管细胞分化的诱导下，培养48h48h内观察到叶肉细内观察到叶肉细胞形态建成变化之前，有两种蛋白质的合成消失，胞形态建成变化之前，有两种蛋白质的合成消失，出现两种新的多肽。新合成的蛋白质就是导管分出现两种新的多肽。新合成的蛋白质就是导管分化的生物化学标记。化的生物化学标记。三、三、培养基成分对维管束分化的影响培养基成分对维管束分化的影响影响维管束组织分化的因子有植物激素、蔗糖等。在影响维管束组织分化的因子有植物激素、蔗糖等。在洋丁香愈伤组织中，低浓度的生长素能够刺激木质部洋丁香愈伤组织中，低浓度的生长素能够刺激木质部的发生，高浓度生长素抑制木质部的形成，生长素浓的发生，高浓度生长素抑制木质部的形成，生长素浓度和木质部浓度和木质部分化程度之间存在着一种反度和木质部浓度和木质部分化程度之间存在着一种反比关系。细胞分裂素对一些植物木质部发生具有一定比关系。细胞分裂素对一些植物木质部发生具有一定的促进作用。在适当的生长素浓度下，把蔗糖水平提的促进作用。在适当的生长素浓度下，把蔗糖水平提高到高到2%2%，则有利木质部的形成，但韧皮部却很少形成，则有利木质部的形成，但韧皮部却很少形成甚至不形成。在蔗糖浓度为甚至不形成。在蔗糖浓度为2.5-3.5%2.5-3.5%时，木质部和韧时，木质部和韧皮部都能分化，为皮部都能分化，为4%4%时，所形成的维管组织只是韧皮时，所形成的维管组织只是韧皮部，很少或没有木质部。部，很少或没有木质部。形态发生的诱导过程示意形态发生的诱导过程示意诱导信号诱导信号感受态细胞感受态细胞细胞的决定细胞的决定单极性单极性双极性双极性根或芽原基根或芽原基 胚性细胞团胚性细胞团 体细胞胚胎体细胞胚胎不定芽不定芽不定根不定根本次课应掌握的知识点本次课应掌握的知识点：一、名词解释一、名词解释 再分化再分化二、问答题二、问答题 掌握再分化的种类和影响因素？掌握再分化的种类和影响因素？1.1.愈伤组织的驯化愈伤组织的驯化 第一章第一章 植物细胞的全能性植物细胞的全能性第四节第四节 细胞全能性在细胞培养过程中的变化细胞全能性在细胞培养过程中的变化 2 2、驯化愈伤组织的最大特点驯化愈伤组织的最大特点 3.3.培养物形态发生潜力的丧失假说培养物形态发生潜力的丧失假说 培养条件促使体细胞形态发生，而由于植物细胞和愈伤培养条件促使体细胞形态发生，而由于植物细胞和愈伤组织遗传物质或生理状态在培养过程中发生变化，会导组织遗传物质或生理状态在培养过程中发生变化，会导致形态发生异常，甚至失去形态发生能力，细胞全能性致形态发生异常，甚至失去形态发生能力，细胞全能性衰退和消失。常见的细胞形态发生异常的类型有以下几衰退和消失。常见的细胞形态发生异常的类型有以下几种。种。第四节第四节 细胞全能性在细胞培养过程中的变化细胞全能性在细胞培养过程中的变化 一、一、愈伤组织的驯化愈伤组织的驯化 愈伤组织驯化：愈伤组织驯化：指原先依赖某种生长调节物质而生长的指原先依赖某种生长调节物质而生长的培养物变为对该物质自养型的培养物。培养物变为对该物质自养型的培养物。一、一、愈伤组织的驯化愈伤组织的驯化 如通常需加入外源生长调节物质以维持愈伤组织继续生长。经过如通常需加入外源生长调节物质以维持愈伤组织继续生长。经过一段时间继代培养后，一段时间继代培养后，愈伤组织对对外源生长调节物质的依赖性愈伤组织对对外源生长调节物质的依赖性消失，自身能够合成植物激素，既由异养型变为自养型消失，自身能够合成植物激素，既由异养型变为自养型。目前发。目前发现主要是现主要是CKCK和生长素的驯化，这样现象已于许多植物的培养物中和生长素的驯化，这样现象已于许多植物的培养物中发现，如发现，如胡萝卜、马铃薯、烟草、甜菜、和欧芹胡萝卜、马铃薯、烟草、甜菜、和欧芹等。通常已驯化等。通常已驯化程度来判断愈伤组织的驯化。驯化程度为在无激素培养基上愈伤程度来判断愈伤组织的驯化。驯化程度为在无激素培养基上愈伤组织组织相对生长速率与含激素的培养基相对生长速率与含激素的培养基上的愈伤组织的上的愈伤组织的相对生长速相对生长速率之比率之比。当。当驯化程度驯化程度0.40.4时，为驯化愈伤组织。驯化作用因外植时，为驯化愈伤组织。驯化作用因外植体不同而有程度上的差异。实验表明，体不同而有程度上的差异。实验表明，越靠近茎尖的外植体其愈越靠近茎尖的外植体其愈伤组织驯化程度越高，这与外植体中分生细胞的分布以及它在培伤组织驯化程度越高，这与外植体中分生细胞的分布以及它在培养时形成芽的能力有关。养时形成芽的能力有关。一、一、愈伤组织的驯化愈伤组织的驯化 驯化愈伤组织的最大特点驯化愈伤组织的最大特点：是：是无形态发生能力无形态发生能力。甜菜生长。甜菜生长素驯化的细胞分裂素素驯化的细胞分裂素自养型细胞高度分生组织化自养型细胞高度分生组织化，无器官，无器官分化。由于该细胞缺乏纤维素和木质素的合成能力，因此分化。由于该细胞缺乏纤维素和木质素的合成能力，因此难于进行细胞壁的增厚。甜橙猪心愈伤组织成为驯化愈伤难于进行细胞壁的增厚。甜橙猪心愈伤组织成为驯化愈伤组织后，即使培养集中的组织后，即使培养集中的微量微量IAAIAA（0.001mg/L0.001mg/L）也抑制体也抑制体细胞胚胎发生。驯化愈伤组织胚胎发生潜力丧失，是细胞胚胎发生。驯化愈伤组织胚胎发生潜力丧失，是因为因为内源生长素水平所致内源生长素水平所致。植物内源激素升高的一个途径是。植物内源激素升高的一个途径是由由于土壤根癌农杆菌介导的于土壤根癌农杆菌介导的TiTi质粒转移到植物细胞中，把质粒转移到植物细胞中，把T_DNAT_DNA整合到植物细胞核基因中。整合到植物细胞核基因中。转化细胞的转化细胞的内源生长素和内源生长素和细胞分裂素水平高，细胞分裂素水平高，能在无植物激素的培养基上分裂生长。能在无植物激素的培养基上分裂生长。但很少有器官发生。但很少有器官发生。一、一、愈伤组织的驯化愈伤组织的驯化 二、驯化愈伤组织的最大特点二、驯化愈伤组织的最大特点 随着继代培养次数增加，植物培养物形态发生潜力下随着继代培养次数增加，植物培养物形态发生潜力下降或消失，甚至细胞分裂和生长减缓直到停止。降或消失，甚至细胞分裂和生长减缓直到停止。MOlleMOlle等（等（19931993）指出胡萝卜胚性培养物随着培养时）指出胡萝卜胚性培养物随着培养时间的增加，胚胎发生质量下降，逐渐地失去胚胎发生间的增加，胚胎发生质量下降，逐渐地失去胚胎发生的潜力。的潜力。4-64-6月后，胚胎发生潜力几乎完全消失。月后，胚胎发生潜力几乎完全消失。遗传假说，由于培养物细胞核倍性变化，出现非整遗传假说，由于培养物细胞核倍性变化，出现非整 倍体，染色体结构变化和基因编译等因素引起形态倍体，染色体结构变化和基因编译等因素引起形态 发生潜力丧失；发生潜力丧失；生理假说，认为细胞内源激素水平和平衡变化是形生理假说，认为细胞内源激素水平和平衡变化是形 态发生潜力丧失的因子；态发生潜力丧失的因子；竞争假说，愈伤组织或培养细胞中不同形态发生潜力竞争假说，愈伤组织或培养细胞中不同形态发生潜力 的细胞类型具有相互代替生长的特性，随着继代次数的细胞类型具有相互代替生长的特性，随着继代次数 增加，非形态发生潜力的细胞取代有形态发生能力潜增加，非形态发生潜力的细胞取代有形态发生能力潜 力的细胞后，培养物表现没有形态发生的能力。力的细胞后，培养物表现没有形态发生的能力。三、三、培养物形态发生潜力的丧失假说培养物形态发生潜力的丧失假说 本次课应掌握的知识