第2节植物体细胞胚胎发生

1、第2节植物体细胞胚发生体细胞胚（体细胞胚（somatic embryosomatic embryo）又叫胚状体，是指离体培）又叫胚状体，是指离体培养条件下没有经过受精过程而形成的胚胎类似物。养条件下没有经过受精过程而形成的胚胎类似物。胚的发育图胚的发育图 (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:

2、 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 双子叶植物的胚胎发育过程双子叶植物的胚胎发育过程花粉培养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胚非合子胚非合子细胞合子胚无融合生殖胚*大量研究表明，大多数植物组织培养，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） *前者为二倍体的体细胞产生的胚状结构 *后者是由小孢子或其分裂产物等单倍体细胞产生的体细胞胚，通常称花粉胚（pollen

3、embryos），可发育成单倍体植株。*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，包括以下几点含义： 1 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 2、体细胞胚起源于非合子细胞，区别于合子胚； 3 3、体体细胞胚细胞胚的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。胚胎发生过程：原胚期、球形胚期、心形胚期、鱼雷形胚期和子叶形胚期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 二优点数量多速

4、度快结构完整三、体细胞胚胎发生的方式 *植物组织培养过程中植物体细胞胚胎途径可归纳为两类：直接途径和间接途径。 *直接途径是直接从原外植体不经愈伤组织阶段发育而成 *间接方式是体胚从愈伤组织或悬浮细胞、有时也从已形成的体胚的一组细胞中发育而成，如香雪兰（Freesia refracta）花序外植体经直接体细胞胚胎发生途径形成再生植株。 *外植体形态学极性决定体细胞胚胎发生，所有体细胞胚都出现在花序轴切段的原形态学下端。1 直接途径 直接发生体胚的来源细胞可以是外植体表皮、亚表皮、幼胚、悬浮培养的细胞和原生质体。 一般认为直接方式发生体胚是由原先就存在于外植体中的胚性细胞预胚胎决定细胞（PEDC

5、s）培养后直接进入胚胎发生而形成体胚，如柑桔属的珠心组织（在体内或离体情况）通过预胚胎决定细胞直接进行体胚发生的最好例子. 2 间接途径 间接体细胞胚胎发生中，外植体已分化的细胞先脱分化，并对其发育命运重决定而诱导出胚性细胞诱导胚胎决定细胞（IEDCs），进而形成体细胞胚。 石龙芮下胚轴培养产生胚状体过程石龙芮下胚轴培养产生胚状体过程1 茎尖培养诱导形成胚性愈伤组织 MS培养基附加2.0mg/L 2,4-D2 胚性愈伤组织悬浮培养增殖 MS培养基附加2.0mg/L 2,4-D3 由细胞集合体形成体细胞胚 MS培养基附加2.0mg/L 2,4-D 4 体细胞胚萌发并形成小植株 MS培养基附加1.

6、0mg/L ABA 图 甘薯品种栗子香胚性愈伤组织诱导体细胞胚和再生小植株 胚性愈伤组织胚性愈伤组织非胚性愈伤组织非胚性愈伤组织颜色颜色淡黄淡黄白色白色表面表面光滑光滑粗糙粗糙质地质地坚硬但易碎坚硬但易碎松散，水渍状松散，水渍状胚性细胞的多少胚性细胞的多少大量大量极少或无极少或无细胞形态细胞形态小，圆球形小，圆球形管状或不规则形管状或不规则形细胞质细胞质浓厚，染色深浓厚，染色深稀薄，染色浅稀薄，染色浅内含物内含物多多少少细胞核及核仁细胞核及核仁核明显，大，核仁核明显，大，核仁多多核小，核仁少，或核小，核仁少，或无核无核胚性细胞团特征：成簇、成团，体积小，细胞质致密四四. .体细胞胚的结构与发育

7、特点体细胞胚的结构与发育特点体细胞胚多起源于体细胞胚多起源于一个胚性细胞一个胚性细胞, ,胚性细胞胚性细胞经过首次分裂形成二细胞原胚经过首次分裂形成二细胞原胚, ,以后经过细以后经过细胞分裂形成多细胞原胚胞分裂形成多细胞原胚. .在多数情况下在多数情况下, ,胚胚性细胞的第一次分裂为平周分裂性细胞的第一次分裂为平周分裂, ,形成的形成的2 2个子细胞个子细胞, ,处于上部的顶细胞继续进行细胞处于上部的顶细胞继续进行细胞分裂形成分裂形成多细胞原胚多细胞原胚, ,而下部的基细胞成为而下部的基细胞成为胚柄类似物胚柄类似物. .四、体细胞胚的起源 *体细胞胚胎发生途径有直接途径和间接途径，但无论哪一种

8、发生途径，绝大多数研究报道认为体细胞胚胎起源于单细胞,从多种植物中都观察到单个胚性细胞，有不均等分裂的二细胞原胚和均等分裂的二细胞原胚、多细胞原胚、球形胚直到成熟胚。也有研究认为起源于多细胞。 *在同一块愈伤组织或一个胚性细胞复合体上可以观察到多个不同发育时期的体细胞胚，从单个原始细胞到多细胞的原胚、球形胚、鱼雷胚直至具子叶的胚状体，这是由体细胞胚发生和分裂的不同步所致。 香蕉心形体细胞胚 可可心形胚A和球形胚B A AB B1 1 体细胞胚的单细胞起源体细胞胚的单细胞起源野胡萝卜的胚状体 A. 心形期胚状体 B. 成熟胚状体 C. 早心形期胚状体 D. 两个成熟胚状体共一个胚柄 a) 胚性细

9、胞第一次分裂； b-d) 原胚第一次细胞分裂，鳄梨树形胚柄细胞仍保持单个细胞； e) 胚柄细胞开始增殖；f-k) 原胚和胚柄发育的不同时期； l)球形体细胞胚。 (ep)=原胚； (s)=胚柄图 仙人掌科体细胞胚胎早期发育（由单细胞形成球形胚时期）a 胚性叶片愈伤组织；b 球形细胞；c 伸长细胞；d 两个细胞时期； e 四个细胞时期； f 原胚； g 球形胚；h 心形胚；i 早期鱼雷胚； j 成熟鱼雷胚； k 不同时期的体细胞胚；l 体细胞胚的萌发； m 再生小植株。图 木豆幼苗叶片愈伤组织悬浮培养体细胞胚发育过程 *有的学者观察到体细胞胚来源于多细胞组成的胚性细胞复合体，王亚馥等人也观察到这

10、种胚性细胞团，但用同位素脉冲标记实验即可证明这些细胞团也是由一个单细胞连续分裂而形成，经进一步分化和分裂形成不同发育时期的体细胞胚，因而这些体细胞胚实质也可能是起源于单细胞。当然也不排除有些植物的体细胞胚的确是起源于多细胞，仍有待深入研究。 *总之，体细胞胚胎的发生是一个非常复杂的生理过程，仍有许多问题尚需进一步研究。2 2 体细胞胚的多细胞起源体细胞胚的多细胞起源 大多数大多数体细胞胚体细胞胚起源于起源于单细胞单细胞, ,通过体细胞胚胎通过体细胞胚胎形成的形成的再生植株再生植株, ,其其遗传特性相对稳定遗传特性相对稳定. .而而器官器官发生途径发生途径的再生植株的再生植株来源复杂来源复杂,

11、,形成的个体常为形成的个体常为嵌合植株嵌合植株; ;从体细胞胚形成的过程可知从体细胞胚形成的过程可知, ,体细胞胚的发育过体细胞胚的发育过程与程与合子胚合子胚基本相同基本相同. .但在但在形态结构形态结构和和生理特性生理特性与合子胚有一定的区别与合子胚有一定的区别. .1.1.合子胚合子胚在发育初期具有明显的胚柄在发育初期具有明显的胚柄, , 而而体体细胞胚细胞胚一般没有真正的胚柄一般没有真正的胚柄, ,只有类似胚柄只有类似胚柄的结构的结构. .特别是那些发育初期类似于动物胚特别是那些发育初期类似于动物胚胎发育途径的体细胞胚胎发育途径的体细胞胚, ,这一点更为明显这一点更为明显. .2.2.合

12、子胚合子胚的子叶相当规范的子叶相当规范, ,可以作为分类的可以作为分类的依据依据, ,如单子叶植物只有一片子叶如单子叶植物只有一片子叶, ,双子叶植双子叶植物有两片子叶物有两片子叶. .而而体细胞胚的子叶不规范体细胞胚的子叶不规范, ,有有时具有两片以上的子叶时具有两片以上的子叶. . 3. 3. 体细胞胚的体细胞胚的体积明显小于体积明显小于合子合子胚胚. .在一些贮藏物质的含量上也存在一些贮藏物质的含量上也存在较大差异在较大差异. .如体细胞的如体细胞的干物质干物质如如蛋白质蛋白质, ,多糖等显著多糖等显著低于合子胚低于合子胚. . 4. 4. 体细胞不能有明显的脱水干燥体细胞不能有明显的脱

13、水干燥过程过程, ,因此体细胞胚的因此体细胞胚的含水量含水量比合比合子胚要高得多子胚要高得多5. 5. 体细胞胚还有一个明显的特点体细胞胚还有一个明显的特点就是就是没有休眠没有休眠. . 合子胚在胚胎发育合子胚在胚胎发育完全进入子叶期后完全进入子叶期后, ,经过一系列物经过一系列物质积累和脱水进入休眠质积累和脱水进入休眠, ,而体细胞而体细胞胚则胚则直接形成植株直接形成植株. .五、影响体细胞胚发生的因素 w 1、基因型与体细胞胚发生 w 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

14、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）w2、植物激素与体细胞胚发生 w*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。 w*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。 w*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。w（1）内源激素与体细胞胚发生 w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

15、必需的，而且2，4-D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。w水稻细胞培养中也发现，由于2,4-D促进细胞内源IAA含量提高进而诱导胚性细胞的形成，并认为内源IAA含量上升或维持在较高水平，是胚性细胞出现的一个共同标志。 w一些研究表明，ABA对植物体细胞胚的发生与发育具有重要作用。 w外源ABA与内源ABA对体细胞胚发生起到相互调节和促进的作用，而且通过补充提高外源ABA，可以明显提高体细胞胚发生的频率与质量。w荔枝体细胞胚胎发生早期的内源激素ABA与IAA和ABA与CTK（细胞分裂素）的质量比增大，将有利于荔枝体细

16、胞球形胚的形成。w（2）外源激素与体细胞胚发生 w 2，4-D与体细胞胚发生 w2，4-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。 w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； w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。 w在体细胞胚胎发生的诱导阶段，培养基中必需添加2,4-D，而在体细胞胚胎形成阶段，要降低培养基中2,4-D的浓度或去除2,4-D，以保证体细胞胚的正常

17、生长。 w在胡萝卜细胞培养中，加入2，4-D后诱导一些特异性多肽或蛋白质形成，当去除生长素后，这些多肽和蛋白质也随之消失。但在诱导出胚性细胞后，及时除去培养基中的2，4-D，胚性细胞在进一步分化和发育的同时释放糖蛋白GP65（65kDa）表 在MS固体培养基上不同浓度2,4-D对木豆幼苗叶片外植体诱导和原胚细胞形成的影响2,4-D(M) Callus induction(%) Proembryonic cell*(%) 0.00 0.0 0.0 2.26 3.2d 3.4d 4.52 7.4c 10.2c 6.78 38.6a 37.4a 9.04 18.2b 12.8b 11.30 3.6c

18、 2.2c 表 在具有不同浓度2,4-D的MS液体培养基上木豆不同时期体细胞胚诱导率2,4-D(M) 收集细胞的体积 (10th day) 体细胞胚发育时期 球形胚(%) 心形胚(%) 鱼雷胚(%) 0.00 0 0 0 0 1.12 2.8e 2.4e 1.8e 1.2e 2.26 3.2d 7.6d 2.4d 1.6d 3.38 4.6c 20.2b 8.2b 5.2b 4.52 5.2b 36.2a 20.4a 16.4a 5.64 5.6b 18.6c 6.6c 3.6c 6.78 6.2a 7.4d 1.6e 1.2e Origin of embryoids in embryo-de

19、rived callus culture. (a) Single cells (arrow) and two-celled stage (double arrows). x137. (b)Four-celled stage (arrowhead). x137. (c) Multicelled proembryo containing eight to ten cells. x137 (d) Epidermized lobular stage. x34. (e) Heart shape embryoid that remain in the callus. X34. (f) Several co

20、mpact embryoids in different stages of formation. x14.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

21、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 w 其它生长激素与体细胞胚发生 w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。 w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。 w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。 w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。 w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。 wABA和PEG对胡萝卜(Daucus c

22、arota L.)体细胞胚发生具有调控作用 w大量的研究表明，ABA对某些植物体细胞胚胎发生特异性基因的表达起调控作用，激活相关基因的表达，合成贮藏蛋白、晚期胚胎发生丰富蛋白和胚胎发生的特异性蛋白。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。举例说明： *已发现胡萝卜的胚性细胞中腐胺、精胺含量比非胚性的高，在胡萝卜体细胞胚发生的前胚时期多胺含量一般较低，从球形胚、心形胚到鱼雷胚时期，精胺和亚精胺逐渐升高，心形胚时期

23、以腐胺为主，鱼雷胚时期则富含亚精胺。 *在胡萝卜愈伤组织的体细胞胚发生中发现乙烯抑制体细胞胚的发生，而乙烯形成酶抑制剂Ni2+、Co2+可以促进其体细胞胚发生。 *有研究表明，只在胚细胞分化早期才与多胺生物合成关系较密切。4 糖类和金属离子与体细胞胚发生 糖类 *糖类对诱导植物体细胞胚发生也是不可缺少的重要成分。 *研究表明，小麦的愈伤组织一旦分化为胚性细胞后就有淀粉粒的积累，在胚性细胞分化与发育的整个过程中，淀粉的两次合成高峰均在发育的重要转折期，为体细胞胚的进一步发育和分化提供必要物质和能量基础。淀粉的积累与胚性细胞分化能力和体细胞胚发育时期的转折密切有关。 *在茴香的胚性细胞中也富含淀粉

24、粒，在体细胞胚发育中同样出现两次峰值，同时认为淀粉出现的峰值与核酸和蛋白质合成密切相关，因此，表明淀粉为蛋白质和核酸的合成奠定了物质基础。 碳水化合物 浓度（mM） 胚胎发育时期 球形胚（） 心形胚（） 鱼雷胚（） 葡萄糖 Glucose 55.49 2.4f 1.2h 1.2g 110.99 6.8f 2.6h 2.4f 166.48 10.2e 5.0f 4.2e 221.98 13.6c 7.2d 6.4d 果糖 Fructose 55.49 6.2f 2.8g 2.4f 110.99 12.4c 5.2f 4.6c 166.48 6.4f 5.0f 4.2e 221.98 2.4h 1.2h 1.2g 蔗糖 Sucrose 29.21 12.4c 6.8c 6.2d 58.43 20.2b 16.2b 14.6b 87.64 36.2a 20.4a 16.4a 116.86 12.6d 10.2c 8.4c 麦芽糖 Maltose 27.75 2.4h 1.2h n.d 55.51 5.4g 2.6g