细胞的全能性与遗传变异

细胞的全能性与遗传变异第1页，共66页，2023年，2月20日，星期二目的与要求

掌握细胞离体培养的基本理论基础；理解培养条件下组织细胞脱分化和再分化的调控原理；了解体细胞胚形成过程及其与合子胚的差异；了解细胞离体培养遗传变异。第2页，共66页，2023年，2月20日，星期二第一节细胞全能性及其表达

细胞全能性概述细胞脱分化细胞分化第3页，共66页，2023年，2月20日，星期二全能性：一个生活细胞所具有的产生完整生物个体的潜在能力称之为细胞的全能性周期细胞：茎尖、根尖及形成层细胞始终保持分裂能力终端分化细胞：筛管、导管、气孔保卫细胞等特化细胞，永久失去分裂能力Go细胞：表皮细胞及各种薄壁细胞，受到外界刺激后可重新启动分裂一、细胞全能性注意：一个植物细胞向分生状态回复过程所能进行的程度，取决于它在自然部位上所处的位置和生理状态。第4页，共66页，2023年，2月20日，星期二二、培养条件下的细胞脱分化

细胞脱分化（dedifferentiation）：培养条件下使一个已分化的细胞回复到原始无分化状态或分生细胞状态的过程第5页，共66页，2023年，2月20日，星期二1．细胞脱分化过程中生理活动与细胞结构的变化

总体上包括：细胞质显著变浓，大液泡消失，核体积增加并逐渐移位至细胞中央，细胞器增加。第一阶段为启动阶段，表现为细胞质增生，并开始向细胞中央伸出细胞质丝，液泡蛋白体出现；第二阶段为演变阶段，此时细胞核开始向中央移动，质体演变成原质体；第三阶段为脱分化终结期，细胞回复到分生细胞状态，细胞分裂即将开始。第6页，共66页，2023年，2月20日，星期二2．细胞脱分化的调控机理

细胞周期调控激素的作用PSK的调控作用染色体变化第7页，共66页，2023年，2月20日，星期二第8页，共66页，2023年，2月20日，星期二第9页，共66页，2023年，2月20日，星期二第10页，共66页，2023年，2月20日，星期二周期调控蛋白三类：Cyclin(周期蛋白A，B，C，E)CDK---cyclin-dependedkinase（1，2，4）CKI---cyclin-dependedkinaseinhibitor第11页，共66页，2023年，2月20日，星期二第12页，共66页，2023年，2月20日，星期二PSK调控作用1996年，首次发现PSKa,PSKbPSKa在低细胞密度下促进细胞启动分裂。PSKa表达受NAA诱导，PSKa表达同时细胞起动分裂。水稻细胞质膜上存在PSKa的受体蛋白120kD和160kD第13页，共66页，2023年，2月20日，星期二三、细胞分化

细胞分化（differentiation）：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（许智宏，1998）。时间上的分化：一个细胞在不同的发育阶段上可以有不同的形态和机能空间上的分化：同一种细胞后代，由于所处的环境（如部位）不同而可以有相异的形态和机能单细胞生物：仅有时间上的分化多细胞生物：时间上的分化，有空间上的分化，如一个植物个体在其顶端、根、茎、叶等不同部位具有不同的细胞。第14页，共66页，2023年，2月20日，星期二1、细胞分化与基因组变化染色体重复复制DNA的差异扩增基因重排第15页，共66页，2023年，2月20日，星期二2．极性与细胞分化极性：指植物的器官、组织、甚至单个细胞在不同的轴向上存在的某种形态结构以及生理生化上的梯度差异极性无论在低等植物或高等植物中均普遍存在。极性一旦建立，在一般情况下不可逆转。在很多情况下，细胞的不均等分裂是细胞极性建立的标志。第16页，共66页，2023年，2月20日，星期二3．激素在细胞分化中的调控作用

激素在植物生长发育中具有重要的调控作用，也是离体培养条件下调控细胞脱分化和再分化的主要因素。生长素和细胞分裂素是两类主要的培养条件下调控细胞生长和分化的植物激素。有些试验中也显示，GA3、ABA、乙烯等也在细胞分化中起到一定的调节作用。第17页，共66页，2023年，2月20日，星期二第二节器官发生

离体培养中器官发生的方式器官分化过程起始材料对器官分化的影响激素对器官分化的调控器官发生：是指培养条件下的组织或细胞团（愈伤组织）分化形成不定根（adventitiousroots）、不定芽（adventitiousshoots）等器官的过程。第18页，共66页，2023年，2月20日，星期二一、离体培养中器官发生的方式

三种方式：先芽后根先根后芽愈伤组织的不同部位形成芽和根，再通过维管组织的联系形成完整植株。第19页，共66页，2023年，2月20日，星期二第20页，共66页，2023年，2月20日，星期二第21页，共66页，2023年，2月20日，星期二第22页，共66页，2023年，2月20日，星期二二、器官分化过程

三个生长阶段：诱导形成愈伤组织“生长中心”形成：若干部位成丛出现类似形成层的细胞群，拟分生组织，它们是愈伤组织中形成器官的部位。器官原基及器官形成第23页，共66页，2023年，2月20日，星期二注意在有些情况下，外植体不经过典型的愈伤组织即可形成器官原基。两种情况：外植体中已存在器官原基，进一步培养即形成相应的组织器官进而再生植株，如茎尖、根尖分生组织培养；外植体某些部位的细胞，在重新分裂后直接形成分生细胞团，然后由分生细胞团形成器官原基。这种不经过愈伤组织直接发生器官的途径在以品种繁殖为目的的离体培养中具有重要的实践意义。第24页，共66页，2023年，2月20日，星期二三、起始材料对器官分化的影响

母体植株的遗传基础：不同基因型器官分化能力不一样（玉米幼胚340、吉853、444，愈伤组织诱导率均为100%，器官分化率（％）78、11、0.4)外植体的类型：体现在外植体的生理状态上。生理状态年轻，来源于生长活跃或生长潜力大的组织和器官的细胞更有利于培养第25页，共66页，2023年，2月20日，星期二激素对器官分化的调控

生长素与细胞分裂素是两类主要的植物激素，在离体器官分化调控中占有主导地位。生长素/细胞分裂素比例：高：生根；低：分化芽；中：愈伤组织第26页，共66页，2023年，2月20日，星期二光照对器官分化的影响

基因调控

光照时间、强度以及光质对器官分化均有影响同源框（homebox）基因：Kn1（KNOTTED1）；STM（Shootmeristemless）Cdc2；ESR1bZIP（PKSF1）；SRD1、SRD2和SRD3第27页，共66页，2023年，2月20日，星期二第三节体细胞胚胎发生

体细胞胚概念：离体培养下没有经过受精过程，但经过了胚胎发育过程所形成的胚的类似物（不管培养的细胞是体细胞还是生殖细胞），统称为体细胞胚或胚状体。体细胞胚是离体培养的产物起源于非合子细胞，区别于合子胚；经过了胚胎发育过程，区别与离体培中器官发生第28页，共66页，2023年，2月20日，星期二第29页，共66页，2023年，2月20日，星期二一、体细胞胚的形成

体细胞胚从外植体上直接发生经过愈伤组织的体细胞胚发生细胞悬浮培养的体细胞胚胎发生第30页，共66页，2023年，2月20日，星期二1．体细胞胚从外植体上直接发生叶片为外植体，体细胞胚两个阶段：诱导期：叶片表皮细胞或亚表皮细胞感受培养刺激，进入分裂状态。胚胎发育期：形成的瘤状物继续发育，经过球形胚、心形胚等发育过程，最后形成体细胞胚。第31页，共66页，2023年，2月20日，星期二2．经过愈伤组织的体细胞胚发生三个培养阶段：诱导外植体形成愈伤组织；诱导愈伤组织胚性化；体细胞胚形成。在以幼胚、胚以及子叶为外植体时，通常可以直接诱导胚性愈伤组织产生，进而发生体细胞胚。因此，经过愈伤组织的体细胞胚胎发生，胚性愈伤组织的形成是培养的关键。第32页，共66页，2023年，2月20日，星期二图1甘薯茎尖分生组织诱导的胚性愈伤组织Fig11

Embryogeniccallusfromapicalmeristem第33页，共66页，2023年，2月20日，星期二图2不同发育时期的体细胞胚Fig12

Somaticembryosatdifferentdevelopmentalstages第34页，共66页，2023年，2月20日，星期二图3从体细胞胚分化丛生试管苗Fig13

Plantletsfromsomaticembryos第35页，共66页，2023年，2月20日，星期二3．细胞悬浮培养的体细胞胚胎发生

两类细胞：自由分散大而高度液泡化细胞，不具备胚胎发生潜力；成簇团的体积小而细胞质致密的细胞，具有成胚能力，称为胚性细胞团。胚性细胞团：适宜的胚胎发生培养基，外围细胞开始第一次不均等分裂。一个细胞较大，以后发育成类似胚柄的结构；另一个分裂形成类似原胚的结构，经球形期、心形期等发育阶段形成完整的体细胞胚。第36页，共66页，2023年，2月20日，星期二二、体细胞胚的结构与发育特点

与器官发生形成个体的途径相比，两个特点：一是体细胞胚具有双极性（doublepolarity）二是体细胞胚形成后与母体的维管束系统连系较少，即出现所谓的生理隔离（physiologicalisolation）现象。与合子胚相比，体细胞胚一般没有真正的胚柄只有类似胚柄的结构；子叶常不规范，有时具有两片以上的子叶；体积明显小；没有休眠。第37页，共66页，2023年，2月20日，星期二三、影响体细胞胚发生的因素

外源激素对体细胞胚胎发生的调控培养基及培养条件对体细胞胚形成的影响不同基因型间体细胞胚形成能力的差异第38页，共66页，2023年，2月20日，星期二1．外源激素对体细胞胚胎发生的调控2，4－D是应用最为广泛的生长素，2，4－D的应用有着规律性的变化。首先是在较高浓度下诱导胚性细胞的形成降低2，4－D的浓度下产生早期胚胎，一般在球形胚形成后，除去生长素则有利于体细胞胚的继续发育。第39页，共66页，2023年，2月20日，星期二2．培养基及培养条件对体细胞胚形成的影响体细胞胚的产生要求培养基中含有一定浓度的还原态氮。球形胚形成后，如果降低培养基的无机盐浓度，可以显著促进体细胞胚的进一步发育。在一些试验中还发现，体细胞胚发育后期降低蔗糖浓度，也有利于胚的继续发育和提高体细胞胚的成苗率第40页，共66页，2023年，2月20日，星期二3．不同基因型间体细胞胚形成能力的差异不同类型的植物间具有明显差异：自然条件下容易产生无融合生殖胚的植物为多，且培养条件相对较为简单，如咖啡属植物、芸香科植物等。同类植物的不同基因型，在体细胞胚诱导的难易、形成时间以及单个外植体产生体细胞胚的数量上也存在明显差异。马铃薯18个不同基因型品种的体细胞胚形成能力的比较研究显示，有7个品种的体细胞胚发生率为100％，而频率最低则只有10％。第41页，共66页，2023年，2月20日，星期二四、体细胞胚胎发生的生化与分子基础

体细胞胚形成过程中内源生长素的变化体细胞胚发生过程中的特异蛋白质体细胞胚形成的基因表达调控第42页，共66页，2023年，2月20日，星期二1．体细胞胚形成过程中内源生长素的变化外源生长素对体细胞胚产生和发育的调控是通过调节内源激素的合成、代谢、极性运输和平衡而起作用的。外源生长素的使用模式：在大多数植物中是相似的，如诱导胚性细胞产生，或诱导愈伤组织转化为胚性愈伤组织，均需要高浓度的生长素。当球形胚形成后，则需要降低生长素水平才能完成体细胞胚的继续发育。生长素的这一应用规律与胚胎发育过程中内源激素的变化是一致的。第43页，共66页，2023年，2月20日，星期二2．体细胞胚发生过程中的特异蛋白质有关体细胞胚形成中蛋白质含量和组分的变化，尽管不同研究在绝对含量上不尽相同，但总体趋势均表现出，体细胞胚形成过程中水溶性蛋白明显增加。第44页，共66页，2023年，2月20日，星期二3．体细胞胚形成的基因表达调控通过基因表达的差异显示和胚胎发育突变体等技术，已分离出几十个与体细胞胚发育相关的基因。除了一些典型的激素调控基因外，还有其它类型的基因。第45页，共66页，2023年，2月20日，星期二表胡萝卜体细胞胚形成相关的部分基因

基因表达产物表达时期资料来源DC8LEA（Grp3）心形胚Borrkird等，1986；Franz等，DC59Oleosin心形胚Choi等，1987；Hatzopoulos等，DC3LEA（Grp3）原胚、球形胚、心形胚Wilde等，1988EMB-1LEA（Grp1）球形胚、心形胚Ulrich等，1990；1993ECP31LEA（Grp4）原胚

ECP40LEA（Grp2）原胚Kiyosue等，1992，1993第46页，共66页，2023年，2月20日，星期二第47页，共66页，2023年，2月20日，星期二第四节

离体培养下的遗传与变异

体细胞变异的特点和规律体细胞变异的应用途径和选择方法细胞变异细胞遗传学和分子遗传学基础第48页，共66页，2023年，2月20日，星期二基本概念细胞组织的离体培养属于无性繁殖范畴再生的个体均承传了母体的遗传基础，植物快速繁殖应用的基础。离体培养的细胞、愈伤组织以及再生植株均普遍存在着变异（培育过程的影响）。体细胞无性系（somaclones）：由任何形式的细胞培养所产生的植株，Larkin和Scowcroft（1981）体细胞无性系变异（somaclonalvariation）：这些植株所表现出来的变异第49页，共66页，2023年，2月20日，星期二一

离体培养中的遗传与变异特点

普遍性：局限性：嵌合性：第50页，共66页，2023年，2月20日，星期二普遍性：

变异可发生在各种培养类型中；变异发生在各种植物的培养中；第51页，共66页，2023年，2月20日，星期二植物种类再生植株来源变异频率（％）烟草体细胞愈伤组织10水稻胚愈伤组织71.9甘蔗幼叶愈伤组织>18玉米体细胞愈伤组织14大麦花粉植株10-15部分植物离体培养再生植株的表型变异频率第52页，共66页，2023年，2月20日，星期二局限性：表型上：在不同植物类型中经常发生的体细胞变异主要是植株形态（株高、叶形、叶色等）、生长势、育性、某些抗性等性状的变异。生理生化特性上：容易出现同功酶谱、次生代谢的消长等变异。一些单基因控制的性状不仅发生隐性突变，也发生显性突变。第53页，共66页，2023年，2月20日，星期二嵌合性：

嵌合性是指同一有机体中同时存在有遗传组成不同的细胞，它是组织培养中常见的现象第54页，共66页，2023年，2月20日，星期二影响体细胞遗传与变异的因素

供体植物：倍性水平；基因型；外植体细胞分化程度培养基：不同的激素浓度可以有选择地诱导不同倍性的细胞的分裂（倍性增加或减小）。培养方式：悬浮培养的细胞较半固体培养的细胞易产生变异继代培养的次数：继代时间或越长，继代次数越多，细胞变异的几率就越高。第55页，共66页，2023年，2月20日，星期二第56页，共66页，2023年，2月20日，星期二培养时间（月）观察细胞数亚二倍体细胞数亚二倍体百分率％二倍体细胞数二倍体百分率％多倍体和非整倍细胞数多倍体和非整倍百分率％1921415.26570.799.8351611.83976.5611.812501530.02754.0714.018832934.93339.81922.9培养时间对掌叶半夏愈伤组织染色体变异的影响第57页，共66页，2023年，2月20日，星期二体细胞变异的细胞遗传学基础

染色体组数：增加，形成同源多倍体染色体结构变异：染色体易位、缺失、倒位等第58页，共66页，2023年，2月20日，星期二体细胞变异的分子遗传学基础

碱基突变：结构基因的位置或调控序列的位置DNA序列的选择性扩增与丢失：DNA序列丢失多发生在rDNA及其间隔序列转座子（transposon）活化，McClintock在玉米中发现，在培养环境中首先被激活而转座，从而造成染色体的结构变异。D