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1、第三章 细胞全能性与形态发生主要内容细胞的全能性及其实现途径胞的全能性及其实现途径脱分化与再分化脱分化与再分化形态发生途径形态发生途径 器官发生途径器官发生途径 体细胞胚途径体细胞胚途径一、细胞的全能性全能性：一个细胞所具有的产生完整生物个体的全能性：一个细胞所具有的产生完整生物个体的固有能力称之为细胞的全能性。固有能力称之为细胞的全能性。 细胞学说：细胞是生物体结构和功能的基本单位细胞学说：细胞是生物体结构和功能的基本单位遗传学理论：细胞具有生物体全部的遗传物质遗传学理论：细胞具有生物体全部的遗传物质一、细胞的全能性细胞细胞全能性的绝对性与相对性全能性的绝对性与相对性: 不同细胞全能性的表现
2、程度存在明显的差不同细胞全能性的表现程度存在明显的差异（动、植物细胞差异尤其明显）。异（动、植物细胞差异尤其明显）。即使是植物细胞，细胞全能性也并不意味即使是植物细胞，细胞全能性也并不意味着任何细胞均可以直接产生植物个体。着任何细胞均可以直接产生植物个体。二、植物细胞的分类（依全能性）第一类：始终保持分裂能力的细胞如茎尖、根尖及形成层细胞第一类：始终保持分裂能力的细胞如茎尖、根尖及形成层细胞 最容易体现全能性最容易体现全能性第二类：永久失去分裂能力的细胞如筛管、导管、气孔保卫细胞第二类：永久失去分裂能力的细胞如筛管、导管、气孔保卫细胞 等特化细胞等特化细胞 最难实现全能性最难实现全能性第三类：
3、第三类：Go细胞如表皮细胞及各种薄壁细胞细胞如表皮细胞及各种薄壁细胞 容易实现全能性容易实现全能性 总之，细胞分化程度越高，表达全能性越难。总之，细胞分化程度越高，表达全能性越难。植物细胞全能性表现根据细胞类型不同从强到弱植物细胞全能性表现根据细胞类型不同从强到弱: : 营养生长中心营养生长中心 形成层形成层 薄壁细胞薄壁细胞 厚壁细胞厚壁细胞( (木质化细胞木质化细胞) ) 特化细胞特化细胞( (筛管、导管细胞筛管、导管细胞) )； 根据细胞所处的组织不同从强到弱为：根据细胞所处的组织不同从强到弱为： 顶端分生组织顶端分生组织 居间分生组织居间分生组织 侧生分生组织侧生分生组织 薄壁组织薄壁
4、组织( (基本组织基本组织) ) 厚角组织厚角组织 输导组织输导组织 厚厚壁组织。壁组织。 三、细胞全能性的实现1、细胞实现全能性必须具备两方面的条件：、细胞实现全能性必须具备两方面的条件：内在内在：具有全能性：具有全能性 死细胞死细胞外在：脱离生物体外在：脱离生物体（摆脱整体的控制）（摆脱整体的控制） 培养条件培养条件（特别是激素的作用）（特别是激素的作用）三、细胞全能性的实现2、细胞实现全能性的过程：通过脱分化和再分化、细胞实现全能性的过程：通过脱分化和再分化脱分化（脱分化（dedifferentiation）：培养条件下使一个已分化的细胞）：培养条件下使一个已分化的细胞回复到原始无分化状
5、态或分生细胞状态的过程。回复到原始无分化状态或分生细胞状态的过程。再分化（再分化（redifferentiation）：脱分化以后的无序生长的细胞及）：脱分化以后的无序生长的细胞及其愈伤组织重新进入有序生长进而再生生物个体的过程。（愈伤其愈伤组织重新进入有序生长进而再生生物个体的过程。（愈伤组织：离体培养条件下由外植体细胞形成的一团疏松的薄壁细胞组织：离体培养条件下由外植体细胞形成的一团疏松的薄壁细胞团，具分裂能力，处于分生状态。）团，具分裂能力，处于分生状态。）愈伤组织示意图第二节 脱分化与再分化 脱分化和再分化是脱分化和再分化是培养条件培养条件下的现象。下的现象。脱分化的特征脱分化的特征脱
6、分化的过程脱分化的过程脱分化的机理脱分化的机理脱分化的结果脱分化的结果一、脱 分 化（一）、脱分化的特征中央大液泡中央大液泡 消失（出现蛋白体）消失（出现蛋白体） 核小，位于边缘核小，位于边缘 体积增大，移至中央体积增大，移至中央叶绿体叶绿体 原质体（基粒片层解体出芽）原质体（基粒片层解体出芽）细胞质密度低细胞质密度低 内膜细胞器显著增加，胞质变浓内膜细胞器显著增加，胞质变浓其中，其中，液泡消失和叶绿体的转变是脱分化的重要特征液泡消失和叶绿体的转变是脱分化的重要特征。（二）、脱分化的过程启动阶段：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； 演变阶段：此时细胞核开始向中央移动
7、，质体演变成原质体； 终结阶段：细胞回复到分生细胞状态，细胞其始分裂和进行分化。 （三）、脱分化的机理细胞周期对脱分化的调控细胞周期对脱分化的调控激素诱导表达基因激素诱导表达基因与细胞脱分化与细胞脱分化PSK的发现及其对细的发现及其对细胞脱分化的影响胞脱分化的影响细胞脱分化与染色细胞脱分化与染色体解凝聚体解凝聚（促分裂肽）（三）、脱分化的机理1. 细胞周期与脱分化细胞周期与脱分化细胞脱分化调控的实质细胞脱分化调控的实质:即是即是G0期细胞回复到分裂周期的期细胞回复到分裂周期的调控调控过程过程。细胞周期检验点；细胞周期检验点； cyclin-CDK植物细胞周期的调控主要有植物细胞周期的调控主要有
8、2类类CDK（CDKa、CDKb）和）和2类类cyclin（CycB、CycD）。）。CDKa/CycD磷酸化磷酸化Rb（G1期限制点调控分子），使细胞通过期限制点调控分子），使细胞通过“限制点限制点”进入分裂周期。进入分裂周期。CDKb与与CycB以及相关的调节蛋白完成从以及相关的调节蛋白完成从S期到期到M期的期的调控。调控。 （三）、脱分化的机理2. 植物激素与脱分化植物激素与脱分化生长素类：生长素类：IAA、NAA、2,4-D、IBA细胞分裂素类：细胞分裂素类：KT、6-BA、ZT、2ip赤霉素类：赤霉素类：GA3脱落酸：脱落酸：ABA乙烯：乙烯：（三）、脱分化的机理2. 植物激素与脱分
9、化植物激素与脱分化植物激素诱导表达的一些基因，其产物启动了细胞的脱分化。植物激素诱导表达的一些基因，其产物启动了细胞的脱分化。例：例：Takahashi等（等（1989）从一个叶肉原生质体）从一个叶肉原生质体cDNA文库中分文库中分离到一个离到一个2,4-D诱导表达的基因，命名为诱导表达的基因，命名为par。par基因在细胞基因在细胞从从G0期转入期转入S期的早期启动中期的早期启动中具有功能性作用。具有功能性作用。 培养材料接种到含培养材料接种到含2，4-D培养基中培养基中30min，检测到，检测到par的表达，的表达，细胞周期研究表明在细胞周期研究表明在DNA合成之前。合成之前。植物激素不直
10、接作用于植物激素不直接作用于DNA，而是通过其受体蛋白的信，而是通过其受体蛋白的信号转导途径起作用。号转导途径起作用。（四）、脱分化的结果细胞脱分化是细胞状态的改变，成功的脱分化绝大多数情细胞脱分化是细胞状态的改变，成功的脱分化绝大多数情况下导致细胞的分裂，通过分裂形成况下导致细胞的分裂，通过分裂形成愈伤组织愈伤组织。细胞初期分裂方式与外植体细胞类型有关。为正常二倍体细胞，第一细胞初期分裂方式与外植体细胞类型有关。为正常二倍体细胞，第一次分裂通常是有丝分裂；含有高倍化细胞，第一次分裂可能是有丝分次分裂通常是有丝分裂；含有高倍化细胞，第一次分裂可能是有丝分裂，也可能是无丝分裂。裂，也可能是无丝分
11、裂。有些外植体的细胞脱分化以后直接形成胚性细胞进而形成有些外植体的细胞脱分化以后直接形成胚性细胞进而形成体细胞胚体细胞胚。 在极少数情况下脱分化细胞会不经分裂直接分化形成其他在极少数情况下脱分化细胞会不经分裂直接分化形成其他类型的细胞。（类型的细胞。（转分化转分化）体细胞胚离体培养下没有经过受精过程，但经过了胚胎发育过程所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。胞），统称为体细胞胚或胚状体。（四）、脱分化的结果脱分化与愈伤组织的形成在性质上是不能等同的，脱
12、分化与愈伤组织的形成在性质上是不能等同的，脱分化是细胞生理状态的改变脱分化是细胞生理状态的改变，而，而形成愈伤组织是形成愈伤组织是离体培养中的一个阶段。离体培养中的一个阶段。 尽管细胞脱分化后进入细胞分裂的结果，在大多数尽管细胞脱分化后进入细胞分裂的结果，在大多数情况下是形成愈伤组织，但绝情况下是形成愈伤组织，但绝不是说所有的细胞脱不是说所有的细胞脱分化的结果都必然形成愈伤组织。分化的结果都必然形成愈伤组织。(五)、愈伤组织的形成与调控愈伤组织的形成过程愈伤组织的形成过程愈伤组织的类型愈伤组织的类型愈伤组织的增殖愈伤组织的增殖愈伤组织的应用愈伤组织的筛选愈伤组织的应用愈伤组织的筛选1. 愈伤组
13、织的形成过程Yeoman（1973）划分为）划分为3个时期：个时期：诱导期（脱分化）：诱导期（脱分化）：分裂期：外植体分裂期：外植体外层细胞开始分裂，中间部分静止外层细胞开始分裂，中间部分静止形成期：形成期：内部细胞分裂，形成瘤状内部细胞分裂，形成瘤状、片状分生组织、片状分生组织（又称分生组织节），是愈伤组织生长中心。（又称分生组织节），是愈伤组织生长中心。1. 愈伤组织的形成过程分裂期分裂期形成期形成期2. 愈伤组织的类型王海波（王海波（1991）根据禾本科植物愈伤组织的特征）根据禾本科植物愈伤组织的特征将其分为三种类型，现在广为借用。将其分为三种类型，现在广为借用。型：结构致密、生长缓慢、
14、容易分化苗型：结构致密、生长缓慢、容易分化苗 保守分裂型保守分裂型型：结构松脆、生长旺盛、色泽艳型：结构松脆、生长旺盛、色泽艳 亢奋分裂型亢奋分裂型型：结构松脆、生长缓慢型：结构松脆、生长缓慢 衰败型衰败型2. 愈伤组织的类型结构致密结构致密结构松脆结构松脆2. 愈伤组织的类型结构致密结构致密结构松脆结构松脆组织培养图片展香石竹菊花花托百合根2. 愈伤组织的类型愈伤组织类型的影响因子：愈伤组织类型的影响因子：取材（外植体）取材（外植体）:培养基中的培养基中的氮源氮源形态形态: NH4+促进细胞分裂促进细胞分裂，NO3-抑制细胞分裂抑制细胞分裂激素激素：生长素促进生长素促进型型(亢奋分裂型亢奋分
15、裂型)，细胞分裂素促进，细胞分裂素促进型。型。3. 愈伤组织的增殖原因：原因：营养物质枯竭，代谢产物积累；发生分化营养物质枯竭，代谢产物积累；发生分化增殖：增殖：将愈伤组织切成小块将愈伤组织切成小块 增殖培养基增殖培养基 生长成菜花状组织生长成菜花状组织（生长发生在不与培养基接触面）（生长发生在不与培养基接触面）3. 愈伤组织的增殖4. 应用及筛选必备条件：稳定性好，增殖旺盛必备条件：稳定性好，增殖旺盛应用：再分化植株（高度的胚性或再分化能力）应用：再分化植株（高度的胚性或再分化能力） 细胞培养（结构松脆，容易分散）细胞培养（结构松脆，容易分散）二、再分化极性极性管状分子细胞的分化（微管组织形
16、成）管状分子细胞的分化（微管组织形成）细胞再分化途径细胞再分化途径二、再分化再分化（再分化（redifferentiation）：）：在离体条件下，在离体条件下，当细胞脱分化以后，无序生长的细胞及其愈伤组当细胞脱分化以后，无序生长的细胞及其愈伤组织要重新进入有序生长进而才能再生个体，通常织要重新进入有序生长进而才能再生个体，通常把离体培养下的这一过程称为再分化。把离体培养下的这一过程称为再分化。 细胞要进行再分化，首先必须建立极性。细胞要进行再分化，首先必须建立极性。（一）、极性极性：极性：指植物的器官、组织、甚至单个细指植物的器官、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胞在不同
17、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。及生理生化上的梯度差异。 极性建立极性建立：与质膜离子通道的不对称分布：与质膜离子通道的不对称分布和细胞周质微管重排有关。和细胞周质微管重排有关。（一）、极性在很多情况下，在很多情况下，细胞的不均等分裂细胞的不均等分裂是是细胞极是是细胞极性建立的标志。性建立的标志。 如：植物细胞的极性如：植物细胞的极性 合子分裂形成基细胞和顶细胞合子分裂形成基细胞和顶细胞 动物细胞动物细胞 卵裂形成动物极细胞和植物极细胞卵裂形成动物极细胞和植物极细胞（一）、极性对离体培养的组织、细胞形成的脱分化细胞或愈对离体培养的组织、细胞形成的脱分化细胞或愈伤组织而言，极
18、性建立后，生长素沿着极性方向伤组织而言，极性建立后，生长素沿着极性方向流动，导致管状分子细胞（流动，导致管状分子细胞（TE）的出现。）的出现。通常把离体培养中通常把离体培养中TE细胞的出现作为组织分化的细胞的出现作为组织分化的标志标志 。（再分化的标志）。（再分化的标志）管状分子细胞（管状分子细胞（TE）？）？（二）、管状分子细胞的分化以百日草以百日草叶肉细胞叶肉细胞转变为转变为管状分子管状分子细胞为例：细胞为例：第一阶段：叶肉细胞脱分化第一阶段：叶肉细胞脱分化第二阶段：叶肉细胞向第二阶段：叶肉细胞向TE细胞转分化细胞转分化第三阶段：第三阶段： TE细胞特化阶段，即细胞壁加厚，原生质细胞特化阶
19、段，即细胞壁加厚，原生质自溶，细胞骨架螺旋排列形成管状细胞。最后自溶，细胞骨架螺旋排列形成管状细胞。最后TE细胞细胞长孔两端穿孔与另一长孔两端穿孔与另一TE细胞相通，形成疏导组织。细胞相通，形成疏导组织。（二）、管状分子细胞的分化转分化：细胞脱分化后转分化：细胞脱分化后不经分裂不经分裂直接转变为另一种直接转变为另一种类型细胞的现象。类型细胞的现象。（二）、管状分子细胞的分化管状分子细胞的形成非管状分子细胞的形成非常重要，它在维管的形成常重要，它在维管的形成中具有中心作用，中具有中心作用，是维管发生的一个标志是维管发生的一个标志。维管系统：水分、物质运输的通道，同时起机械维管系统：水分、物质运输
20、的通道，同时起机械支撑作用。支撑作用。离体培养中，没有维管的形成，就不能保证营养离体培养中，没有维管的形成，就不能保证营养来源，也无法再形成新的植物个体。来源，也无法再形成新的植物个体。（二）、管状分子细胞的分化植物激素在维管分化中的作用植物激素在维管分化中的作用激素是离体培养条件下调控细胞脱分化和再分化激素是离体培养条件下调控细胞脱分化和再分化的主要因素，其中生长素和细胞分裂素是两类主的主要因素，其中生长素和细胞分裂素是两类主要的调控培养条件下细胞生长和分化的植物激素。要的调控培养条件下细胞生长和分化的植物激素。此外，在有些试验中也显示，此外，在有些试验中也显示，GA3、ABA、乙烯、乙烯等
21、也在细胞分化中起到一定调节作用。等也在细胞分化中起到一定调节作用。 （二）、管状分子细胞的分化生长素：刺激木质部的发生生长素：刺激木质部的发生将带有将带有23叶原基的茎尖嫁接到洋丁香的愈伤组叶原基的茎尖嫁接到洋丁香的愈伤组织上，可诱导维管的形成。织上，可诱导维管的形成。细胞分裂素：与木质部发生有关细胞分裂素：与木质部发生有关激动素可使烟草愈伤组织导管分化率提高激动素可使烟草愈伤组织导管分化率提高30%。（二）、管状分子细胞的分化糖糖:生长素对维管组织分化的影响与糖的存在有密切联系生长素对维管组织分化的影响与糖的存在有密切联系 。0.05mg/L IAA + 1%蔗糖蔗糖，Syringa愈伤组织
22、中仅出现愈伤组织中仅出现少量的木少量的木质质部部 0.05mg/L IAA + 2%蔗糖，木质部的形成量就较多蔗糖，木质部的形成量就较多 0.05mg/L IAA + 2%4%蔗糖蔗糖，木质部和韧皮部组织同时分化木质部和韧皮部组织同时分化 0.05mg/L IAA +5%蔗糖蔗糖，愈伤组织中形成的维管组织的，愈伤组织中形成的维管组织的主要成主要成分是韧皮部，仅有少量木质部分是韧皮部，仅有少量木质部。 培养基的糖浓度？培养基的糖浓度？另外，有的双糖如麦芽糖和海藻糖（另外，有的双糖如麦芽糖和海藻糖（Trehalose）对植物愈伤组）对植物愈伤组织中的导管分化有促进作用，而葡萄糖、果糖和其他单糖则没
23、有织中的导管分化有促进作用，而葡萄糖、果糖和其他单糖则没有这样的作用这样的作用 。 培养基的糖种类？培养基的糖种类？（二）、管状分子细胞的分化众多的植物离体培养实验证明，细胞分裂素和生长素众多的植物离体培养实验证明，细胞分裂素和生长素对于细胞生长和分化具有同等重要的协同作用，它们对于细胞生长和分化具有同等重要的协同作用，它们的量与比值的不同配合，对细胞脱分化和分化起着重的量与比值的不同配合，对细胞脱分化和分化起着重要调节作用。要调节作用。由于外植体细胞所处的生理状态不同以及内源激素水由于外植体细胞所处的生理状态不同以及内源激素水平的差异，寻找外源激素水平在分化中作用的共同模平的差异，寻找外源激素水平在分化中作用的共同模式是很困难的。式是很困难的。 （三）、细胞再分化的途径 脱分化成熟细胞（分化状态） 分生状态愈伤组织再分化愈伤组织再分化愈伤组织再分化愈伤组织再分化直接分化（包括转分化）直接分化（包括转分化）直接分化（包括转分化）直接分化（包括转分化）芽芽芽芽/ /根等器官根等器官根等器官根等器官胚性细胞胚性细胞胚性细胞胚性细胞
