細胞全能性和遺傳變異

1、關(guān)于細胞的全能性與遺傳變異第一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月目的與要求掌握細胞離體培養(yǎng)的基本理論基礎(chǔ)；理解培養(yǎng)條件下組織細胞脫分化和再分化的調(diào)控原理；了解體細胞胚形成過程及其與合子胚的差異；了解細胞離體培養(yǎng)遺傳變異。第二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié)細胞全能性及其表達細胞全能性概述細胞脫分化細胞分化第三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月全能性：一個生活細胞所具有的產(chǎn)生完整生物個體的潛在能力稱之為細胞的全能性周期細胞：莖尖、根尖及形成層細胞始終保持分裂能力終端分化細胞：篩管、導管、氣孔保衛(wèi)細胞等特化細胞，永久失去分裂能力Go細胞：表皮細胞及各種薄壁細胞，受到

2、外界刺激后可重新啟動分裂一、細胞全能性注意：一個植物細胞向分生狀態(tài)回復過程所能進行的程度，取決于它在自然部位上所處的位置和生理狀態(tài)。第四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月二、培養(yǎng)條件下的細胞脫分化細胞脫分化（dedifferentiation）：培養(yǎng)條件下使一個已分化的細胞回復到原始無分化狀態(tài)或分生細胞狀態(tài)的過程第五張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1細胞脫分化過程中生理活動與細胞結(jié)構(gòu)的變化總體上包括：細胞質(zhì)顯著變濃，大液泡消失，核體積增加并逐漸移位至細胞中央，細胞器增加。第一階段為啟動階段，表現(xiàn)為細胞質(zhì)增生，并開始向細胞中央伸出細胞質(zhì)絲，液泡蛋白體出現(xiàn)；第二階段為演變階段，此

3、時細胞核開始向中央移動，質(zhì)體演變成原質(zhì)體；第三階段為脫分化終結(jié)期，細胞回復到分生細胞狀態(tài)，細胞分裂即將開始。第六張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月2細胞脫分化的調(diào)控機理細胞周期調(diào)控激素的作用PSK的調(diào)控作用染色體變化第七張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第八張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第九張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第十張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月周期調(diào)控蛋白三類：Cyclin(周期蛋白A，B，C，E)CDK-cyclin-depended kinase（1，2，4）CKI- cyclin-depended kinase inhibit

4、or第十一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第十二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月PSK調(diào)控作用1996年，首次發(fā)現(xiàn)PSK a, PSKbPSKa在低細胞密度下促進細胞啟動分裂。PSKa表達受NAA誘導，PSKa表達同時細胞起動分裂。水稻細胞質(zhì)膜上存在PSKa的受體蛋白120kD和160kD第十三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月三、細胞分化細胞分化（differentiation）：導致細胞形成不同結(jié)構(gòu)，引起功能改變或潛在發(fā)育方式改變的過程（許智宏，1998）。時間上的分化：一個細胞在不同的發(fā)育階段上可以有不同的形態(tài)和機能空間上的分化：同一種細胞后代，由于所處的環(huán)境

5、（如部位）不同而可以有相異的形態(tài)和機能單細胞生物：僅有時間上的分化多細胞生物：時間上的分化，有空間上的分化，如一個植物個體在其頂端、根、莖、葉等不同部位具有不同的細胞。第十四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1、細胞分化與基因組變化染色體重復復制DNA的差異擴增基因重排第十五張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月2極性與細胞分化極性：指植物的器官、組織、甚至單個細胞在不同的軸向上存在的某種形態(tài)結(jié)構(gòu)以及生理生化上的梯度差異極性無論在低等植物或高等植物中均普遍存在。極性一旦建立，在一般情況下不可逆轉(zhuǎn)。在很多情況下，細胞的不均等分裂是細胞極性建立的標志。第十六張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于

6、2022年6月3激素在細胞分化中的調(diào)控作用激素在植物生長發(fā)育中具有重要的調(diào)控作用，也是離體培養(yǎng)條件下調(diào)控細胞脫分化和再分化的主要因素。生長素和細胞分裂素是兩類主要的培養(yǎng)條件下調(diào)控細胞生長和分化的植物激素。有些試驗中也顯示，GA3、ABA、乙烯等也在細胞分化中起到一定的調(diào)節(jié)作用。第十七張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 器官發(fā)生離體培養(yǎng)中器官發(fā)生的方式器官分化過程起始材料對器官分化的影響激素對器官分化的調(diào)控器官發(fā)生：是指培養(yǎng)條件下的組織或細胞團（愈傷組織）分化形成不定根（adventitious roots）、不定芽（adventitious shoots）等器官的過程。第十八張，

7、PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月一、離體培養(yǎng)中器官發(fā)生的方式三種方式：先芽后根先根后芽愈傷組織的不同部位形成芽和根，再通過維管組織的聯(lián)系形成完整植株。第十九張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月二、器官分化過程三個生長階段：誘導形成愈傷組織“生長中心”形成：若干部位成叢出現(xiàn)類似形成層的細胞群，擬分生組織，它們是愈傷組織中形成器官的部位。器官原基及器官形成第二十三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月注意在有些情況下，外植體不經(jīng)過典型的

8、愈傷組織即可形成器官原基。兩種情況：外植體中已存在器官原基，進一步培養(yǎng)即形成相應(yīng)的組織器官進而再生植株，如莖尖、根尖分生組織培養(yǎng)；外植體某些部位的細胞，在重新分裂后直接形成分生細胞團，然后由分生細胞團形成器官原基。這種不經(jīng)過愈傷組織直接發(fā)生器官的途徑在以品種繁殖為目的的離體培養(yǎng)中具有重要的實踐意義。第二十四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月三、起始材料對器官分化的影響母體植株的遺傳基礎(chǔ)：不同基因型器官分化能力不一樣（玉米幼胚340、吉853、444，愈傷組織誘導率均為100%，器官分化率（）78、11、0.4)外植體的類型：體現(xiàn)在外植體的生理狀態(tài)上。生理狀態(tài)年輕，來源于生長活躍或生長潛

9、力大的組織和器官的細胞更有利于培養(yǎng)第二十五張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月激素對器官分化的調(diào)控生長素與細胞分裂素是兩類主要的植物激素，在離體器官分化調(diào)控中占有主導地位。生長素/細胞分裂素比例：高：生根；低：分化芽；中：愈傷組織第二十六張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月光照對器官分化的影響基因調(diào)控光照時間、強度以及光質(zhì)對器官分化均有影響同源框（homebox）基因：Kn1（KNOTTED1）；STM（Shootmeristemless）Cdc2；ESR1bZIP（PKSF1）；SRD1、SRD2和SRD3第二十七張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 體細胞胚胎發(fā)生體

10、細胞胚概念：離體培養(yǎng)下沒有經(jīng)過受精過程，但經(jīng)過了胚胎發(fā)育過程所形成的胚的類似物（不管培養(yǎng)的細胞是體細胞還是生殖細胞），統(tǒng)稱為體細胞胚或胚狀體。體細胞胚是離體培養(yǎng)的產(chǎn)物起源于非合子細胞，區(qū)別于合子胚；經(jīng)過了胚胎發(fā)育過程，區(qū)別與離體培中器官發(fā)生第二十八張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十九張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月一、體細胞胚的形成體細胞胚從外植體上直接發(fā)生經(jīng)過愈傷組織的體細胞胚發(fā)生細胞懸浮培養(yǎng)的體細胞胚胎發(fā)生第三十張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1體細胞胚從外植體上直接發(fā)生葉片為外植體，體細胞胚兩個階段：誘導期：葉片表皮細胞或亞表皮細胞感受培養(yǎng)刺激，進入分裂

11、狀態(tài)。胚胎發(fā)育期：形成的瘤狀物繼續(xù)發(fā)育，經(jīng)過球形胚、心形胚等發(fā)育過程，最后形成體細胞胚。第三十一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月2經(jīng)過愈傷組織的體細胞胚發(fā)生三個培養(yǎng)階段：誘導外植體形成愈傷組織；誘導愈傷組織胚性化；體細胞胚形成。在以幼胚、胚以及子葉為外植體時，通?？梢灾苯诱T導胚性愈傷組織產(chǎn)生，進而發(fā)生體細胞胚。因此，經(jīng)過愈傷組織的體細胞胚胎發(fā)生，胚性愈傷組織的形成是培養(yǎng)的關(guān)鍵。第三十二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月圖1甘薯莖尖分生組織誘導的胚性愈傷組織F ig11Embryogenic callus from ap icalmeristem第三十三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)

12、作于2022年6月圖2不同發(fā)育時期的體細胞胚F ig12Somatic embryo s at different developmental stages第三十四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月圖3從體細胞胚分化叢生試管苗F ig13Plantlets from somatic embryos第三十五張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月3細胞懸浮培養(yǎng)的體細胞胚胎發(fā)生兩類細胞：自由分散大而高度液泡化細胞，不具備胚胎發(fā)生潛力；成簇團的體積小而細胞質(zhì)致密的細胞，具有成胚能力，稱為胚性細胞團。胚性細胞團：適宜的胚胎發(fā)生培養(yǎng)基，外圍細胞開始第一次不均等分裂。一個細胞較大，以后發(fā)育成類似

13、胚柄的結(jié)構(gòu)；另一個分裂形成類似原胚的結(jié)構(gòu)，經(jīng)球形期、心形期等發(fā)育階段形成完整的體細胞胚。第三十六張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月二、體細胞胚的結(jié)構(gòu)與發(fā)育特點與器官發(fā)生形成個體的途徑相比，兩個特點：一是體細胞胚具有雙極性（doublepolarity）二是體細胞胚形成后與母體的維管束系統(tǒng)連系較少，即出現(xiàn)所謂的生理隔離（physiological isolation）現(xiàn)象。與合子胚相比，體細胞胚一般沒有真正的胚柄只有類似胚柄的結(jié)構(gòu)；子葉常不規(guī)范，有時具有兩片以上的子葉；體積明顯?。粵]有休眠。第三十七張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月三、影響體細胞胚發(fā)生的因素外源激素對體細胞胚胎發(fā)

14、生的調(diào)控培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件對體細胞胚形成的影響不同基因型間體細胞胚形成能力的差異第三十八張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1外源激素對體細胞胚胎發(fā)生的調(diào)控2，4D是應(yīng)用最為廣泛的生長素，2，4D的應(yīng)用有著規(guī)律性的變化。首先是在較高濃度下誘導胚性細胞的形成降低2，4D的濃度下產(chǎn)生早期胚胎，一般在球形胚形成后，除去生長素則有利于體細胞胚的繼續(xù)發(fā)育。第三十九張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月2培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件對體細胞胚形成的影響體細胞胚的產(chǎn)生要求培養(yǎng)基中含有一定濃度的還原態(tài)氮。球形胚形成后，如果降低培養(yǎng)基的無機鹽濃度，可以顯著促進體細胞胚的進一步發(fā)育。在一些試驗中還發(fā)現(xiàn)，體細胞胚發(fā)育后

15、期降低蔗糖濃度，也有利于胚的繼續(xù)發(fā)育和提高體細胞胚的成苗率第四十張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月3不同基因型間體細胞胚形成能力的差異不同類型的植物間具有明顯差異：自然條件下容易產(chǎn)生無融合生殖胚的植物為多，且培養(yǎng)條件相對較為簡單，如咖啡屬植物、蕓香科植物等。同類植物的不同基因型，在體細胞胚誘導的難易、形成時間以及單個外植體產(chǎn)生體細胞胚的數(shù)量上也存在明顯差異。馬鈴薯18個不同基因型品種的體細胞胚形成能力的比較研究顯示，有7個品種的體細胞胚發(fā)生率為100，而頻率最低則只有10。第四十一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月四、體細胞胚胎發(fā)生的生化與分子基礎(chǔ)體細胞胚形成過程中內(nèi)源生長素的

16、變化體細胞胚發(fā)生過程中的特異蛋白質(zhì)體細胞胚形成的基因表達調(diào)控第四十二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1體細胞胚形成過程中內(nèi)源生長素的變化外源生長素對體細胞胚產(chǎn)生和發(fā)育的調(diào)控是通過調(diào)節(jié)內(nèi)源激素的合成、代謝、極性運輸和平衡而起作用的。外源生長素的使用模式：在大多數(shù)植物中是相似的，如誘導胚性細胞產(chǎn)生，或誘導愈傷組織轉(zhuǎn)化為胚性愈傷組織，均需要高濃度的生長素。當球形胚形成后，則需要降低生長素水平才能完成體細胞胚的繼續(xù)發(fā)育。生長素的這一應(yīng)用規(guī)律與胚胎發(fā)育過程中內(nèi)源激素的變化是一致的。第四十三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月2體細胞胚發(fā)生過程中的特異蛋白質(zhì)有關(guān)體細胞胚形成中蛋白質(zhì)含量和組

17、分的變化，盡管不同研究在絕對含量上不盡相同，但總體趨勢均表現(xiàn)出，體細胞胚形成過程中水溶性蛋白明顯增加。第四十四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月3體細胞胚形成的基因表達調(diào)控通過基因表達的差異顯示和胚胎發(fā)育突變體等技術(shù)，已分離出幾十個與體細胞胚發(fā)育相關(guān)的基因。除了一些典型的激素調(diào)控基因外，還有其它類型的基因。第四十五張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月表 胡蘿卜體細胞胚形成相關(guān)的部分基因 基 因 表達產(chǎn)物 表 達 時 期 資 料 來 源 DC8 LEA（Grp3） 心形胚Borrkird等， 1986；Franz等， DC59 Oleosin 心形胚Choi等， 1987；Hatz

18、opoulos等， DC3 LEA（Grp3） 原胚、球形胚、心形胚 Wilde等，1988 EMB-1 LEA（Grp1） 球形胚、心形胚 Ulrich等，1990；1993 ECP31 LEA（Grp4） 原胚 ECP40 LEA（Grp2） 原胚 Kiyosue等，1992，1993第四十六張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十七張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié) 離體培養(yǎng)下的遺傳與變異體細胞變異的特點和規(guī)律體細胞變異的應(yīng)用途徑和選擇方法細胞變異細胞遺傳學和分子遺傳學基礎(chǔ)第四十八張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月基本概念細胞組織的離體培養(yǎng)屬于無性繁殖范疇再

19、生的個體均承傳了母體的遺傳基礎(chǔ)，植物快速繁殖應(yīng)用的基礎(chǔ)。離體培養(yǎng)的細胞、愈傷組織以及再生植株均普遍存在著變異（培育過程的影響）。體細胞無性系（somaclones）：由任何形式的細胞培養(yǎng)所產(chǎn)生的植株， Larkin和Scowcroft（1981）體細胞無性系變異（somaclonal variation）：這些植株所表現(xiàn)出來的變異第四十九張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月一 離體培養(yǎng)中的遺傳與變異特點普遍性：局限性：嵌合性：第五十張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月普遍性：變異可發(fā)生在各種培養(yǎng)類型中；變異發(fā)生在各種植物的培養(yǎng)中；第五十一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月植

20、物種類 再生植株來源 變異頻率（）煙 草 體細胞愈傷組織 10水 稻 胚愈傷組織 71.9甘 蔗 幼葉愈傷組織 18玉 米 體細胞愈傷組織 14大 麥 花粉植株 10-15部分植物離體培養(yǎng)再生植株的表型變異頻率第五十二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月局限性：表型上：在不同植物類型中經(jīng)常發(fā)生的體細胞變異主要是植株形態(tài)（株高、葉形、葉色等）、生長勢、育性、某些抗性等性狀的變異。生理生化特性上：容易出現(xiàn)同功酶譜、次生代謝的消長等變異。一些單基因控制的性狀不僅發(fā)生隱性突變，也發(fā)生顯性突變。第五十三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月嵌合性：嵌合性是指同一有機體中同時存在有遺傳組成不同的

21、細胞，它是組織培養(yǎng)中常見的現(xiàn)象第五十四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月影響體細胞遺傳與變異的因素供體植物：倍性水平；基因型；外植體細胞分化程度培養(yǎng)基：不同的激素濃度可以有選擇地誘導不同倍性的細胞的分裂（倍性增加或減小）。培養(yǎng)方式：懸浮培養(yǎng)的細胞較半固體培養(yǎng)的細胞易產(chǎn)生變異繼代培養(yǎng)的次數(shù)：繼代時間或越長，繼代次數(shù)越多，細胞變異的幾率就越高。第五十五張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十六張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月培養(yǎng)時間（月）觀察細胞數(shù)亞二倍體細胞數(shù)亞二倍體百分率二倍體細胞數(shù)二倍體百分率多倍體和非整倍細胞數(shù)多倍體和非整倍百分率1921415.26570.799

22、.8351611.83976.5611.812501530.02754.0714.018832934.93339.81922.9培養(yǎng)時間對掌葉半夏愈傷組織染色體變異的影響第五十七張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月體細胞變異的細胞遺傳學基礎(chǔ)染色體組數(shù)：增加，形成同源多倍體染色體結(jié)構(gòu)變異：染色體易位、缺失、倒位等第五十八張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月體細胞變異的分子遺傳學基礎(chǔ)堿基突變：結(jié)構(gòu)基因的位置或調(diào)控序列的位置DNA序列的選擇性擴增與丟失：DNA序列丟失多發(fā)生在rDNA及其間隔序列轉(zhuǎn)座子（transposon）活化，McClintock在玉米中發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)環(huán)境中首先被激活而

23、轉(zhuǎn)座，從而造成染色體的結(jié)構(gòu)變異。DNA甲基化（methylation）在基因表達調(diào)控中具有重要作用。第五十九張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月DNA甲基化及CpG島DNA甲基化是最早發(fā)現(xiàn)的基因表觀修飾方式之一,可能存在于所有高等生物中。DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活性，去甲基化則誘導了基因的重新活化和表達。甲基化的主要形式有5-甲基胞嘧啶,N6-甲基腺嘌呤和7-甲基鳥嘌呤。原核生物中CCA/TGG和GATC常被甲基化，而真核生物中甲基化僅發(fā)生于胞嘧啶。DNA的甲基化是在