發(fā)育生物學(xué),第一章 緒論

1、教材：植物發(fā)育生物學(xué) 崔克明著，北京大學(xué)出版社，2005年 植物發(fā)育生物學(xué)，白書農(nóng)著，北京大學(xué)出版社，2003年 植物發(fā)育的機(jī)制，英Ottoline Leyser著，瞿禮嘉 鄧興旺譯 2006 發(fā)育生物學(xué) 張紅衛(wèi)著，2005成績(jī)?cè)u(píng)估：上課出席（10%），平時(shí)成績(jī)（10%），實(shí)驗(yàn)報(bào)告（20%），期末考試（60%）第一章 導(dǎo)論在介紹關(guān)于植物發(fā)育研究的具體內(nèi)容之前，本章將先對(duì)有關(guān)植物發(fā)育生物學(xué)這個(gè)名詞所涉及的一些概念和歷史方面的內(nèi)容做簡(jiǎn)單的介紹。問(wèn)題：植物發(fā)育生物學(xué)（Plant Developmental Biology）研究的對(duì)象是什么？它與傳統(tǒng)的以動(dòng)物為研究對(duì)象的發(fā)育生物學(xué)（Developmen

2、tal Biology）之間有什么樣的關(guān)系？它又與過(guò)去的植物發(fā)育生理或生殖生物學(xué)之間有什么樣的關(guān)系？1.1 發(fā)育和發(fā)育生物學(xué)1.1.1 發(fā)育的概念發(fā)育：1999年辭海中，生物體在生命周期中，結(jié)構(gòu)和功能從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的變化過(guò)程。個(gè)體發(fā)育：從受精卵形成胚胎并成為性成熟個(gè)體的過(guò)程。Development: 在英文中，不僅被用于生物學(xué)領(lǐng)域。類似房地產(chǎn)開發(fā)這樣的開發(fā)活動(dòng)、音樂(lè)作品中交響樂(lè)主題的發(fā)展、攝影中的底片顯影過(guò)程，也都用development。為什么這么多與生物中的發(fā)育現(xiàn)像看起來(lái)風(fēng)馬牛不相及的事物在英文中卻使用同一個(gè)名詞呢？從該英文詞的辭源分析可以發(fā)現(xiàn)，這些事物之間確實(shí)在本質(zhì)上有相同之處。Devel

3、op最早的辭形desveloper由des(分離、剝離)+voloper(包裝)兩部分構(gòu)成。顯然，development本來(lái)的含義應(yīng)為將被包裝起來(lái)的東西打開。由于房地產(chǎn)開發(fā)時(shí)將設(shè)計(jì)藍(lán)圖變?yōu)閷?shí)物，底片中銀粒已在曝光時(shí)將影像保存，因此自然應(yīng)該用development。對(duì)于生物的發(fā)育而言，個(gè)體是由卵、胚胎等簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)變化而來(lái)，因此人們很容易想象這些個(gè)體的早期一定也是被什么包裝了的東西，這些東西在后來(lái)逐漸被打開，最后形成我們看到的生命個(gè)體。Development 除了有描述過(guò)程這一層含義之外，顯然還有預(yù)先被包裝的東西這一含義。這后一層含義對(duì)我們理解發(fā)育生物學(xué)的本質(zhì)具有十分重要的意義。1.1.2 發(fā)育生

4、物學(xué)的中心問(wèn)題？是一個(gè)單個(gè)細(xì)胞是如何變成一個(gè)復(fù)雜的生物體的。對(duì)于這一問(wèn)題的最初的回答一定是關(guān)于發(fā)育的比較完整的過(guò)程描述，即細(xì)胞分裂、生長(zhǎng)、分化、細(xì)胞死亡以及細(xì)胞運(yùn)動(dòng)（動(dòng)物中）綜合作用的結(jié)果產(chǎn)生了成年生物體。然而，雖然描述好過(guò)程很重要，但要理解發(fā)育我們就必須理解控制發(fā)育的機(jī)制。到底是什么因子調(diào)控細(xì)胞的行為，使之分裂、生長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)、分化或是死亡呢？1.1.3 預(yù)成論與漸成論發(fā)育生物學(xué)的前身是胚胎學(xué)（embryology）。早期人們就猜測(cè)在幼胚出現(xiàn)形態(tài)分化之前，到底是什么在決定一個(gè)生物個(gè)體的形態(tài)和結(jié)構(gòu)？在17-18世紀(jì)曾經(jīng)有兩種假說(shuō)：一種是預(yù)成論;一種是漸成論。預(yù)成論（preformation）認(rèn)為，

5、一個(gè)生物個(gè)體的形態(tài)和結(jié)構(gòu)是早已存在于母體中的。人們所見(jiàn)到的胚胎及成體，只不過(guò)是這些預(yù)先以微縮形式存在的個(gè)體逐步長(zhǎng)大而已。漸成論（epigenesis）認(rèn)為，一個(gè)生物的個(gè)體是由一些均一的結(jié)構(gòu)在一定的條件下逐步分化而形成的。 在人們已經(jīng)完成了線蟲、果蠅、小鼠的DNA序列測(cè)定，已經(jīng)掌握控制這些生命活動(dòng)基因總數(shù)的今天，回顧這些先輩的猜測(cè)，顯得當(dāng)時(shí)的人們多少有些天真。 但實(shí)際上，正是這些假說(shuō)的提出，在很大程度上為后人的研究提供了正確的方向。可以這么看，預(yù)成論所代表的是人們對(duì)生物個(gè)體形成所需要的基本藍(lán)圖的探求，而漸成論則是代表了人們對(duì)生物個(gè)體形成過(guò)程及該過(guò)程中調(diào)控機(jī)制的關(guān)注。缺少了兩者中的任何一方，都不可

6、能有現(xiàn)代意義上的發(fā)育生物學(xué)。1.1.4 現(xiàn)代發(fā)育生物學(xué)與傳統(tǒng)胚胎學(xué)的差別現(xiàn)代發(fā)育生物學(xué)是從胚胎學(xué)發(fā)展而來(lái)。那么兩者之間的差別在哪里？發(fā)育生物學(xué)的特點(diǎn)又是什么呢？（1）研究的過(guò)程和研究手段不同：胚胎學(xué)關(guān)注的重點(diǎn)是胚胎發(fā)生的過(guò)程及其影響因子，其主要研究手段是觀察、解剖、移植及各種理化因子的刺激反應(yīng)分析；而發(fā)育生物學(xué)則將關(guān)注的重點(diǎn)擴(kuò)展到整個(gè)生活周期（life cycle）,一個(gè)個(gè)體從出生到死亡那個(gè)所經(jīng)歷的各個(gè)時(shí)期，其主要研究手段不僅包括經(jīng)典的解剖、觀察，還包括基因的分離乃至當(dāng)前的基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)方法。（2）研究重點(diǎn)不同：胚胎學(xué)比較強(qiáng)調(diào)胚胎發(fā)生過(guò)程各種內(nèi)外因子的相互影響，而發(fā)育生物學(xué)則強(qiáng)調(diào)發(fā)育過(guò)程

7、的調(diào)控機(jī)理。(基因的程序性調(diào)控、染色體結(jié)構(gòu)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控，細(xì)胞內(nèi)外通訊中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)等。)基因的程序性調(diào)控：近年來(lái)從分子水平所進(jìn)行的研究表明，生物個(gè)體基本結(jié)構(gòu)的形成，從極性的建立、頭-尾/腹-背/左右等對(duì)稱性的建立、胚胎模式的建立到各種器官的形成，都受到不同基因的嚴(yán)格的程序化調(diào)控。其中，基因?qū)Σ煌瑒?dòng)物胚胎的模式建成的程序性調(diào)控是一個(gè)非常有代表性的例子。這些基因的表達(dá)具有嚴(yán)格的程序性。正是這些基因的有序的表達(dá)，決定了模式建成的正常進(jìn)行。從無(wú)脊椎動(dòng)物果蠅到哺乳動(dòng)物小鼠，參與胚胎模式建成的同源異形基因（homeiotic genes）從組成，到在染色體上的排列方式都具有高度的保守性。如果同源異形

8、基因發(fā)生突變，則胚胎模式建成將受到明顯的影響。1.1.5發(fā)育生物學(xué)發(fā)展歷程（1） 早期胚胎學(xué)家們對(duì)胚胎發(fā)育形態(tài)學(xué)比較研究。（2） 鑲嵌型發(fā)育和調(diào)整型發(fā)育：開創(chuàng)了一個(gè)新時(shí)代，由形態(tài)學(xué)比較轉(zhuǎn)入實(shí)驗(yàn)分析生命的本質(zhì)Weismann和Roux等人嵌合型發(fā)育學(xué)說(shuō)。通過(guò)顯微鏡操作，發(fā)現(xiàn)胚胎細(xì)胞的命運(yùn)在早期就被決定，提出胚胎是含不同遺傳潛能細(xì)胞的鑲嵌體。Driesch調(diào)整型發(fā)育，在局部受損傷后仍能正常發(fā)育，可以產(chǎn)生胚胎細(xì)胞位置的移動(dòng)和重排。分別強(qiáng)調(diào)的是決定胚胎分化的內(nèi)因和外因。他們的研究在發(fā)育生物學(xué)歷程中開創(chuàng)了一個(gè)新時(shí)代，由形態(tài)學(xué)比較轉(zhuǎn)入實(shí)驗(yàn)分析生命的本質(zhì)。正是由于這個(gè)原因，人們將由Roux創(chuàng)辦的發(fā)育機(jī)理學(xué)報(bào)

9、告創(chuàng)刊的1894年作為發(fā)育生物學(xué)這一學(xué)科成立的起點(diǎn)。（3） Morgan將遺傳學(xué)和胚胎學(xué)相統(tǒng)一的努力，標(biāo)志著傳統(tǒng)胚胎學(xué)向現(xiàn)代發(fā)育生物學(xué)的轉(zhuǎn)變。他早期是一個(gè)胚胎學(xué)家，弄清楚是Roux的內(nèi)因決定分化還是外因決定分化。孟德?tīng)柖杀砻?，性狀由可以?jīng)生殖細(xì)胞傳遞的遺傳因子決定。發(fā)現(xiàn)了果蠅眼睛顏色的伴性遺傳，稱為孟德?tīng)柪碚摰闹С终?。?） 20世紀(jì)50年代，DNA雙螺旋模型的提出。（5） 到了80年代，利用分子生物學(xué)方法從突變體中獲得了同源異形基因，揭示出復(fù)雜的形態(tài)建成事件最終也是由預(yù)先編碼在DNA中的遺傳程序所控制。（6） 現(xiàn)在，隨著主要模式生物基因組測(cè)序工作的完成，人們可以真正有機(jī)會(huì)最終解密發(fā)育程序的

10、編排方式，了解該程序的解讀過(guò)程并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)育的調(diào)控。1.2 什么是植物發(fā)育生物學(xué)？植物發(fā)育生物學(xué)：是從分子生物學(xué)、生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、解剖學(xué)和形態(tài)學(xué)等不同水平上，利用多種實(shí)驗(yàn)手段研究植物體的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的發(fā)生、發(fā)育和建成的細(xì)胞學(xué)和形態(tài)學(xué)過(guò)程及其細(xì)胞和分子生物學(xué)機(jī)制的科學(xué)?；A(chǔ)：植物形態(tài)解剖學(xué)、植物生理學(xué)、植物生物化學(xué)、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)等，這是在眾多學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門邊緣學(xué)科。實(shí)驗(yàn)手段：它利用生物學(xué)中已用過(guò)的和還沒(méi)用過(guò)的一切實(shí)驗(yàn)手段研究?jī)?nèi)容：細(xì)胞學(xué)和形態(tài)學(xué)過(guò)程，細(xì)胞和分子生物學(xué)機(jī)理。研究各種植物體及其器官、組織和細(xì)胞的分化和建成中需表達(dá)的基因，以及這些基因如何編碼成控制它們發(fā)育

11、式樣的程序，又有哪些調(diào)節(jié)基因在時(shí)空上調(diào)控不同程序的有序表達(dá)以及如何調(diào)控，等等。1.3 植物發(fā)育研究的主要階段人們對(duì)植物發(fā)育的認(rèn)識(shí)與對(duì)動(dòng)物發(fā)育的認(rèn)識(shí)所走的道路是很不相同的。從一開始人們就將注意的角度放在環(huán)境因子對(duì)植物形態(tài)建成的影響上。直到20世紀(jì)80年代后期，一批在果蠅發(fā)育研究中受過(guò)良好訓(xùn)練的科學(xué)家轉(zhuǎn)入植物領(lǐng)域后，人們才開始在形態(tài)建成機(jī)制的研究上取得了突破。1.3.1 環(huán)境因子對(duì)植物形態(tài)建成影響（刺激-反應(yīng)）：80年代后期之前1）最早關(guān)于開花機(jī)理的假說(shuō)是碳氮比假說(shuō)。該假說(shuō)認(rèn)為，給與充分的氮肥，植株將保持旺盛的葉片生長(zhǎng)而不容易開花。反之，若給與少量的氮肥，保持一個(gè)較高的碳氮比，則可以促進(jìn)植株開花。

12、2）在該階段最重要的發(fā)現(xiàn)光周期現(xiàn)象。日照的長(zhǎng)短對(duì)一些植物而言是重要的開花控制因子。3）發(fā)現(xiàn)了生長(zhǎng)素，對(duì)植物形態(tài)建成事件具有廣泛影響的生長(zhǎng)素。開辟了植物激素研究的專門領(lǐng)域。4）發(fā)現(xiàn)了低溫對(duì)開花的誘導(dǎo)作用，春化作用。5）人們發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)節(jié)激素的比例，可以使已分化了的植物細(xì)胞形成愈傷組織并由此形成完整的植株。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致植物細(xì)胞全能性概念的確立。1.3.2 現(xiàn)代植物發(fā)育生物學(xué)：80年代后期開始突破刺激-反應(yīng)傳統(tǒng)觀念，開始進(jìn)入現(xiàn)代發(fā)育生物學(xué)時(shí)代，利用模式植物，借鑒動(dòng)物發(fā)育研究中的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行有關(guān)形態(tài)建成控制機(jī)制的研究。 擬南芥由于其體積小，生活周期短，基因組簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，被人們選為模式植物。在短短幾年內(nèi)，從

13、一種鮮為人知的野草搖身一變成為有史以來(lái)影響最廣泛的一種植物。最早的突破發(fā)生在花形態(tài)建成的遺傳機(jī)制方面。提出了著名的花形態(tài)建成的ABC模型。這是人們第一次在分子水平上揭示內(nèi)在的遺傳因素對(duì)植物形態(tài)建成的決定性作用。1.4 植物的生長(zhǎng)發(fā)育與動(dòng)物的不同植物和動(dòng)物是人類最初認(rèn)識(shí)生物時(shí)所分出的兩個(gè)大界，可見(jiàn)他們之間有著明顯的不同，有著一眼能看出的不同特征。就發(fā)育而言，它們之間既有著許多相同點(diǎn)，也有著許多不同點(diǎn)。（1） 動(dòng)物在胚胎發(fā)育中其組成細(xì)胞可移動(dòng)位置；植物的則不能移動(dòng)，細(xì)胞間彼此聯(lián)結(jié)很緊密。細(xì)胞移動(dòng)對(duì)生物體有重要意義。生物體生成發(fā)育時(shí)，分化的細(xì)胞必須移動(dòng)到正確的位置分裂生長(zhǎng)；生物體受傷或得病時(shí)，免疫細(xì)

14、胞必須移動(dòng)到傷口處捕捉病原體；此外癌細(xì)胞移動(dòng)還導(dǎo)致癌癥擴(kuò)散。細(xì)胞移動(dòng)時(shí)，先向前進(jìn)方向伸出像蜒蚰觸角一樣的“絲狀偽足”，接著前部伸展出“葉狀偽足”，后部蛋白質(zhì)纖維收縮，帶動(dòng)整個(gè)細(xì)胞前進(jìn)。（2） 動(dòng)物細(xì)胞通常沒(méi)有細(xì)胞壁，植物則有。因此后者細(xì)胞死后仍保持一定的形態(tài)，死細(xì)胞和活細(xì)胞共同組成植物體。植物細(xì)胞有細(xì)胞壁,液泡和葉綠體。植物的導(dǎo)管和木纖維。植物的木纖維主要構(gòu)成植物的細(xì)胞壁和起支撐植物的作用，如果是活細(xì)胞，那么植物將消耗大量的能量來(lái)供應(yīng)這些纖維細(xì)胞的新城代謝的，這是對(duì)能量的極大浪費(fèi)，所以長(zhǎng)久下來(lái)，植物的木纖維細(xì)胞就變成死細(xì)胞了。而導(dǎo)管在植物的木質(zhì)部，所以，為了節(jié)省能量，也變成了死細(xì)胞。（3） 植

15、物細(xì)胞比動(dòng)物細(xì)胞更容易表現(xiàn)出全能性，容易在人工培養(yǎng)條件下發(fā)育成新的個(gè)體或器官。1958年美國(guó)科學(xué)家斯圖沃德（Steward）在人工條件下用胡蘿卜根部的細(xì)胞培養(yǎng)出了新植物，證明了植物體細(xì)胞的全能性。這一事實(shí)說(shuō)明高度分化的植物細(xì)胞仍保持著全能性。1997年克隆羊多莉的出現(xiàn)，證明了高等動(dòng)物體細(xì)胞的細(xì)胞核具有發(fā)育全能性，通常高度分化的動(dòng)物細(xì)胞是不具有全能性的。（4） 植物一生中不斷形成新的器官和組織，而成熟的動(dòng)物不再增加新的器官和組織。植物則在特定部位保留有分生組織細(xì)胞群，形成局部生長(zhǎng)。成熟動(dòng)物體中不在特定部位保留干細(xì)胞群。（5） 動(dòng)物在環(huán)境中是可以自由移動(dòng)的，因此它們就有一定逃避不良環(huán)境的能力，其本

16、身對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力就較差，而植物通常不能主動(dòng)移動(dòng)，無(wú)法逃避不良環(huán)境，因此其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài)，甚至生理活動(dòng)都較容易受環(huán)境的影響，隨環(huán)境條件的變化而發(fā)生一定的變化，以適應(yīng)這些變化了的環(huán)境而生存下來(lái)。（6） 被子植物有世代交替。被子植物的生活周期是在較長(zhǎng)的二倍體時(shí)期（diploid phase）和有限的單倍體時(shí)期(haploid phase)之間交替的。二倍體就是從合子發(fā)育開始的。植物的二倍體時(shí)期也稱為孢子體時(shí)期(sporophyte)，因?yàn)榇藭r(shí)期的植物通過(guò)減數(shù)分裂產(chǎn)生單倍體的孢子(spores)，植物的單倍體時(shí)期從這個(gè)時(shí)候開始。植物的單倍體時(shí)期稱為配子體(gametophyte)，因?yàn)樵诖藭r(shí)期植

17、物通過(guò)有絲分裂產(chǎn)生雄性和雌性配子(gametes)，雄雌配子融合成合子(zygote)，動(dòng)物的減數(shù)分裂發(fā)生于形成配子時(shí)，只有二倍體的動(dòng)物體，沒(méi)有單倍體的動(dòng)物體，因此沒(méi)有世代交替。1.5 植物發(fā)育生物學(xué)的研究范圍1.5.1 細(xì)胞的生長(zhǎng)與分化“生長(zhǎng)”專指只有細(xì)胞數(shù)量的增加和體積的增大，例如，癌細(xì)胞、種子中的胚乳細(xì)胞、組織培養(yǎng)和組織再生過(guò)程中某些愈傷組織細(xì)胞的增多；“分化”則是指產(chǎn)生新的不同于母細(xì)胞的新的細(xì)胞，如由形成層原始細(xì)胞分化成木質(zhì)部細(xì)胞或韌皮部細(xì)胞。1.5.2 植物發(fā)育中的一些現(xiàn)象（1） 極性植物體具有特定的方向性，即具有明顯的兩極，或者說(shuō)“軸化”的特性，植物的這一特性就叫“極性”。任何植物

18、體都有極性，即使單細(xì)胞植物體也不例外，如衣藻、裸藻、硅藻等的植物都有前后端之分。高等植物從受精卵開始就有極性，一端無(wú)細(xì)胞核而有大的液泡，細(xì)胞質(zhì)稀薄，而另一端則具有大的細(xì)胞核，無(wú)大的液泡且細(xì)胞質(zhì)濃厚。植物體都具有體軸，其兩端在結(jié)構(gòu)和生理上都有著明顯的不同，即分為莖端和根端。極性的建立: 極性并不是植物固有的特性，通常沒(méi)有分化的細(xì)胞，如未受精的卵細(xì)胞看不到極性。 受精以后才逐漸表現(xiàn)出各種不同的物質(zhì)分化梯度，而且在空間上形成了一定的序列性。不對(duì)稱環(huán)境因素的作用下也可形成極性，如單側(cè)光照、重力或Ph梯度等。（2） 位置效應(yīng)細(xì)胞或細(xì)胞群在整個(gè)植物體中的位置就決定了這個(gè)或這些細(xì)胞在未來(lái)分化中的命運(yùn)，這就是

19、位置效應(yīng)。例如，胚胎的上端將來(lái)發(fā)育成莖葉系統(tǒng)，下端則一定發(fā)育成根系統(tǒng)。 再如，維管形成層只有處在木質(zhì)部和韌皮部之間才保持其形態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的活動(dòng)，一旦暴露在外面就失去了形成層的一切特征。（3） 再生作用對(duì)損傷的修復(fù)再生和細(xì)胞的全能性再生。是在人工培養(yǎng)條件下使單個(gè)細(xì)胞或細(xì)胞群發(fā)育成完整植株或器官，實(shí)為一種特定條件下的再生。但是，在自然環(huán)境中，植物的全能性再生不常見(jiàn)，它通常代表的是對(duì)損傷的修復(fù)。損傷之后的再生通常發(fā)生在兩個(gè)階段。首先受損傷位點(diǎn)周圍的薄壁細(xì)胞增殖產(chǎn)生雜亂無(wú)章的愈傷組織（callus）。在愈傷組織中，細(xì)胞依據(jù)傷口的位置進(jìn)行組織和分化，例如產(chǎn)生新的莖或根頂端分生組織。然而，愈傷組織的產(chǎn)生對(duì)再生并不是必須的。在正在發(fā)育的器官中，丟失的組織有時(shí)可以直接由高度組織化的細(xì)胞增殖和分化所取代。如果在發(fā)育的早期把一個(gè)花的分生組織切下來(lái)并分成兩半，那么每一半都可以在培養(yǎng)基中再生形成一個(gè)完整的花。（4） 相關(guān)和對(duì)稱植物的生長(zhǎng)發(fā)育中，各種器官間、各種組織間及各種生理過(guò)程間都不是孤立的，而是互相關(guān)聯(lián)的，這就是相關(guān)。如營(yíng)養(yǎng)芽和根之間的相關(guān)現(xiàn)象，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)之間的相關(guān)關(guān)系都非常明顯。無(wú)論動(dòng)物