細(xì)胞的全能性與遺傳變異詳解演示文稿

細(xì)胞的全能性與遺傳變異詳解演示文稿當(dāng)前1頁，總共64頁。（優(yōu)選）細(xì)胞的全能性與遺傳變異當(dāng)前2頁，總共64頁。第一節(jié)細(xì)胞全能性及其表達(dá)

細(xì)胞全能性概述細(xì)胞脫分化細(xì)胞分化當(dāng)前3頁，總共64頁。全能性：一個生活細(xì)胞所具有的產(chǎn)生完整生物個體的潛在能力稱之為細(xì)胞的全能性周期細(xì)胞：莖尖、根尖及形成層細(xì)胞始終保持分裂能力終端分化細(xì)胞：篩管、導(dǎo)管、氣孔保衛(wèi)細(xì)胞等特化細(xì)胞，永久失去分裂能力Go細(xì)胞：表皮細(xì)胞及各種薄壁細(xì)胞，受到外界刺激后可重新啟動分裂一、細(xì)胞全能性注意：一個植物細(xì)胞向分生狀態(tài)回復(fù)過程所能進(jìn)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)。當(dāng)前4頁，總共64頁。二、培養(yǎng)條件下的細(xì)胞脫分化

細(xì)胞脫分化（dedifferentiation）：培養(yǎng)條件下使一個已分化的細(xì)胞回復(fù)到原始無分化狀態(tài)或分生細(xì)胞狀態(tài)的過程當(dāng)前5頁，總共64頁。1．細(xì)胞脫分化過程中生理活動與細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化

總體上包括：細(xì)胞質(zhì)顯著變濃，大液泡消失，核體積增加并逐漸移位至細(xì)胞中央，細(xì)胞器增加。第一階段為啟動階段，表現(xiàn)為細(xì)胞質(zhì)增生，并開始向細(xì)胞中央伸出細(xì)胞質(zhì)絲，液泡蛋白體出現(xiàn)；第二階段為演變階段，此時細(xì)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(xì)胞回復(fù)到分生細(xì)胞狀態(tài)，細(xì)胞分裂即將開始。當(dāng)前6頁，總共64頁。2．細(xì)胞脫分化的調(diào)控機(jī)理

細(xì)胞周期調(diào)控激素的作用PSK的調(diào)控作用染色體變化當(dāng)前7頁，總共64頁。當(dāng)前8頁，總共64頁。當(dāng)前9頁，總共64頁。當(dāng)前10頁，總共64頁。周期調(diào)控蛋白三類：Cyclin(周期蛋白A，B，C，E)CDK---cyclin-dependedkinase（1，2，4）CKI---cyclin-dependedkinaseinhibitor當(dāng)前11頁，總共64頁。當(dāng)前12頁，總共64頁。PSK調(diào)控作用1996年，首次發(fā)現(xiàn)PSKa,PSKbPSKa在低細(xì)胞密度下促進(jìn)細(xì)胞啟動分裂。PSKa表達(dá)受NAA誘導(dǎo)，PSKa表達(dá)同時細(xì)胞起動分裂。水稻細(xì)胞質(zhì)膜上存在PSKa的受體蛋白120kD和160kD當(dāng)前13頁，總共64頁。三、細(xì)胞分化

細(xì)胞分化（differentiation）：導(dǎo)致細(xì)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(xì)胞在不同的發(fā)育階段上可以有不同的形態(tài)和機(jī)能空間上的分化：同一種細(xì)胞后代，由于所處的環(huán)境（如部位）不同而可以有相異的形態(tài)和機(jī)能單細(xì)胞生物：僅有時間上的分化多細(xì)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(xì)胞。當(dāng)前14頁，總共64頁。1、細(xì)胞分化與基因組變化染色體重復(fù)復(fù)制DNA的差異擴(kuò)增基因重排當(dāng)前15頁，總共64頁。2．極性與細(xì)胞分化極性：指植物的器官、組織、甚至單個細(xì)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(xì)胞的不均等分裂是細(xì)胞極性建立的標(biāo)志。當(dāng)前16頁，總共64頁。3．激素在細(xì)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(xì)胞脫分化和再分化的主要因素。生長素和細(xì)胞分裂素是兩類主要的培養(yǎng)條件下調(diào)控細(xì)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(xì)胞分化中起到一定的調(diào)節(jié)作用。當(dāng)前17頁，總共64頁。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(xì)胞團(tuán)（愈傷組織）分化形成不定根（adventitiousroots）、不定芽（adventitiousshoots）等器官的過程。當(dāng)前18頁，總共64頁。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。當(dāng)前19頁，總共64頁。當(dāng)前20頁，總共64頁。當(dāng)前21頁，總共64頁。當(dāng)前22頁，總共64頁。二、器官分化過程

三個生長階段：誘導(dǎo)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(xì)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當(dāng)前23頁，總共64頁。注意在有些情況下，外植體不經(jīng)過典型的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(jìn)一步培養(yǎng)即形成相應(yīng)的組織器官進(jìn)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(xì)胞，在重新分裂后直接形成分生細(xì)胞團(tuán)，然后由分生細(xì)胞團(tuán)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。當(dāng)前24頁，總共64頁。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(dǎo)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力大的組織和器官的細(xì)胞更有利于培養(yǎng)當(dāng)前25頁，總共64頁。激素對器官分化的調(diào)控

生長素與細(xì)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(dǎo)地位。生長素/細(xì)胞分裂素比例：高：生根；低：分化芽；中：愈傷組織當(dāng)前26頁，總共64頁。光照對器官分化的影響

基因調(diào)控

光照時間、強(qiáng)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當(dāng)前27頁，總共64頁。第三節(jié)體細(xì)胞胚胎發(fā)生

體細(xì)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(xì)胞是體細(xì)胞還是生殖細(xì)胞），統(tǒng)稱為體細(xì)胞胚或胚狀體。體細(xì)胞胚是離體培養(yǎng)的產(chǎn)物起源于非合子細(xì)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)生當(dāng)前28頁，總共64頁。當(dāng)前29頁，總共64頁。一、體細(xì)胞胚的形成

體細(xì)胞胚從外植體上直接發(fā)生經(jīng)過愈傷組織的體細(xì)胞胚發(fā)生細(xì)胞懸浮培養(yǎng)的體細(xì)胞胚胎發(fā)生當(dāng)前30頁，總共64頁。1．體細(xì)胞胚從外植體上直接發(fā)生葉片為外植體，體細(xì)胞胚兩個階段：誘導(dǎo)期：葉片表皮細(xì)胞或亞表皮細(xì)胞感受培養(yǎng)刺激，進(jìn)入分裂狀態(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(xì)胞胚。當(dāng)前31頁，總共64頁。2．經(jīng)過愈傷組織的體細(xì)胞胚發(fā)生三個培養(yǎng)階段：誘導(dǎo)外植體形成愈傷組織；誘導(dǎo)愈傷組織胚性化；體細(xì)胞胚形成。在以幼胚、胚以及子葉為外植體時，通常可以直接誘導(dǎo)胚性愈傷組織產(chǎn)生，進(jìn)而發(fā)生體細(xì)胞胚。因此，經(jīng)過愈傷組織的體細(xì)胞胚胎發(fā)生，胚性愈傷組織的形成是培養(yǎng)的關(guān)鍵。當(dāng)前32頁，總共64頁。圖1甘薯莖尖分生組織誘導(dǎo)的胚性愈傷組織Fig11

Embryogeniccallusfromapicalmeristem當(dāng)前33頁，總共64頁。圖2不同發(fā)育時期的體細(xì)胞胚Fig12

Somaticembryosatdifferentdevelopmentalstages當(dāng)前34頁，總共64頁。圖3從體細(xì)胞胚分化叢生試管苗Fig13

Plantletsfromsomaticembryos當(dāng)前35頁，總共64頁。3．細(xì)胞懸浮培養(yǎng)的體細(xì)胞胚胎發(fā)生

兩類細(xì)胞：自由分散大而高度液泡化細(xì)胞，不具備胚胎發(fā)生潛力；成簇團(tuán)的體積小而細(xì)胞質(zhì)致密的細(xì)胞，具有成胚能力，稱為胚性細(xì)胞團(tuán)。胚性細(xì)胞團(tuán)：適宜的胚胎發(fā)生培養(yǎng)基，外圍細(xì)胞開始第一次不均等分裂。一個細(xì)胞較大，以后發(fā)育成類似胚柄的結(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(xì)胞胚。當(dāng)前36頁，總共64頁。二、體細(xì)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(xì)胞胚具有雙極性（doublepolarity）二是體細(xì)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（physiologicalisolation）現(xiàn)象。與合子胚相比，體細(xì)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；體積明顯小；沒有休眠。當(dāng)前37頁，總共64頁。三、影響體細(xì)胞胚發(fā)生的因素

外源激素對體細(xì)胞胚胎發(fā)生的調(diào)控培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件對體細(xì)胞胚形成的影響不同基因型間體細(xì)胞胚形成能力的差異當(dāng)前38頁，總共64頁。1．外源激素對體細(xì)胞胚胎發(fā)生的調(diào)控2，4－D是應(yīng)用最為廣泛的生長素，2，4－D的應(yīng)用有著規(guī)律性的變化。首先是在較高濃度下誘導(dǎo)胚性細(xì)胞的形成降低2，4－D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(xì)胞胚的繼續(xù)發(fā)育。當(dāng)前39頁，總共64頁。2．培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件對體細(xì)胞胚形成的影響體細(xì)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(jī)鹽濃度，可以顯著促進(jìn)體細(xì)胞胚的進(jìn)一步發(fā)育。在一些試驗中還發(fā)現(xiàn)，體細(xì)胞胚發(fā)育后期降低蔗糖濃度，也有利于胚的繼續(xù)發(fā)育和提高體細(xì)胞胚的成苗率當(dāng)前40頁，總共64頁。3．不同基因型間體細(xì)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(xì)胞胚誘導(dǎo)的難易、形成時間以及單個外植體產(chǎn)生體細(xì)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(xì)胞胚形成能力的比較研究顯示，有7個品種的體細(xì)胞胚發(fā)生率為100％，而頻率最低則只有10％。當(dāng)前41頁，總共64頁。四、體細(xì)胞胚胎發(fā)生的生化與分子基礎(chǔ)

體細(xì)胞胚形成過程中內(nèi)源生長素的變化體細(xì)胞胚發(fā)生過程中的特異蛋白質(zhì)體細(xì)胞胚形成的基因表達(dá)調(diào)控當(dāng)前42頁，總共64頁。1．體細(xì)胞胚形成過程中內(nèi)源生長素的變化外源生長素對體細(xì)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(dǎo)胚性細(xì)胞產(chǎn)生，或誘導(dǎo)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(dāng)球形胚形成后，則需要降低生長素水平才能完成體細(xì)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。當(dāng)前43頁，總共64頁。2．體細(xì)胞胚發(fā)生過程中的特異蛋白質(zhì)有關(guān)體細(xì)胞胚形成中蛋白質(zhì)含量和組分的變化，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(xì)胞胚形成過程中水溶性蛋白明顯增加。當(dāng)前44頁，總共64頁。3．體細(xì)胞胚形成的基因表達(dá)調(diào)控通過基因表達(dá)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(xì)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。當(dāng)前45頁，總共64頁。表胡蘿卜體細(xì)胞胚形成相關(guān)的部分基因

基因表達(dá)產(chǎn)物表達(dá)時期資料來源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當(dāng)前46頁，總共64頁。當(dāng)前47頁，總共64頁。第四節(jié)

離體培養(yǎng)下的遺傳與變異

體細(xì)胞變異的特點和規(guī)律體細(xì)胞變異的應(yīng)用途徑和選擇方法細(xì)胞變異細(xì)胞遺傳學(xué)和分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)當(dāng)前48頁，總共64頁。基本概念細(xì)胞組織的離體培養(yǎng)屬于無性繁殖范疇再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(xì)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(xì)胞無性系（somaclones）：由任何形式的細(xì)胞培養(yǎng)所產(chǎn)生的植株，Larkin和Scowcroft（1981）體細(xì)胞無性系變異（somaclonalvariation）：這些植株所表現(xiàn)出來的變異當(dāng)前49頁，總共64頁。一

離體培養(yǎng)中的遺傳與變異特點

普遍性：局限性：嵌合性：當(dāng)前50頁，總共64頁。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；當(dāng)前51頁，總共64頁。植物種類再生植株來源變異頻率（％）煙草體細(xì)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(xì)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當(dāng)前52頁，總共64頁。局限性：表型上：在不同植物類型中經(jīng)常發(fā)生的體細(xì)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。當(dāng)前53頁，總共64頁。嵌合性：

嵌合性是指同一有機(jī)體中同時存在有遺傳組成不同的細(xì)胞，它是組織培養(yǎng)中常見的現(xiàn)象當(dāng)前54頁，總共64頁。影響體細(xì)胞遺傳與變異的因素

供體植物：倍性水平；基因型；外植體細(xì)胞分化程度培養(yǎng)基：不同的