发育学--植物细胞的全能性.doc

植物细胞的全能性 摘要：植物细胞全能性指具有完整细胞核的细胞，在适宜的条件下能够分化发育成完整植株的潜在能力。本文简述了植物细胞全能性理论的实质及其表现，还有其理论的实验证据。同时基于该理论而发展起来的植物细胞离体培养技术在各方面也取得了可喜的成就。本文着重介绍了植物细胞全能性基础理论方面的研究以及在生产实践中的应用。 关键字：植物细胞全能性 植物组织培养 研究与应用 Abstract: Totipotency of plant cells with intact nuclei of cells, are able to differentiate into a complete plant growth potential under the proper conditions. This paper described the theory of plant cell totipotency and its performance in real terms, and the theory of the experimental evidence. The great progress has been made in the field of plant tissue culture based on the development of the plant cell totipotency. In this paper, it mainly introduces based on the theory of this research and the application in production practice. Keywords : Totipotency of plant cell，Plant architectural tissue culture, Research and Development 广义的细胞全能性(totipotaney)指一个细胞发育成一个完整有机体个体的潜能或特性。植物细胞全能性指具有完整细胞核的细胞，在适宜的条件下能够分化发育成完整植株的潜在能力。具有完整细胞核的植物细胞携带形成完整植株所必需的全部遗传信息，在生长发育过程中不同器官、组织细胞的基因表达有很大的差异，这种差异是遗传信息表达在调控机制下发生变化的结果，而不是遗传信息发生不可逆的消失或钝化。植物细胞全能性是植物细胞工程和基因工程重要的理论基础，一直是植物生理学、细胞生物学和分子生物学研究的热点。 1、植物细胞全能性的实质及其表现 离体细胞具有生命的特征属性，每个细胞都包含着整套遗传基因，这就是植物细胞全能性的实质，而细胞分化是其表现形式。植物细胞分化是指植物体各个部分出现异质性的现象，可以在细胞水平、组织水平或器官水平上表现出来，如细胞分化、组织分化、花芽和叶芽以及茎、根器官分化。细胞分化的规律和机理主要表现在：1、细胞分化基本上分为形态结构分化及生理生化分化两类。2、发育中的植物不存在部分基因组永久关闭的情况，即不同组织的细胞保持潜在的全能性，只要条件合适，这种全能性即可表现出来。3、在完整植株中，细胞发育的途径一旦被“决定”，通常不易改变，但离体培养可以通过脱分化而丧失这种“决定”。4、极性与分化关系密切。5、生理隔离或机械隔离在细胞分化中的促进作用。6、细胞分裂对细胞分化具有重要作用，特定环境下进行的细胞分裂可以导致特定的细胞分化。7、植物生长调节剂（或植物激素）在细胞分化中有明显的调节作用，它与细胞分化的一些过程如细胞生长和分裂密切相关。 2、植物细胞全能性理论的实验证据 要证实植物细胞的全能性，需要解决2个问题，一是离体单细胞增殖，二是从单细胞增殖的组织发育成完整植株。第1个问题在发展细胞培养装置后得到解决，缪尔(Muir，1953)报道，万寿菊(几罗tesereeta)和普通烟草(Nico叮anata石acum)愈伤组织一旦转移到液体培养基并随着机械摇动，完全可能使愈伤组织解离成单细胞和小细胞团。随后，Muir等把滤纸放置在愈伤组织上，再将万寿菊和烟草悬浮培养的单细胞置于滤纸上，使大约8%的单细胞增殖，形成细胞克隆，这种培养方法称为“看护培养”。厄尔列、斯图尔德等设计了一种震荡培养装置，在震荡培养下，培养物形成大量分离的单细胞或细胞团，并在持续震荡的悬浮培养过程中，进一步增殖生长。这种装置现今发展成各式摇床和生物反应器，用于不同目的的细胞培养。此后，平板培养「伯格曼(Bergmann，1960)1和悬滴培养〔琼斯(Jones等，1960)]等细胞培养技术得到发展，植物单细胞培养、乃至原生质体培养获得进一步成功。在细胞培养的基础上，赖纳特和斯图尔德(Reinert和Steward，1958)报道了胡萝卜悬浮培养细胞和愈伤组织形成体细胞胚，首次用实验科学地论证了植物细胞全能性。1965年，瓦西尔(Vasil)和希尔德布兰特(Hildebrandt)观察到从豁毛烟草(Nieotianaglutinosa)与普通烟草杂种来源的单细胞克隆再生成植物。Steward等(1966)从胡萝卜悬浮培养物分离细胞获得的组织，以及科伦巴赫(Kohlenbaeh，1966)从博落回(Macleayacordata)叶片分离的叶肉细胞，都能分化成体细胞胚胎。这些体细胞胚胎继续培养后发育成正常植株。此外，左哈和马赫斯瓦里(Guha和Maheswa找，1966)培养毛曼陀罗(Daturainn~)未成熟的花药，以及布尔金和尼切(Bourgin和Nitseh，1967)培养烟草、水稻和小麦未成熟花粉粒，获得单倍体植株，证实了花粉粒具有全能性。纳加塔和塔克贝(Nagata和Takebe，1971)诱导烟草原生质体分裂并获得原生质体再生植株，证实了植物原生质体的全能性。所有这些研究都证实了体细胞具有细胞全能性，科学地论证了哈伯兰特(Haberlandt)的植物细胞全能性理论。 3、植物细胞全能性的应用 3.1植物快速繁殖力一面的应用 利用组织培养技术进行植物无性系繁殖具有低成本、高效率、生产周期短、无性系遗传特性一致的优点。因此在速生树种繁殖和作物、花卉快速繁殖方面被广泛应用。如:泰国利用袖树腋芽进行组培快繁，生产数白万株时，每一茎成本仅为3美分。澳大利亚林业部门大量快速繁殖按属、白千层属和其它一些树种，既节约了生产成本，又缩短了生产周期。我国上海园林科研所利用组培方法快速繁殖 3.2植物育种力一面的应用 传统的树木育种方法具有育种周期长、见效慢的缺点，极大地制约了树木新品种的研发。而根据植物细胞全能性理论，利用花粉、花药等细胞进行诱导组培，在人工控制条件下，极大地缩短了育种周期，目提高了育种效率。目前，植物育种方面的方法卞要有以下儿种:①单倍体育种②离体胚培养和体外受精3:田胞融合4基因转化5植物细胞诱变。非洲紫罗兰，只要取其中1个叶片，在6个月内就可获得数以万计的小花苗。 3.3植物脱毒力一面的应用 许多植物都带有病毒，特别是无性繁殖植物，如:马铃薯、日一薯、草.等。但并非染毒植株每个部位都带有病毒。早在1943年Vllhite就发现植物生长点附近的病毒浓度很低甚至无病毒。利用组培方法，筛选出不带病毒的细胞进行培养，从而获得脱毒苗0 1952年法国的G.Morel等通过对感染病毒的大丽花茎尖培养，以获得脱毒植株。1958年由单细胞经b.浮培养产生大量的胚状体幼嫩植株获得成功。目前，该法被广泛应用于草.、葡萄、马铃薯、康乃馨等植物脱毒苗的培养上并获得成功。 3.4在提取植物次生代谢产物力一面的应用 植物是医药原料等有用次生代谢产物的宝库。但许多植物次生代谢产物的产量极小，采集也较困难。如:红豆杉植物中所含有的紫杉醇CTaxol)是一类对卵巢癌、乳腺癌、肺癌等癌症具有独特功效的天然抗癌药物。但紫杉醇在红豆杉植物中含量普遍很低，即使当前公认含量最高的短叶红豆杉树皮中也仅有0.069% o随着近年来人们对植物药用天然产物需求量的加大和野外药用植物资源的自目过度采集利用，使得野生药用植物资源受到极大的破坏，如何在满足人们对药用天然产物需求量的同时，有效合理地利用和保护药用植物资源己成为当今一个世界性的课题。为解决这一难题，近年来人们根据植物细胞次生代谢全能性理论，在利用组培技术培养天然药物组织细胞、以获取人们所需的天然产物方面取得了突破性进展。1964年罗士伟首先成功进行了人参组织培养，随后，日本、前苏联、联邦德国、美国等国家的研究人员先后发表了关于人参组织培养的研究报告。日本于1986年开始有13L规模的培养罐，悬浮培养人参细胞并从中提取人参皂试。目前，人参根培养规模己达2 OOOL，达到工厂中试水平。而关于西洋参液体悬浮培养提取人参皂试方面的应用探索也获得了可喜的成果。 同时，人们在其它植物细胞培养获取次生代谢产物方面的研究也取得了空前的进展。如:于荣敏等(2004)对银杏细胞进行固定化培养以获取银杏内醋类化合物，固定化细胞最高生物量达0.4g D VII/瓶，发酵液中银杏内醋含量GKA在22d时最高达200},g/L, G K B在18d时最高达122 },g/L } G K C在18d时最高达509},g/L。日本从短叶红豆杉(Taxusbrer如Lia N Utt.)不I I东北红豆杉(Taxus cuspidata)中进行愈伤组织的诱导，筛选得到的细胞株，可在4周培养时间内细胞增殖5倍，同时紫杉醇含量达到0.05%，比原来红豆杉树皮紫杉醇含量增加了10倍。我国在红豆杉细胞培养生产紫杉醇的代谢调节、培养基组分及其他因素对红豆杉细胞生长和紫杉醇产量方面也进行了深入的研究。广东华南农业大学赵善欢教授全面深入地研究了产生天然农药的印度棘CA zadirac hta indica)的体细胞培养脱分化条件及各种影响因素，初步掌握了印度棘愈伤组织理想培养配方。结果表明，培养细胞的印棘素达0.63mg/g DVII}0.68mg/g DVII，使杀虫植物细胞的大量培养成为可能，克服因自然环境生长季节限制和存在资源不足的困难。 虽然许多植物包括重要的农作物，通过原生质体培养、单细胞培养、花药或花粉培养和茎尖等组织器官培养能再生植株，但是正如英国诺丁汉大学酶法分离原生质体的研究者(Cocking教授，2003)所说的那样，当前植物组织培养还是属于经验性的工作，植物组织培养在无性繁殖、植物育种和植物遗传操作中的应用越来越多地取决于了解各种相互作用因素的作用机理。植物细胞的全能性表达，即养细胞和组织的形态分化受到许多内外界因素的影响，如外植体的种类与生长发育状态、培养基成分，特别是植物生长调节剂、光照与温度等都影响培养物的形态发生。进一步揭示植物细胞脱分化和在分化过程中影响植物细全能性表达的信号传导和作用分子，有利于促进植物组织培养的发展和应用。 参考文献： 1、 曾洪学，张小华，植物细胞全能性理论在中国的研究与实践，分子植物育种, Molecular Plant Breeding, 编辑部邮箱 2004年 06期  2、 闫婷; 内蒙古林业, , 编辑部邮箱 2010年 05期   3、 肖尊安; 生物学通报, Bulletin of Biology, 编辑部邮箱 2006年 06期  4、  朱西儒,雷光富. 药用植物细胞培养代谢全能性及产物检测技术的研究进展[J]. 广西科学院学报, 1998,(02) 5、 胡彦,赵艳. 植物组织培养技术的应用以及在培养过程中存在的问题[J]. 陕西师范大学学报(自然科学版), 2004,(S1) 6、 胡彦.赵艳.2004.植物组织培养技术的应用以及在培养过程中存在的问题，陕西师范大学学报，32(S)： 130 -134）