被子植物胚胎发育的分子调控

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被子植物胚胎发育的分子调控 2012 年 12月 15 日

题姓 学专班学任课老师

被子植物胚胎发育的分子调控

（巴合提尼沙·阿不都克热木；农学院）

摘要: 被子植物的胚胎发育受到精确的遗传调控从双受精开始到种子成熟, 胚胎发育经历了合子激活、细胞分裂与分化、极性建立、模式形成、器官发生和储藏物质累积等重要过程。过去20年来的分子遗传学研究鉴定了很多调控胚胎发生的基因, 为了解胚胎形成的分子机理提供了大量信息。本文对这一领域的主要研究进展进行了简要评述, 重点阐述了植物的早期胚胎发生过程, 对尚未解决的科学问题及未来发展方向进行了综合分析。

关键词: 胚胎发育, 分子调控, 模式形成, 合子激活

被子植物经过双受精过程形成一个单细胞的合子。合子是新的世代发生的起点。在有性繁殖的高等植物中, 受精前的卵细胞在代谢上处于相对静止的状态。卵细胞在与精子融合之后受到激活, 启动了胚胎发育过程。植物的早期胚胎发育是伴随着细胞分裂而进行的, 所涉及的重要生物学过程包括合子激活、极性建立、模式形成和器官发生等。而胚胎发育后期主要是储藏物质的累积, 为种子能够耐受长时间的干燥储藏做准备。

在传统的以显微解剖和观察为主要研究手段的比较胚胎学研究中, 人们对不同植物胚胎发育过程中的形态学变化有了比较详细的描述。以此为基础, 在过去20年中发展起来的分子遗传学分析方法为从基因水平上了解胚胎发生的机理提供了很多重要信息。这一领域的

早期进展在1998 年出版的《植物发育的分子机理》一书的第四章中已经有比较详细的论述。但在过去的9年里, 人们对胚胎发育的了解又深入了很多。例如, 当时我们认为被子植物不存在传统意义上的干细胞, 现在看这一观点明显是错误的; 而David Meinke所推断的植物胚胎发育关键基因也从当时的200个增加到现在的500个。本文将简要阐述合子胚发育过程中的重要事件及参与调控这些事件的重要基因, 并对该领域的研究热点问题进行探讨。

1 胚胎发育过程

被子植物的卵细胞在受精之后形成二倍体的受精卵。受精过程激活了卵细胞, 在此后的几个小时里合子细胞开始伸长(图1A), 随后进行第一次分裂。一般说来, 植物胚胎的极性很可能在卵细胞形成时就已经建立。这种极性主要表现为卵细胞在胚囊中的位置关系和细胞内细胞器的分布。但是对于这一极性究竟是如何建立和维持的, 并在多大程度上影响了胚胎的极性尚不清楚。

几乎在所有的高等植物中, 受精卵的第一次分裂均为横向不均等分裂, 产生大小不同的顶细胞和基细胞(图1B) 。大多数情况下, 顶细胞较小, 形成了胚体的主要部分; 、基细胞细长且含有较大的液泡, 不同程度地参与了胚根的形成, 但在有些情况下(如豌豆中) 则完全不参与胚胎发生。以下我们以十字花科的拟南芥为例探讨胚胎发育过程中的细胞分裂模式及组织器官形成。

图1 双子叶植物拟南芥的胚胎发育过程

(A) 伸长期合子;

(B) 合子经过第一次分裂, 产生1个顶细胞(绿色) 和一个基细胞(粉红色);

(C) 四分体胚: 顶细胞经历2 次纵向分裂, 产生含有4 个细胞的胚体和2 个细胞的胚柄;

(D) 16 细胞球形胚: 8 细胞胚的所有细胞经过1 次平周分裂, 产生包含8 个细胞的表皮原和8 个细胞的内部组织;

(E) 早期心形胚;

(F) 心形胚: 子叶和胚根原基已经出现;

(G) 成熟胚胎。

1: 顶细胞; 2 : 基细胞; 3: 胚根原细胞, 形成未来的ROC 和根冠中央区; RM: 根尖生长点; SM: 茎尖生长点

1.1 顶细胞及胚体形成

第一次分裂所产生的顶细胞为胚性细胞。该细胞经过严格的程序化分裂与分化过程形成胚体。单一的顶细胞首先要进行连续2次纵向分裂, 产生包含4个细胞的四分体胚(图1C); 紧接着每个细胞进行1次横向分裂, 产生由8个细胞组成的八分体胚, 然后, 这8个细胞各进行一次平周分裂, 形成8个外层的原表皮细胞和8个内层细胞, 得到包含16个细胞的早期球形胚(图1D) 。原表皮层在此后的分裂过程中几乎都是垂周分裂, 产生覆盖胚胎和未来成体植物整个表面的表皮层; 而内层的8个细胞则既可以平周分裂, 也可以垂周分裂, 产生内部的皮层细胞、原微管束和髓薄壁细胞(图1E 和1F) 。这些细胞呈现有规律的排列。 可以看出, 当胚胎发育到早期心形胚时期时(图1E), 尽管器官模式还

不明显, 组织模式却已经基本建立。同时, 这一时期的胚胎已经具有了解剖学上可以区分的顶基轴分化, 可以认为胚体已经具备轴向性。在此之前的所有细胞的分裂是相对同步进行的, 而此后的分裂则明显表现为非同步性。例如在将要形成子叶和根原基的位置上细胞分裂速率明显比周边细胞快, 由此启动了这些部位上的器官发生。到心形胚时, 由于子叶和根的形成及其定向生长, 胚体的形状逐渐呈现心形(图1F) 和鱼雷形。

值得一提的是,16细胞阶段的胚胎(图1D) 在器官发生上是一个非常关键的时期。上侧的8个细胞产生胚体的顶端区域, 经过分裂形成茎端生长点的组织中心、子叶和下胚轴的上部分; 下侧的8个细胞产生下胚轴和除根尖组织中心和根冠中央区之外的根的所有部分。ROC 和根冠中央区来自于合子第一次分裂所产生的基细胞。基细胞经数次横向分裂所产生的一长列细胞中最上端一个细胞参与了胚胎发育, 形成根尖分生组织的下端部分。

图2 拟南芥和豌豆的早期心形胚比较

(A) 拟南芥的早期心形胚;

(B) 豌豆的早期心形胚

1: 根尖组织中心前体细胞; 2: 根冠中央区前体细胞; 3: 胚柄

拟南芥、荠菜和油菜等十字花科植物的早期胚胎发育的分裂模式非常规范, 几乎可以跟踪分裂之后每一细胞的命运。但是在许多被子植物中, 这种规范化的分裂模式并不存在, 取而代之的是非规范化分裂。图2展现的是早期心形期合子胚的正中切片, 左侧是拟南芥的, 而右侧是豌豆的。比较这两个图可以看出这一时期的拟南芥胚的细胞数目比豌豆的要少很多, 而表皮层却已经很完善, 根尖的组织结构比较规范, 细胞的排列也比较有序; 而豌豆胚的总细胞数目明显要多, 表皮层却并不明显, 没有清晰的根尖组织结构。但是, 这两种植物的成熟胚胎具有同等完美的结构, 甚至豌豆的成熟胚胎要比拟南芥的更加精细。

1.2 基细胞的发育

在顶细胞分裂分化的同时, 基细胞经过重复横向分裂产生9-11个细胞。如前所述, 最上层的细胞, 即胚根原细胞, 参与胚根的发生。该细胞经过一次不对称的分裂, 形成大小不同的2个细胞。上层较小的镜片形细胞将来发育为ROC, 而下层的子细胞为根冠中央区细胞。基细胞分裂产生的子细胞, 除胚根原细胞之外, 其它所有细胞均不参与胚的形成, 而是共同构成胚柄, 将胚胎与珠孔端的母体组织连在一起, 并在心形胚后期开始进入程序化死亡而退化。

1.3 植物细胞的命运决定

从上述的植物胚胎发育过程可以看出, 合子经过胚胎发育过程分

化出了性质不同的、处于特定位置的细胞群, 并形成了特定的器官原基和组织。这是一个定向、有序、受严格遗传调控的细胞分裂分化过程。由合子分裂形成的不同子细胞具有不同的命运, 其决定方式也一直令植物学家迷惑。

最近几年的一些实验结果表明动植物的细胞命运决定形式差异很大。动物细胞的命运决定主要与其细胞的发生来源有关, 其分化在相当程度上表现为不可逆性; 而植物细胞能够感受其所处位置, 进而调整其命运, 在相当高的程度上具备脱分化和再分化能力。例如, 通过激光灭活的方式特异地杀死拟南芥ROC 的所有4个细胞之后, 根尖能够在较短的时间里感受到ROC 的丢失, 由位于ROC 之上的髓部薄壁细胞重新调整, 形成新的ROC, 从而保证根尖的生长和分化功能不变与之相似, 如果用机械方法将SOC 的所有细胞去掉, 其周边细胞可以感受到这种变化, 并调整发育命运从而产生新的SOC 。由于生长素的极性运输促成了生长素在ROC 下侧细胞内大量累积。也许生长点功能的恢复正是由生长素的极性运输所控制的。

2 植物胚胎发育的分子调控

利用遗传学方法研究胚胎发育的模式形成和分生组织建立等方面已经取得了很多重要进展, 有大约30个相关基因被克隆(表1) 。在这些基因中, 有的参与了胚胎发育的遗传调控, 也有些尽管表现为胚胎特异性的表达, 但是突变以后并没改变胚胎表型。下面就胚胎发育过程中的相关事件及相关基因的功能进行简要评述。

2.1 胚胎发育的起点—— 合子激活

尽管我们对受精过程中所发生的生物学事件了解很少, 但是可以相信精卵细胞融合激活了一系列生理、生化过程, 促使合子进入细胞分裂周期, 并启动胚胎发育过程。无论是动物还是植物, 合子激活过程中普遍有Ca2+信号的参与。在玉米的体外受精系统中, 已经观察到胞外Ca2+的流入, 引起了胞质内游离Ca2+的迅速升高。迄今为止, 已经发现的参与合子激活和分裂的基因有5个。

FAC1是一个参与合子激活的基因。该基因的突变引起合子胚发育不能启动。FAC1是目前所知道的唯一的在合子期表达的父本传递基因。它编码AMP 脱氨酶, 具有一个催化活性区域和一个N 端的跨膜区域。一般情况下该酶的作用是将AMP 转变为IMP 。它在启动胚胎发育过程中的作用有可能是通过降解IMP 来增加细胞的ATP 势能, 使更多的ATP 得以利用, 为合子的激活提供足够多的能量。此外, 人和大鼠的AMPD 能够高亲和性地与(4,5)二磷酸脂酰肌醇结合。因此FAC1也可能通过协调与(4,5)二磷酸脂酰肌醇的相互作用, 在合子激活过程中起到信号转导的作用。

另一个在早期胚胎发育中可能起调控作用的基因是GRP23, 它编码一个N 端包含9个PPR 结构域的核蛋白。在酵母与植物细胞中该蛋白能够与RNA 聚合酶II 的第III 亚基相互作用, 控制胚胎早期发育过程中的基因表达。该基因突变之后胚胎发育停滞在1-16细胞时期。过量表达该基因能够抑制胚体的发育且导致胚柄过度生长。

RSH 参与合子第一次分裂中细胞板位置的决定。RSH 蛋白定位于细胞壁。纯合的rsh 突变体的细胞板位置异常。与野生型相比, rsh 合子

第一次分裂新生成细胞板的位置偏下, 因此所形成的顶细胞大于基细胞。此外, AtSERK1在受精前的雌配子体到受精后心形期之前的胚胎中均有表达。有证据表明SERK1和SERK2在绒粘层的发育和小孢子的成熟等方面均有重要作用。这个在胚胎发育的早期表达的基因在胚胎发育中的确切功能仍然未知。

2.2 胚胎发育中的模式形成

在对拟南芥模式形成相关突变体的研究中, 人们试图揭示胚胎发育过程中特定细胞类型在特定位置发生的分子机制。对拟南芥胚胎发育中细胞命运追踪的研究表明, 正常胚胎发育的细胞分裂模式几乎是一成不变的, 因此根据这种特定的分裂模式可以精确地预测一个特定细胞的未来命运。尽管科学家们已经做了很多相关领域的研究, 但是对于植物胚胎模式形成普遍机制的理解依然是支离破碎的。

Weijers 和J ür gens 认为植物胚胎的极性建立对于胚的整个发育过程都非常重要。有研究表明生长素与胚胎的极性形成有关。编码生长素响应因子家族中的一个转录因, 它能够通过与生长素响应因子的启动子区相结合, 调节这些受生长素诱导的基因的表达。在mp 突变体的胚胎发育过程中, 细胞分裂模式有明显改变。如前所述, 野生型胚胎的顶细胞的第一次分裂总是纵向的, 而mp 的顶细胞的第一次分裂是横向的。在突变体bdl 的幼苗发育中也观察到与mp 相似的表型。MP 和BDL 均在单一的顶细胞时期就已经开始表达。

早在1993年,Liu 等(1993)就已经发现生长素的极性运输控制胚胎的子叶发生的位置。随着PIN 基因的克隆, 生长素在控制胚胎发生中

的作用也逐渐明确。参与生长素极性运输的基因PIN1、PIN4 和PIN7 在早期胚胎中有规律地表达。这些PIN 基因转录和翻译所产生的PIN 蛋白是以非对称性的形式定位于细胞膜下侧, 通过影响生长素的定向转运控制着早期胚胎发生过程。

STM: 编码一个I 型KOTTED1 家族转录因子; WUS: 编码一个促进干细胞数目增加的同源域转录因子; SHR: 编码一个SCR 家族的转录因子; CLV1: 编码一个富含胞外亮氨酸重复顺序的受体激酶; CLV3: 编码CLAVATA3 小分子蛋白, 终产物是一个含12 个氨基酸的小分子多肽; CLE19: 编码一个CLV3 类似蛋白, 可促进细胞分化;MP: 编码一个应答于生长素的转录因子; FIL/YAB3: YABBY 家族基因; REV: 编码一个带有亮氨酸拉链结构的转录因子; ANT: 编码一个AP2 家族转录因子; UFO: 编码SCF 复合体中的F-Box 蛋白; ZLL: 编码一个胚胎顶端的中央及周边组织建立所必需的翻译起始因子。

Friml 等用DR5::GFP系统检测拟南芥胚胎发育过程中生长素的分布, 发现在合子分裂之后顶细胞累积较多的生长素, 而基部细胞内的生长素则较少。这个过程持续到球形期, 此时胚根原基细胞开始表达DR5::GFP。因此, 顶细胞和基细胞对于生长素的反应不同可能与这些细胞的命运决定有关。这种对生长素的不同反应模式需要PIN 的参

与。有实验表明PIN 相关蛋白能进入胞吞和胞吐循环途径中。PIN 蛋白的再循环使它们重新定位, 进而确定生长素的流向。与Syntaxin 类似的GNOM 蛋白可以通过促进PIN1的循环来调节生长素的运输。胚胎发育过程中生长素的定位和反应模式如何调控不同细胞的分裂和命运从而决定模式形成的机理尚不清楚。对这些基因功能的研究将是理解胚胎发育中依赖于生长素转运的模式形成机制的关键。

2.3 胚胎发育过程中分生组织的形成

茎端分生组织从球形胚时期开始出现, 是由3层具有不同特点和功能的细胞组成。不同植物的生长点在胚胎发育完成时所达到的阶段不同, 有些植物的成熟种子已经包含数片真叶。茎尖生长点一旦形成, 器官发生主要集中于两侧, 而中央区的上2层是干细胞群体, 最下面1层是SOC 。WUSHEL 转录因子和CLV1/2/3 所介导的信号转导途径通过反馈机制控制着茎端生长点的大小和其中干细胞的数目。这些基因多数是在胚胎和茎端分生组织的特定区域表达(图3) 。其中, WUS 在胚胎发育的16细胞时期开始出现, 在将要形成生长点的少数几个细胞中特异性地表达。WUS 对维持干细胞的未分化状态是必需的。CLV1和CLV2所形成的复合体作为细胞膜表面受体与CLV3多肽激素相互作用, 将CLV3的信号传递到细胞内, 然后通过一系列中间过程实现对WUS 基因表达的抑制。同时WUS 可以诱导CLV3的表达。由此, CLV1/2/3复合体与WUS 之间形成一个精确调控的反馈调节环, 控制茎端生长点中细胞分裂与分化的平衡(Schoof et al., 2000) 。此外, STM 也是一个参与茎端分生组织形成和维持的一个基因, 在顶端分生组织区表达。有证据表明,

WUS 和STM 各自独立地维持分生组织的自我更新。

根端分生组织的形成和分化也是目前研究的热点问题之一。拟南芥的根端分生组织在胚胎的64细胞时期便基本形成。PLT1和PLT2基因对于根部干细胞的形成是必需的, 并且对ROC 的特化和干细胞的活性是至关重要的。在早期胚胎中异位表达PLT , 胚芽区会转变成具有胚轴和胚根属性的组织, 这表明PLT 在胚胎基部的建立过程中起着重要作用。

2.4 胚胎发育中的表观遗传调控

胚胎发育中细胞分裂和分化的模式受到表征遗传的精确调控。哺乳动物胚胎发育过程中DNA 的甲基化在调控基因表达方面具有重要的作用。DNA 甲基化是一种可遗传的染色质修饰, 在植物中也是普遍存在的。最近有研究表明, 由MET1介导的DNA 甲基化影响胚胎发育中一些相关基因的表达, 并且在正常的胚胎发育中起关键作用。同时, 也有证据表明很多来自父本的基因在胚胎发育的早期是不表达的。这一现象的普遍程度尚有待于进一步研究。

3 胚胎发育研究中的热点问题

植物胚胎发育过程的遗传调控一直是人们感兴趣的问题。人们早期对胚胎发育过程的形态学观察为探索胚胎发生提供了大量基础数据, 也提出了很多非常重要的问题有待解决。尽管依据十字花科植物所固有的胚胎发育模式可以预测合子胚发育所产生的子细胞的命运, 但是对这些事件发生的分子机制还了解得很少, 还有很多问题亟待解决。

(1)人们对于胚胎发育过程的启动－合子激活过程了解还不多。需要解决的问题包括受精给卵细胞提供了一个什么样的信号, 该信号是如何启动相关基因的表达, 以及怎样启动胚胎发育程序。现代的分子遗传技术手段可以帮助我们回答这一问题, 特别是对参与这一过程的关键基因功能的解析。

(2)胚胎发育过程中细胞分裂、分化的模式是如何决定的？这也是相当一段时间里人们试图回答的问题。这一领域的研究已经有了诸多有趣发现, 如生长素的极性运输在胚胎发育中的两侧对称性的形成以及顶基轴的建立中扮演重要角色, 在诱发和维持茎端分生组织活性方面也非常关键。这些研究的突出成就是众多参与胚胎发育模式形成的基因被克隆, 但是距离完整阐述调控胚胎发育过程的机理还非常遥远。

(3)胚胎发育与胚乳发育之间的关系也是人们关心的问题。一般认为, 胚乳不但为发育的胚胎提供营养物质, 也提供着调控信号。远缘杂交败育的一个很重要原因是胚乳发育异常。但是胚乳究竟为胚胎提供了什么样的信号使得胚胎和胚乳能够协调发育, 二者之间到底有何联系尚不清楚。有研究表明HAIKU 基因突变引起胚乳变小, 同时胚胎的体积也有所变小。

总之, 种子是人类赖以生存的最重要的粮食来源, 也是多数植物得以繁衍的起始材料。对胚胎和胚乳发育中特异表达基因的研究不仅有重要的理论价值, 也在提高粮食产量、开发功能食品和定向改良作物等诸多领域有重要的应用前景。

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