植物发育生物学

浙江农林大学研究生课程论文

植物发育生物学

专 业：森林培育

姓 名：肖冬长

学 号：[1**********]22

指导教师：黄坚钦

日期：2011年7月1日

1、从发育角度谈谈植物由营养生长向生殖生长过渡实现成花转变的可能机制

植物的营养生长是通过茎顶端分生组织(Shoot Apical Meristem，SAM)反复产生器官原基(如叶原基)进行。营养生长到一定时期，一些SAM开始向生殖发育方向过渡，转向花的发端，先形成花序分生组织(Inflorescense Meristem)，然后由花序分生组织逐步形成花的分生组织(Floral Meristem)，再由花分生组织产生花器官的原基，进而逐步分化为成熟的花器官。由SAM起源的原基的命运从营养生长转向生殖生长，这一变化是由内源因素和环境共同控制的。

现在被科学家接受的调控机制叫光周期诱导。

植物在达到一定生理年龄时，经过足够日数的适宜的光周期处理，以后即使处于不适宜的光周期条件下，仍然能保持这种刺激的效果而开花，这种诱导效应叫光周期诱导(photoperiodic induction)。

对光周期敏感的植物只有在经过适宜的日照条件诱导后才能开花，但这种光周期处理并不需要一直持续到花芽分化。植物在达到一定的生理年龄时，经过足够天数的适宜光周期处理，以后即使处于不适宜的光周期下，仍然能保持这种刺激的效果而开花，这叫做光周期诱导(photoperiodic induction）。

光周期不仅控制节律调节基因的转录水平和翻译水平，而且还影响着节律调节基因对其下游开花时间基因的表达调控，这些下游开花时间基因包括成花途径整合因子、花序/花分生组织基因和花器官基因。FT、LFY（LEAFY）和SOC1（suppressor of over expression of constans1）基因在光周期途径中整合开花起始信号和诱导花序/花分生组织特异基因的表达中起重要作用。

光周期诱导有三种种假说：

(一)柴拉轩 Chailakhyan的成花素假说

柴拉轩提出诱导开花的激素成花素（florigen）是由形成茎必需的赤霉素和形成花必需的开花素（authesin）两组物质组成。植物必须同时具有GB和开花素才能开花。日中性植物本身含有GB和开花素，所以不论长日和短日下都开花，而长日植物在长日下、短日植物在短日下都具有GB和开花素，都能开花。而长日植物在短日下缺乏GB，短日植物在长日下缺乏开花素，所以都不能开花。冬性长日植物在长日下具有开花素，但缺乏低温不能形成GB，所以作不能开花。

成花素学说与一些实验结果相符合，但成花素和开花素至今未分离到

（二）光敏素假说

大量实验证明，光敏素活化了某些特定基因，促进了新的RNA和蛋白质的合成，最终诱导了花器官的分化。

(三）碳氮比理论

C/N比理论在20世纪初期由Klebs提出，他认为当植物体内的糖量多于含N化合物的量时，就开花，反之不开花。C/N比理论确实与许多农业和林业现象相符合，例如一些果树遮光或增大水肥比例时会延迟开花，而延长光照则促进开花，因此得到当时许多人的拥护。但用C/N理论解释花诱导不合适，因为Klebs的实验植物都是些长日植物和日中性植物，而对短日植物不适合这一理论。但如果把它看作花诱导之后花的形成的理论，比较合适，因为花诱导完成后，花的形成需要一定的有机物才能开花，含糖量高有助于花的形成，这对于农业、果树生产具有一定指导意义。

2、试述植物衰老的机理及其调控机制

衰老是一种器官或组织逐步走向功能衰退和死亡的变化过程。它除了代表器官或组织生命周期的终结之外，在发育生物学上也有着重要意义。在这段时期内，植物在成熟叶中积累的物质，包括大量的氮、碳有机化合物和矿物质，被分解并运送至植物其它生长旺盛的部位；对于绝大多数农作物来说，衰老会限制产量且造成采后损失。

植物衰老的机理主要有五点：

(一) 营养与衰老（营养亏缺理沦）

(二) 核酸与衰老

1.DNA损伤假说

DNA的裂痕或缺损→错误的转录、翻译 →无功能蛋白质(酶) →超过某一阈值→机能失常 →衰老

还有紫外线、电离辐射、化学诱变剂等对DNA的损伤。

2.核酸的降解

(三) 自由基与衰老

植物体内的自由基是指植物代谢过程中产生的O2-、· OH等活性氧基团或分子，当它们在植物体内引发的氧化性损伤积累到一定程度，植物就出现衰老，甚至死亡。但生物在长期进化过程中

在体内形成了一套抗氧化保护系统，通过减少自由基的积累与清除过多的自

由基两种机制来保护细胞免受伤害。生物体内的抗氧化剂主要有两大类，一是抗氧化酶类，主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POX)等；二是非酶类抗氧化剂，主要有维生素E、维生素C、谷胱甘肽(GSH)等。

自由基、活性氧对植物的损害作用主要表现在生物膜损伤、呼吸链损伤、线粒体DNA损伤等。

(四) 内源激素与衰老

研究表明植物体内的CTK、GA、IAA类激素有延缓衰老的作用，而ABA、ETH、茉莉酸(JA)和茉莉酸甲酯(MJ)却有促进衰老的作用。

(五) 程序性细胞死亡理论

程序性细胞死亡(programmed cell death，PCD)是指胚胎发育、细胞分化及许多病理过程中，细胞遵循其自身的“程序”，主动结束其生命的生理性死亡过程。是由内在因素引起的非坏死性变化和基因的表达和调控

如叶片衰老, 基因控制下，细胞结构高度有序的解体和降解，营养物质向非衰老细胞转移和循环利用。

衰老是植物生长发育的最后阶段，受到内外环境因素和基因的调控。目前在基因水平上阐明植物目前在基因水平上阐明植物衰老的分子机制，进而通过调控衰老相关基因的表达来延缓衰老进程或推迟衰老起始目的仍是有待解决的问题。因此激素生理学调控成为研究的重点，多运用转基因手段增强细胞分裂素在植物体内的表达来延缓衰老。同时,多胺、钙调素在这方面的运用也日益受到关注。

3、请设计一个组织培养室，说明规模、面积、作用、目的、各室的作用。

规模面积：5间实验室用房，包括准备室、洗涤灭菌室、无菌操作室、培养室、缓冲间，总面积100平米

作用目的：可从事生产和研究

1、准备室（化学实验室）

作用：又叫化学实验室，进行一切与实验有关的准备工作：完成所使用的各种药品的贮备、称量、溶解、器皿洗涤、培养基配制与分装、培养基和培养器皿的灭菌、培养材料的预处理等。

2、洗涤灭菌室

功能：完成各种器具的洗涤、干燥、保存、培养基的灭菌等 。

3、无菌操作室（接种室）

功能：也叫接种室，主要用于植物材料的消毒、接种、培养物的转移、试管苗的继代、原生质体的制备以及一切需要进行无菌操作的技术程序，是植物离体培养研究或生产中最关键的一步。

4、培养室

功能：对接种到培养瓶等器皿中的植物离体材料进行控制条件下的培养，无论是研究性实验室还是生产性实验材料进行培养的场所。要求：约需 10-20平方米左 右，培养室的大小可根据需要培养架的大小、数目、及其他附属设备而定，其设计以充分利用空间和节省能源为原则。基本要求是能够控制光照和温度，并保持相对的无菌环境，因此，培养室应保持清洁和适度干燥；为满足植物培养材料生

长对气体的需要，还应安装排风窗和换气扇等培养室的换气装置；为节省能源和空间，应 配置适宜的培养架，并安装日光灯照明。

5、缓冲间

功能：是进入无菌室前的一个缓冲场地，减少人体从外界带入的尘埃等污染物。工作人员在此换上工作服、拖鞋，戴上口罩，才能进入无菌室和培养室。 进入无菌操作室前在此更衣换鞋，以减少进出时带入接种室杂菌。

4、请叙述绒毡层调控网络。

绒毡层细胞在花药发育形成花粉过程中起关键的作用。绒毡层为花粉形 成过程中负责胼胝质的合成、胼胝质的降解、花粉外壁的形成，以及提供花粉 发育所需的各种营养物质。绒毡层细胞不同于一般植物细胞，它具有两个细胞 核，在花药发育过程中程序性死亡。在模式植物拟南芥中，已经发现五个转录 因子在绒毡层发育中起重要的调控作用：DYT1，TDF1，AMS，MYB103和MS1。这些转录因子构成了绒毡层发育的遗传通路，调控绒毡层重要的生物学功能。

DYTI(At4921330)是一个bHLH家族转录因子，编码一个在花药发育早期表达的 basic hellx-loop- hehx(bHLH)家族转录因子，控制着相当多的绒毡层特异基因的表达。该基因突变体中绒毡层细胞能够形成，但随即出现异常空泡化并且肥大，向药室内部挤压，导致小抱子提前降解。

TDFI基因编码一个RZR3-MYB家族转录因子，减数分裂时期野生型绒毡层形成一层规则的细胞层，特化为含有许多小液泡的分泌型结构。而突变体的绒毡层的空泡化严重，并伴随着不规则分裂的现象，其在后期小抱子发育过程中异常肥大并向药室内部挤压，同时小抱子逐渐降解。

AMS基因编码一个basichehx-loop-helix(bHLH)家族转录因子，通过突变体研究发现其在绒毡层内特异性表达。据Sorensen等人的报道，在aborted microspores(ams)突变体中，绒毡层细胞在四分体释放后肥大且空泡化，导致小抱子在四分体时期以后迅速降解

MYB10基因编码MYB家族转录因子，在绒毡层中特异性表达并对绒毡层功能起重要作用。最新研究发现在myb33 myb66突变体中，绒毡层在减数分裂时

期变得异常肥大，导致小抱子的发育在减数分裂前期终止，暗示其无法分化成分泌型细胞。相应的，由于绒毡层不能分泌脐服质酶，突文献综述变体四分体中的小抱子不能释放，而且其外壁合成等程序都被破坏，从而导致不育，但这个双突变体在低温强光等适当的条件下育性会有所恢复。

MS1编码一个PHD-finger家族的转录因子ms1突变体的绒毡层在四分体释放后开始出现空泡化现象，致使小抱子提前降解。最近的研究结果表明，ms1突变体的绒毡层在分泌功能上受损，并且没有适时地发生细胞凋亡，而是可能经历了另一种类似于动物中的伴随细胞坏死的应答的过程。芯片分析的结果显示一些与PCD过程相关的半肤氨酸蛋白酶在ms1突变体中下调。在矮牵牛中，TAZ1基因同样编码了一个PHD-finger结构的转录因子，该基因的沉默使绒毡层程序性死亡机制无法被抑制，导致绒毡层提早衰退，从而产生不育性状。

在花的形态结构中，绒毡层位于花药壁四层孢子体细胞的最内层，与配子体 直接相连，所以在花粉发育过程中起着重要的作用。由于绒毡层细胞与小孢子发育之间的密切关系，当绒毡层功能出现紊乱时，就会导致花粉发育异常，造成植物育性下降。绒毡层的细胞分化和发育是一个复杂而紧密的过程:在早期细胞分化主要依赖与小孢子母细胞的信号转导；而绒毡层细胞形成后随即进一步的功能特化为分泌型细胞，这个过程主要受到一些MYB和bHLH家族转录因子所调控。最后，绒毡层细胞在行使分泌功能的同时开始细胞凋亡，此过程也受到一些转录因子的控制。这些复杂而精密的细胞行为必然会涉及到大量基因的特异性表达与关闭。

DYTI、TDFI、AMS、Ms188四个转录因子怎样调控绒毡层发育，调控绒毡层发育的哪几个生物过程，目前尚不清楚。杨仲南等通过高通量的基因芯片分析绒毡层发育的基因调控途径。