植物发育与生殖的研究_进展和展望

发布于:2021-09-21 02:24:50

植        物 学 报 1999 ,41 (9) :909~920
Acta Botanica Sinica

? 综述 Revie w?

植物发育与生殖的研究 :进展和展望
许智宏
关键词   植物发育 ,生殖
( 中国科学院上海植物生理研究所   上海   200032)

Abstract   Plant development and reproduction research has been moving very rapidly in the past 10 years due to the progress of molecular biology , the analysis of various developmental mutants , and the cloning of the genes with important function in different stages of plant development . This review focuses on apical meristem , flower initiation and development , fertilization and embryogenesis. Recent advances and the prospects in the future are discussed. Key words   Plant development , Reproduction

1  高等植物发育的特点

随着分子生物学和遗传学的发展 , 发育生物学 已重新成为生物学中最为活跃的研究领域之一 。 高

等植物的发育有其一系列自身的特点 。 首先 ,植物的 生长发育是一个开放系统 ,由种子萌发形成幼苗 ,在 其生活史的各个阶段不断地形成新的器官 。 而动物 在胚胎发育阶段已基本完成了器官的分化过程 。 第 二 ,植物的营养生长转向生殖发育是植物生长到一 定阶段后才完成的 ,对于多种植物这一过程受到光 、 温等外界环境因子的调控 。 第三 ,植物细胞在一定外 界条件刺激下 ( 包括离体培养) 表现出高度的细胞全 能性 ,即可以重新开始分裂并形成一个完整个体的 能力 。 植物细胞全能性这一特性为植物生物工程中 很多技术的发展提供了理论依据和实验基础 。 最后 ,

由于植物的根固着于土壤中而使之不能像动物一样 随意移动 ,这又决定了植物必须对环境条件的变化 作出多种反应 ,以利于其生长发育过程的完成 。 植物 界的生物多样性不仅表现在物种之间的千差万别 , 而且由于植物生长发育环境的不同 , 即使是同一物 种其形态也可以相差极大 。 这种发育的可塑性显然 有助于植物适应各种环境的变化 。

ΞΞ 作者通讯地址 : 中国科学院 ,北京三里河路 52 号 ,100864 。 Author’ s correspondence address : The Chinese Academy of Sciences , 52 Sanlihe Road , Bei2
jing 100864. 收稿日期 :1999202226   接受日期 :1999205219

Ξ 国家高技术研究发展计划生物工程项目及科技部攀登计划项目资助 。 在中国植物学会第 12 届代表大会暨成立 65 周年学术年会(1998 年 12 月 ,深圳) 上的大会报告 。 Supported by the National High- Tech Research and Development-Biotechnology Program and the State Key Project of Basic Re2
search of China. This review was a keynote speech on the 65th Anniversary of the Botanical Society of China , held at Shenzhen in Dec. , 1998.

Plant Development and Reproduction : Advances and Prospectives Ξ
( Shanghai Institute of Plant Physiology , The Chinese Academy of Sciences , Shanghai 200032)

XU Zhi- Hong ΞΞ

地球上的植物提供人类约 90 %的能量 ,80 %的 蛋白质 ,食物中约有 90 % 来源于陆生植物 。 人类用 于作为食品及各种原料的植物 ,多数是用其种子 、 果 实、 、 、 花 茎 叶或特定的营养器官 ( 如块茎 、 块根 、 鳞 茎、 球茎等变态器官) , 这些均是植物特定发育阶段 的产物 。 因此 ,在植物发育研究中关于营养器官的生 长发育 、 花诱导 、 花器官发生 ( 包括性别分化 、 雄性不 育等) 、 细胞的全能性 、 果实和种子的形成以及植物 激素在植物生长发育中的控制作用等方面的知识 , 也构成了人们寻找有效控制作物生长发育 、 开花结 实、 提高作物生产能力及改善品质的新思路 、 新手段 的理论基础 。 本文将重点介绍在顶端分生组织 、 开花 诱导和花器官的发育 、 受精和胚胎发生等方面的研 究进展 ,并对存在的问题进行讨论 。

2  顶端分生组织

顶端分生组织是在植物胚胎发育中 , 在胚的纵 轴向两端分别形成的特殊区域 , 它们在生长发育过 程中可以连续不断地生长 , 分别称之为茎端分生组 织和根端分生组织 。 在某种意义上说 ,植物的分生组 织细胞相当于动物的“ 干细胞" ( stem cell ) 。 顶端分生 组织通过调节细胞增殖和分化的进程 , 使其细胞按

ΞΞ

Ξ

910  

植             物 学 报

41 卷

特定的方式不断分裂和分化的结果 , 一方面维持其 自身作为顶端分生组织 , 另一方面形成植物的各种 器官及发育成特定的形态 。 植物的茎端分生组织 ( SAM) 具有特定的组织结 构 ,通常可以明显地区分出不同的细胞层 ( 从外到内 由 3 层细胞 L1~3 组成) 及分区 ( 顶端的中央区和周 边的侧生分生组织与“ " 分生组织) 。 肋状 由拟南芥菜 ( Arabidopsis thaliana) 的 wus 突变体的分析可见 , 在 胚胎阶段即已建立了中央区和周边区 , 即球形胚 的顶端区域分隔成中央区 ,由之成为茎端分生组织 ; 而周边区域的细胞分化成子叶 。 当因顶端分生组织 的活动 ,而把其周边的细胞逐步向下推向远离顶端 的地方时 ,后者即形成器官和组织原基 ,而开始分化 过程 。 TM ( shoot meristemless) 基因的突变导致胚胎 S 发生过程中不能形成茎端分生组织 。 由拟南芥菜克 隆的 S TM 基因及其推导的编码蛋白的氨基酸序列 说明 S TM 基因是编码 Homedomain 类的 KN 基因家 族的一员 , 很可能是通过转录调控而影响 SAM 的形 成 。 基因在整个发育过程中涉及茎端分生组织 S TM 的结构建成 。 茎端分生组织的中央区的细胞分裂活 性通常较低 。 显然 , S TM 基因在维持 SAM 中央区域 细胞处于未分化状态具有重要的作用 。 基因作 S TM 用于 WUS 和 ZLL 基因的上游 , 后两基因为分生组织 细胞获得相应的功能所需 [2 ,3 ] 。 茎端和花分生组织 的中央区域未分化细胞的数目在突变体 clv1 和 clv3 中增加 ,从而使顶端分生组织的大小明显增加 , 说明 CLV 基因的作用与 S TM 相反 , 对 SAM 的中央区域细 胞的未分化状态这一特征起负调控作用 [4 ] 。 1 编 CLV 码膜结合的受体激酶 ,由此推测它可能通过蛋白质 的磷酸化而影响 S TM 基因产物的转录调控作用[ 5 ] 。 而转 基 因 植 物 已 为 K APP ( kinase associated protein phosphatase) 对 CLV 1 起负调控作用提供了证据 [6 ] ,
TFL 基因的突变则导致在中央区域细胞进行分化
[1 ]

当在培养中诱导形成苗时 , 产生的花萼及雄蕊也是 并合的 ,可见 CUC1 和 CUC2 基因对于形成分离的 器官原基是必需的 。 2 基因已经克隆 [7 ] , 其编码 CUC 蛋白质的氨基酸与矮牵牛 ( Petunia hybrida) 的 nam 突 变体的同源性达 56 % , 后一突变体的形态学特征与 拟南芥菜的相似 , 即也具并合的子叶 , 无茎端分生组 织 [8 ] 。 已发现若干基因与叶的形态有关 , 如拟南芥菜 的 angustifolia 和 rotundifolia 突变体 , 玉米的 narrow sheath 突变体等 。 在叶中表达分生组织基因也会导 致叶形态的改变 , 如在拟南芥菜使 KNA T1 基因过量 表达 ,会使形成的叶片边缘明显成为裙摺状 , 在烟草 (Nicotiana tabacum ) 和拟南芥菜中过量表达类 kn- 1 基因也导致在叶上形成分生组织 。 由玉米中克隆的 同源异型基因 kn- 1 基因以及由拟南芥菜中克隆的 KNA T1 基因仅在 SAM 中表达 ,但在叶原基中不表 达 , 这已使这类基因成为在早期鉴定叶原基细胞的 最好标记 [ 9 ] 。 然而 , 已发现番茄复叶的发育中涉及类
kn- 1 基因的表达 。 在番茄 (Lycopersicon esculentum ) 中

过量表达 kn- 1 基因 ,导致增加番茄叶的开裂程度 , 产生的叶片可具有多达 1 000 个小叶 [10 ] 。 生长素的 极性运输在胚胎发生中对子叶分化发育的作用 , 已 为利用生长素极性运输抑制剂处理芥菜幼胚以及拟 南芥菜的生长素运输突变体 pin1 所证实 [7 ] 。 进而 , 我们利用烟草 、 景天树 ( Crassula arboresions ) 、 二月兰 (Orychophragmus violaceus ) 等植物的叶外植体建立的 芽分化试验 , 以及烟草 、 青菜 ( Brassica chinensis ) 种子 的萌发试验中 , 均已证明在培养基中加入生长素运 输抑制剂导致形成喇叭状叶或联体叶[ 11 ,12 ] 。 所有这 些也说明叶片与子叶形态发生上的相似性 , 它们都 受到生长素极性运输的调控。 新*德国 Palme 博士 的研究小组已由拟南芥菜中克隆了多个 PIN 基因 , 其编码的蛋白具有典型的膜蛋白结构[9 ] , 结合原位 定位的结果使他们认为 PIN1 蛋白即是一种生长素 的极性运输体 (polar transporter) [ 13 ,14 ] 。 根尖分生组织的活动与茎端不同 。 在根端具有 起缓冲保护作用的结构 —— — 根冠 , 所以根尖分生组 织事实上是一种*顶端的分生组织 。 在被子植物中 , 根在横切面上由外及里的每一层细胞均可追溯到由 根尖分生组织形成的不同原始细胞 ,如表皮- 根冠原 ( 在单子叶植物中通常有单独的根冠原) 、 皮层原 、 中 柱原等 ,在纵切面上即可见清楚的一列列排列整齐 的细胞 , 每一列细胞均起始于一个原始细胞的分裂 , 靠顶端的一个子细胞仍保持为原始细胞 ,远离顶端 的一个子细胞经几次分裂后 , 即进一步分化形成相

时 , SAM 的活性即告终止 。 由此可以认为分化是一 个中央区域细胞受阻遏的发育选择 ( repressed devel2 opmental option) 过程 [2 ] 。 由茎端分生组织分化出新叶原基的过程与胚胎 发育中子叶形成相似 。 stm 突变体中 ,子叶和叶形 在 成过程受到的影响相似也说明了这一点 。 通常在茎 端分生组织起源的多数侧生器官均有腋生分生组织 形成 。 在这方面 ,器官原基的形成与茎端分生组织状 态的维持之间的相互关系是人们注意的重点 。 由拟 南芥菜的双突变体 cuc1∶ 2 ( cup- shaped cotyledon) cuc

形成的幼苗具有并合的子叶 ,并没有茎端分生组织 。

9期

许智宏 : 植物发育与生殖的研究 : 进展和展望

 

911

应的组织 。 这些原始细胞围绕在由几个不分裂的顶 端细胞周围 , 这些不分裂的顶端细胞组成一个所谓 的“ 静止中心" QC ( quiescent center) 。 在拟南芥菜中 , QC 由 4 个细胞组成 。 通过大量突变体及其组织细胞 学的研究 , 已揭示 QC 细胞维持其周围的原始细胞 作为“ 干细胞" 的功能 , 控制着它们的分裂 , 以及随后 子细胞的分化 。 没有具有功能的 QC 的存在 , 组织原 细胞的状态即不能维持 。 显然 , 根尖分生组织中 QC 细胞与其周围的各类组织原细胞之间的信息物质的 运输及作用 ,以及与从成熟的正在分化的细胞来的 信息之间的*衡 , 在根的形态建成过程中具有重要 的作用 。 根的侧生器官侧根的形成并不起源于根尖 分生组织的活动 , 而是通常由离根尖一定距离的中 柱鞘产生的 。 侧根的这种内起源特性与茎干的侧生 器官的外起源特性明显不同 。 根系的形成受到土壤 中各种理化因素的影响 。 在拟南芥菜中已发现根系 生长的差异明显受 NO3 的影响 ,在富含 NO3- 的土 壤中侧根伸长明显增强 ,而对主根的生长影响不大 。 其有关的基因 ANR1 已为 Zhang 和 Forde [ 15 ]克隆 , 并 证实也是一种拟南芥菜的 MADS 盒基因 , 用转基因 植物已证明它在拟南芥菜根发育的可塑性方面起有 决定性作用 。 根尖分生组织的结构相对较为简单 , 根 尖分生组织及根的形态发生也已成为发育分子生物 学的一个很好的研究系统 [16 ,17 ] 。 顶端分生组织细胞的分裂和分化受到其所在位 置的明显影响 。 实验证明用激光处理杀死特定的细 胞后其相邻的细胞可以取代原有的细胞位置而获得 相应的功能 。 茎尖分生组织可以看成是一团在早期 胚胎发育中形成的 , 并从周围分化的组织中接受模 式 ( pattern) 形成信息的分裂细胞 ; 而根尖分生组织 则可以看作是一团缺乏内在模式形成信息的分裂细 胞 [18 ] 。 无疑 , 在顶端分生组织的活动中 , 也受到整体 植物其他器官的影响 。 作为一个整体 , 植物激素以及 代谢产物运输的调*鹱胖匾淖饔 。 随着越来越 多的顶端分生组织的突变体以及相应基因的克隆 , 无疑会加深人们对顶端分生组织的活动及其调控的 认识 ,而这是植物整个形态发生的基础 。

维持均是重要的 。 长期以来 ,植物生理学家利用不同 的植物及组织培养成花系统 ,已在光周期诱导 、 春化 作用 、 激素和代谢产物在开花过程中的生理作用等 方面进行了大量研究 , 在此基础上 , Bernier[19 ] 提出 了开花诱导的“ 多因子模型" ( multifactorial model ) ,根 据此模型 ,植物在启动开花之前 ,体内的各种有关的 生长调节物质和代谢产物作为成花的促进因子或抑 制因子 ,必须在特定的时间 , 达到合适的浓度 , 它们 之间的相互作用最终才导致茎尖分生组织 ( 或侧芽 的分生组织) 由营养生长锥转向生殖生长 。 由拟南芥 [20 ] ( Pisum sativum ) [21 ] 和谷类 [22 ] 等植物开花 菜 、 豌豆 时间的遗传分析支持这种开花的多因子调控的假 说。 利用拟南芥菜的突变体已定位了约 80 个位点 影响开花时间 ,其中一些基因促进开花 ,另一些抑制 开花 ; 一些基因促进开花的作用并不受生长条件的 影响 ,而另一些则明显受环境因素的作用[23 , 24 ] 。 通 常可将参与开花诱导的基因分成两类 : 与开花时间 有关的基因 (flowering time gene ) 和分生组织特征基 因 ( meristem-identify gene) 。 前一类基因的突变会使突 变体的开花时间提早或延迟 , 这类基因中促进开花 的 包 括 : CONS TANS ( CO ) 、 LUMINIDEPENDENS
(LD ) 、 、 F3 等 ,抑制开花的如 EM F1 。 FCA EL 后一类基

3  开花诱导
高等植物经过一段时期的营养生长后 , 在合适 的外界条件下 ( 其中重要的有日照长度 、 光质及温 度) ,即转向生殖发育 ( reproductive development) ,开始 花器官的分化形成 。 植物的开花状态可以逆转 ,说明 涉及转向开花的基因及过程对于生殖发育的启动及

因决定新形成的原基的发育方向 ,是继续营养生长 的发育方式 , 还是转向花的发育 , 这类基因如 TER2 MINAL FLOW ER ( TFL ) 1 和 TFL 2 、 F 、 EA FY CL L (L FY ) 、A PETALA 1 (A P1 ) 和 A P2 、 CAULIFLOW ER
( CAL ) 等 。 根据影响开花时间的突变体对环境因子

( 春化和光周期) 的反应 ,结合遗传分析 ,在拟南芥菜

中已确立至少存在 4 条途径影响开花时间 , 其中两 条是调控植物本身的发育状态 ,即 ( 1) 开花抑制途径 (floral repression pathway) ,此途径中有关的基因的功

能是在植物发育到一定大小或年龄之前抑制开花 ( 如 TFL 1 、 F 、 、 F 等 ) ; ( 2 ) 自 主 促 进 途 径 CL WLC EM (autonomous promotion pathway ) , 其有关的基因随植 物的发育 , 起着拮抗上述抑制开花的作用 ( 如 LD 、 FCA 、 E 、 等) 。 FV FPA 另两条途径受环境因子的影响 , 即光周期促进途径 ( photoperiodic promotion pathway) 及春化促进途径 ( vernalization promotion pathway) ( 参 看文献 [ 25 ] ) 。 胚胎花基因 ( EM F) 在阻遏开花中具有重要的 作用 , 其突变体 emf 1 和 emf 2 表现出没有明显的营

养生长阶段 。 对于 TFL 1 基因 ,根据其与金鱼草 (An2 thirrhinum majus ) 的相应的基因 CEN 的相似性 , 以及

912  

植             物 学 报

41 卷

突变体 tfl 1 开花提前 ,可以认为 TFL 1 基因抑制在顶 端花的形成 ,推迟由营养生长向生殖发育的转变 。 过 量表达 TFL 1 明显延长营养生长及花序生长阶段也 支持这一观点 [26 ] 。 1 所起的推迟开花的功能可 TFL 能是通过阻遏自主促进途径中促进开花基因 (如 FCA 、 E 和 FPA ) 的作用而表现出来的 。 CL F 和 FV 而 WLC 基因是通过阻遏某些花分生组织特征基因而推 迟开花的 。 clf 突变体中 AG 基因在叶片 、 在 花序 、 茎 和花中异位表达 , 而 AG 和 A P3 在 wlc 突变体中异位 表达 ,说明 CL F 和 WLC 是抑制花分生组织特征基因 在营养组织中的表达 [ 25 , 27 ] 。 拟南芥菜 CO 的突变体在非诱导的短日照条件 下正常 , 但在长日照下开花延迟 , 而 FCA 基因的功 能不受日照长短的影响 。 mRNA 水*上也反应出 在 同样的情况 , CO mRNA 的量在长日照下比短日照下 高得多 ,而 FCA 和另一也不受日照长度影响的基因 LD 的 mRNA 不受日照长度的影响 。 Simon 等 [28 ] 用转 基因技术在 co 突变体中表达由 CO 与鼠的糖皮质 激素受体 ( glucocorticoid receptor ) 的配体结合域的基 因片段组成的融合基因 ( 35S∶ CO ∶ ) 。 ∶ GR 人工合成 的糖皮质激素 DEX ( dexamethasone) 处理这一转基因 植物即可诱导导入的 CO 基因表达 , 并研究它对分 生组织特征基因表达的影响。 结果表明 CO 的表达 即可迅速诱导 L FY 和 TFL 1 基因的转录 ,后二基因的 转录在野生型拟南芥菜中为长日光周期所诱导 。 利 用在不同时间 DEX 处理 ,即可诱导转基因植物在不 同的时间开花 , 这至少用模式植物证明了通过基因 工程技术调控植物的开花时间是可能的。 现已知 CO 和 LD 基因编码转录因子 , 而 FCA 编码的是 RNA 结 合蛋白 ,预示这三个基因可能直接作用于控制花形 成的目标基因 。 自从 Garner 和 Allard 在 20 年代用烟草和大豆 ( Glycine max ) 所做的经典实验中证实光周期在开花 中的作用以来 , 植物发育生理方面的大量研究早已 证明光在植物由营养生长转向生殖发育过程中的作 用与两种光受体有关 ,即光敏色素 ( 红光- 远红光受 体) 和隐色素 ( cryptochrome ,蓝光 - 紫外光 A 受体) 。 至 今 , 已在不同植物中分离克隆出多种光敏色素蛋白 的基因 , 如拟南芥菜中即有 PHYA ~ PHYE 5 种 ,在番 茄 中 也 有 5 种 : PHYA 、 PHYB 1 、 PHYB 2 、 PHYE 和 PHYF 。 在这些光敏色素中 , 研究得最多的是光敏色 素 A 和 B。 通过突变体和转基因植物的研究表明它 们在光形态发生中确有重要作用 。 在长日植物拟南 芥菜和豌豆中 , 缺失 PHYA 导致在长日照条件下开

花比野生型延迟 。 已有报道称 PHYA 在转基因拟南 芥菜中过量表达导致在短日照条件下开花提前[ 29 ] , 但这种情况在其他植物中并未观察到。 缺失 PHYB 在拟南芥菜 、 高粱 (Sorghum vulgare) 等多种植物中引 起早花 , 致使一些研究者提出通过操纵 PHYB 基因 的表达 , 如导入反义 PHYB 基因 , 有可能使作物缩短 生长期 [30 ] 。 Halliday 等 [31 ] 将燕麦的 PHYA 、 拟南芥菜 的 PHYB 和 PHYC 基因导入日中性和短日的烟草品 系 ,结果表明异源的 PHY 基因的表达增强了用短日 照 ( 30 min 白光) 打断长夜对延迟开花的作用 , 此研 究也首次证明了 PHYC 的生物活性 。 发现蓝绿藻的 光敏色素具有光调组氨酸激酶活性[32 ] ,使人们相信 高等植物的光敏色素很可能从远古时代的原核生物 的组氨酸激酶演化而来 , 而在文献中植物的光敏色 素又似可显现丝氨酸激酶的活性 , 反映出植物的光 敏色素看来并非组氨酸激酶家族的典型成员[33 ] 。 光 敏色素在调控植物生长发育的信号传导过程中的生 理生化作用仍有待进一步研究 。 在拟南芥菜中已发 现有两种隐色素 ( CRY1 和 CRY2 ) 。 拟南芥菜的隐色 素突变体 cry2 的研究表明它也是一种晚花突变体 。 新* , Guo 等 [34 ] 在与拟南芥菜的其他晚花突变体作 比较研究时已发现在 f ha 突变体中未检测到 CRY2 蛋白 ,两者均定位于拟南芥菜的第一染色体的同一 区段 。 并发现 CRY2 是 CO 基因的正调节因子 , 在长 日照条件下 , CO mRNA 在 cry 2 突变体中要比相应的 野生型至少低 3 倍 。 cry2 和 phyB 突变体开花对 分析 不同光波光照的反应也说明 cry 2 和 phyB 对开花的 调控作用正好相反 。 虽然在 40 年前 Zeevaart [35 ] 即证实在光周期诱导 中 ,开花诱导的信号在叶片中产生 ,并需通过韧皮部 运输到茎端发生作用 ,使之形成花 ,不少研究者试图 分离这一诱导物 ,但至今对其生化性质仍不清楚 。 单 子叶植物毒麦 ( Lolium temulentum ) 的 Ceres 品系只需 一个长日照诱导处理即可开花 。 从长日照诱导后的 毒麦植株上分离茎尖培养发现 , 诱导后第一天切下 的茎尖在培养中需加入 G 3 才能诱导使之开花 , 而 A 第二天切下的则无需外加 G 3 。 A 据此 ,McDaniel 和
Hartnett [36 ] 认为光周期对于毒麦的开花诱导是一可

分为两步的过程 , 即在叶中形成的第一个信号物到 达茎端后诱导使之成为成花决定状态 (florally deter2 mined state) ; 然后 ,第二个信号物 ,即 G 促进成花决 A 定状态的表达 。 Kania 等 [37 ] 已从拟南芥菜克隆 FPF1 基因 (flowering promoting factor 1) ,此基因在长日植物 白芥 ( Sinapis alba ) 和拟南芥菜中 , 在光周期开花诱

9期

许智宏 : 植物发育与生殖的研究 : 进展和展望

 

913

导后很快在顶端分生组织中表达 , 先仅在分生组织 的周边区表达 ,而后在花分生组织和形成次生花序 的腋生分生组织中表达 。 此基因编码一个 12. 6 kD 蛋白 ,研究表明它的功能涉及依赖 G 的信息传导 A 过程 ,以及参与在转向开花过程中顶端分生组织对 G 的反应 。 A 利用玉米茎尖培养发现不管切取茎尖前 植物已有多少片叶子 , 离体茎尖在形成花之前必须 重新形成一定数目的叶片 。 然而 ,如果在切取茎尖时 带有 4~6 个幼小的叶原基 ,即可克服这种发育程序 的重新设置 ,说明在幼叶中的一些信号影响 SAM 的 发育 [38 ] 。 玉米的 id1 突变体表现出从营养生长向生 殖生长的转变过程出现故障 ,在正常生长季节内不 能开花 。 当生长期延长最终形成花序时也表现出营 养生长的特征 。 新* , ID1 基因已经克隆 ,证实是一 个锌指蛋白 , 表明它可能是一种转录因子 。 1 基因 ID 主要在幼叶中表达 ,而在 SAM 中不表达 ,说明 ID1 基因在开花诱导中的作用涉及在幼叶中形成的一种 可运转 的 信 号 分 子 , 后 者 影 响 SAM 转 向 生 殖 发 育 [39 ] 。 很多植物需要经过低温处理 ( 如越冬作物) 才能 诱导或加速开花 ,这一过程通常称之为春化作用 。 与 光周期诱导开花过程不同 , 春化本身 ( 低温诱导) 并 不诱导开花 ,而只是使植物处于准备开花状态 。 Burn [40 ] 等 提出春化引起 DNA 的去甲基化 ,这使在 G 生 A 物合成中重要的异贝壳杉烯酸羟化酶基因得以表 达。 一些实验已表明 DNA 的甲基化确在确定或维持 分生组织的不同发育状态起作用 。 虽然导入甲基转 移酶的反义基因的转基因植物表现发育上的异常以 及早花 ,去甲基化在春化中的作用仍不很清楚 ,因为 在这些转反义基因的转基因植物中明显的去甲基化 并没有导致转基因植物及其后代不需春化[41 ] 。 遗传 学研究已表明 ,在小麦中至少有 4 个基因控制春化 过程 。 在拟南芥菜中也已得到多个对春化敏感的突 变体 ( 如 vrn1 和 vrn2) 。 对这些突变体的研究以及最 终克隆这些基因无疑将对了解春化过程中的分子机 理具有重要意义 [23 ,42 ] 。 种康等 [43 ,44 ] 从经低温诱导的 冬小麦 cDNA 文库中筛选得到了两个对春化处理特 异的 cDNA 克隆 ver203 和 ver17 。 为了研究 ver203 的 功能 ,将其反义基因导入小麦 ,结果发现在 326 株春 化过的反义转基因小麦中有 6 株抽穗明显受到抑 制 [45 ] 。 该基因 3′ cDNA 克隆核苷酸序列检索表明 , 端 它与茉莉酸诱导基因有部分同源 , 推测它可能参与 茉莉酸的信号传导途径 [46 ] 。 正常花的形成需要分生组织特征基因 ( 如 L FY ,

A P1 等 )的表达 。FY 基因在新形成的花原基中表达 L

很早 , 说明它对于诱导花形成是必需的 。 这也为转基 因植物所证实 : FY 基因在 35S 启动子驱动下 ,转基 L 因拟南芥菜所有的侧芽全部转变为花 , 主茎的顶端 转变为一不正常的顶花[47 ] 。 在一些情况中 , 转基因 植物在形成 3 片真叶后即形成花 , 但这类植物通常 不育 ,不能正常繁殖 。 用同一嵌合基因 ( 35S∶ L FY) ∶ 导入烟草和杂种杨 ( Populus tremula ×tremuloides ) 后 使这些植物提早开花 。 特别对于杨树 ,通常 8~10 年 后才开花 ,但转基因杨在经 6~7 个月的营养生长后 即形成顶花以及单个的腋生雄花 ,但花药未能开裂 。 这一结果说明 L FY 的活性在亲缘关系很远的植物 之间是相当保守的 , 同时也表明通过导入 L FY 基 因 , 有可能调控开花的时间 。 有意思的是 , 仅是拟南 芥菜的 L FY 基因在营养生长阶段有相当广泛的表 达 , 而金鱼草中的同源基因 FLO 则并非如此 。 在形 成分生组织过程中的负调控基因 TFL 1 也表现出类 似的区别 :拟南芥菜 TFL 1 基因的表达不限于生殖发 育阶段 ,它在营养生长阶段也表达 , 以延迟开花 , 而 金鱼草的同源基因在营养生长阶段并不表达。 如前 所述 ,L FY 和 TFL 1 均是受到 CO 的诱导而迅速被激 活的基因 , 而 A P1 的转录则要晚得多 。 据此说明 A P1 可能是 L FY 基因的一个下游效应子 , 而用 35S ∶ ∶ A P1 转化拟南芥菜获得的转基因植物的表型与 35S ∶L FY 相似也是一个佐证 。 ∶ 由于 35S∶ A P1 拟南芥 ∶ 菜在一些方面又与 tfl 1 单基因突变体或 tfl 1 / tfl 2 双 突变体的表型相似 ,也认为至少 35S∶ A P1 在开始 ∶ 时的 影 响 可 能 是 由 于 抑 制 了 TFL 1 基 因 所 引 起 的 [48 ] 。 但是 ,A P1 与 L FY 不同 , 将 35S∶ A P1 导入杂 ∶ 种杨 ,并没有得到 L FY 相似的结果 , 说明 L FY 和 A P1 在诱导开花方面还是有所差异 ,当然也可能是 L FY 的作用在不同物种之间比 A P1 更为保守所致 。

4  花器官的发育
有关花发育中调控各类花器官形成的器官特征 基因 (organ identity gene) 的克隆及其功能分析 , 是* 年植物发育分子生物学研究中的重大突破之一 。 这 些基因是由于对拟南芥菜和金鱼草获得的各类花器 官的同源异型突变体的研究而发现的 。 现已知 ,在这 两种研究花器官发育的模式植物中 , 有 3 类同源异 型基因决定形成花的四轮器官 ( 从外到内为 : 花萼 、 花瓣 、 雄蕊和雌蕊) 。 3 类基因分别具有不同的功 这 能活性 ( 分别以 A 、 、 表示) ,A 类基因的功能活性 B C 局限于第 1 和第 2 轮 ,B 在第 2 、 轮 ,C 在第 3 、 轮 。 3 4

914  

植             物 学 报

41 卷

由此 Coen 和 Meyerowitz 等 [49 ] 提出花发育的同源异 型基因作用模型 ,即 ABC 模型 。 根据这一模型 ,A 类 基因单独作用决定形成第 1 轮的萼片 ,A 和 B 共同 决定形成第 2 轮的花瓣 ,B 和 C 共同决定第 3 轮的 雄蕊 ,而 C 单独作用时 ,形成第 4 轮的心皮 。 该模型 说明了如下 3 点 : ( 1) 野生型花的每一轮器官的形成 均涉及到 3 种器官特征基因中的 1 种或 2 种的组 合 ; ( 2) A 和 C 的活性是互相抑制的 , 这已为不同的 突变体及转基因植物所证实 ; ( 3) 三类基因的影响在 花的发育中具有各自的位置效应 。 现已在拟南芥菜 中克隆的具有 A 功能的基因有 A P1 和 A P2 ,具 B 功 能的有 A P3 和 PI , C 功能的有 AG 。 相应在金鱼草中 具有 A 功能的是 SQUA , B 功能的是 DEF 和 GLO , C 功能的是 PL E , 只是拟南芥菜中的 A P2 在金鱼草中 未发现其同源基因 (参看文献 [ 50 ]) 。 这三类同源异 型基因编码的蛋白质的 N 端均带有一个保守性很 强的 DNA 结合序列 MADS 盒 。 在研究调控胚珠发育 的基因中 ,从矮牵牛 ( Petunia hybrida ) 已克隆 2 个与 之有关的 MADS 盒基因 FB P7 和 FB P11 ,它们专一 地在胚珠原基 、 珠被和珠柄中表达 。 在转基因植物中 抑制 FB P7 和 FB P11 基因的表达导致在本该形成 胚珠的地方却发育成心皮状结构 。 35S 启动子使 用
FB P11 基因在转基因植物中过量表达 ,结果在花萼

不作用于开始时 AG 表达模式的确立 , 而是在发育 的较 后 的 时 期 维 持 其 在 上 述 器 官 中 的 被 抑 制 状 态 [ 27 ] 。 这说明属于 Pc- G 类基因的 CL F 基因在拟南 芥菜中调控着花同源基因的表达 , 在花发育中可能 在促进细胞命运的决定方面起作用 。 在控制花的不对称方面 ,*年也获得重大进展 。 对于金鱼草的背腹不对*峁沟男纬 , 至少已发现 有 4 个基因位点 ,其中 3 个 ( CYC 、 和 DICH) 引起 RAD 花的背特性 ( ventralization) , 另一个基因 DIV 引起腹 特性 ( dorsalization) 。 和 DICH 两基因对于金鱼草 CYC 的完全的背腹不对称花的形成均是需要的 , 因为单 一缺失 CYC 或 DICH 活性的突变体并不能形成典型 金鱼草的不对称花 , 说明 CYC 和 DICH 基因在某种 程度上可以相互取代。 基因已为罗达等[ 54 ] 克 CYC 隆 , 它在花分生组织的较早发育阶段在背部区域表 达 , 并影响该部位的生长和原基的形成 。 该基因的表 达在背部的原基中继续到较后时期 ,从而导致不对 称性的形成 , 影响花瓣和雄蕊的大小和细胞类型。
DICH 基因的序列和表达模式与 CYC 相似 , 但 CYC

在确立背腹不对称的作用显得比 DICH 更为重要 。 因从 表 型 看 , cyc 突 变 体 比 dich 突 变 体 的 影 响 更 大 [ 54 ] 。 在野生型中背部的那个雄蕊原基的生长在发 育的很早时期即停止 , 而在 cyc 突变体中所有的雄 蕊原基均得以发育 , 说明 CYC 抑制原基的突出生 长。 有意思的是发现在玉米中克隆的 TB 1 基因与
CYC 同源 。 TB 1 基因与玉米的顶端优势的维持有 而

和花瓣上形成胚珠 , 在表达 FB P11 的花萼表面也形 成了胎座组织 ,从而说明 FB P11 的表达与胚珠和胎 座组织的形成有关 ,而胚珠代表了一类花器官 , 它的 发育为 MADS 盒基因 FB P7 和 FB P11 所调控 。 , 为此 已提出可把 ABC 模型延伸 ,将 FB P7 和 FB P11 基因 列为 D 基因 ,由它决定形成胎座和胚珠的中央分生 组织的特征 [51 ] 。 有关胚珠发育的分子和遗传调控可 参考新* Schneitz[52 ] 的综述 。 在分化发育研究中引起注意的一个问题是同源 异型基因的表达 , 通常在发育早期即表现出十分特 有的模式 ,问题是它的表达又是如何通过细胞分裂 在以后的发育时期维持下去的 。 在这方面 ,有关细胞 间相互关系的研究已表明顶端分生组织不同层细胞 之间信息分子的传输对于花器官的分化发育有重要 的影响 [53 ] 。 而当细胞分化的特定命运得以自主地维 持时 ,细胞的命运即已决定 ,这时与其周围环境通常 无关 。 如上所述在拟南芥菜中的 CL F ( CURL Y L EA F) 基因为抑制 AG 基因在叶 、 花序的茎中和花发育的 较后时期的表达所需要 。 F 的克隆已表明它在结 CL 构上与果蝇的 Polycomb- Group ( Pc- G) 基因同源 。 而 AG 在 clf 突变体花中的表达模式的分析说明 CL F 并

关 ,它在玉米中与玉米的野生*缘种 Zea mays ssp .
parviglumis 中的表达情况 、 1 突变体形态的变化均 tb

说明 TB 1 抑制腋生器官的生长及雌花序的形成 [55 ] 。 花器官作为高等植物进化上最为变化多端的结 构 ,对多数影响花器官形成和发育的各类基因的作 用及相互关系仍有待进一步的研究 , 特别是在已克 隆的一批同源异型基因对其下游基因的调控方面 , 一个例子是已报道 NA P 是 A P3 / PI 的直接靶基因 , 并在 35S∶Anti NA P 转基因植物中 , 雄蕊缺失 , 表明 ∶
NA P 的功能对于 A P3 / PI 所控制的发育过程是十分

重要的 [56 ] 。 但这方面总的说来至今仍知之甚微 。 对 于禾谷类作物花发育的同源异型基因的研究工作还 很少 。 对花的不对称基因的克隆及功能分析也刚开 始 ,其生化功能尚不清楚 。 这些方面的研究 , 不仅在 理论研究上对于花结构的进化 、 花的发育具有重要 意义 ,而且对于调控花的形态 ,在园艺和作物育种上 也可望有重要作用 。

9期

许智宏 : 植物发育与生殖的研究 : 进展和展望

 

915

5  植物的受精作用与胚胎发生
俄国植物学家 S. G. Nawaschin 发现双受精现 象已整整 100 年了 , 这是植物胚胎学史上的一个重 大里程碑 。 在双受精现象发现 100 年以来的研究历 程中 ,可以认为在前 50 多年 , 应用光学显微镜的观 察 ,阐明双受精在被子植物中的普遍性 ,对涉及受精 的雄性 、 雌性配子体与雌 、 雄性配子 , 及其融合过程 中的基本特性 、 变异性和多样性 ,积累了丰富的宝贵 基础资料 。 Maheshwari [57 ] 对这些资料作了全面的总 结 。 50 年代到现在的* 50 年中 ,从以有性生殖过 自 程作为研究对象的植物胚胎学与细胞生物学和分子 生物学等学*岷 , 演进为生殖生物学 。 在这一阶 段 ,受精作用作为有性生殖的中心环节 ,由于应用电 子显微镜 、 显微荧光术 、 细胞化学和分子生物学作为 手段 ,超越了早期局限于形态学的范畴 ,在受精作用 中有关结构与功能关系的深入研究中 , 发现了不少 新的现象 。 有关精卵识别以及受精过程方面研究的 详细进展 ,可参看胡适宜最*的综述[58 ] 。 特别是 80 年代中期以来 ,开展了性细胞分离技术的研究并开 辟了植物体外受精系统的实验研究领域 , 已取得了 不少有意义的结果[58~61 ] 。 离体受精的突破有其学 术思想背景与实验技术前提 。 随着雌 、 雄配子分离技 术的成熟 ,研究者预见到配子离体融合指日可待 ,提 出了开展这一研究的设想 。 Kranz 等[62~64 ] 将前人多 方面的成果加以综合 , 在玉米上进行体外受精首先 取得了突破 ,并进一步使人工合子发育成可育植株 。 显然 ,他们所进行的离体受精之成功依赖于雌雄配 子分离 、 单对原生质体融合和微培养等技术的成熟 和发展 。 利用体外受精系统的研究策略 ,已成为当今 被子植物双受精研究众所瞩目的焦点 。 新的研究策 略必将加快对受精作用机理的认识 , 许多未能回答 的问题有望不久在新的水*上得到答案 。 诸如精子 异型性的分子基础是什么 、 配子如何识别 、 什么机制 阻止多精入卵 ,以及导致卵活化的信号传导过程是 如何串联的等等 。 另一方面 ,随着性细胞体外操作技 术的改进和完善 , 预期植物性细胞工程的研究高潮 即将来临 ( 参看杨弘远和周嫦最*的综述[59 ] ) 。 在受精作用发生之前的传粉 , 以及随后花粉管 在花柱中的生长是确保正常情况下受精过程发生的 先决条件 。 在这一过程中 , 花粉与柱头 , 以及生长的 花粉管与花柱细胞之间的信号的相互作用对于调节 柱头对花粉的识别 ,花粉管在柱头中的正常生长 ,以 及将精子送入胚珠 , 起着很重要的作用[65 ] 。 在这方

面 ,自交不亲和性为研究这种识别现象提供了很好 的实验系统 。 在高等植物中 , 已知有 70 科约 250 属 植物中存在自交不亲和 ( SI) 现象 , 这是植物防止* 亲繁殖的一种天然遗传屏障 。 自交不亲和性又可分 为孢子体自交不亲和 ( 如芸苔属等) 和配子体自交不 亲和 ( 如茄科植物金鱼草等) 两类 。 目前的研究集中 于雌蕊和花粉的自交不亲和基因 。 在自交不亲和的 芸苔属植物中 ,已克隆了两个 S 位点柱头专一性的 基因 SLG ( 编码一胞外糖蛋白) 和 SRK ( 编码一位于 膜上的 S 受体激酶) [66 ] 。 在自交不亲和烟草中 ,已发 现花粉管的生长为 S- 核酸酶 ( S- RNase ) 所抑制 , 而 RNase 随不同 S 位点而异 [67 ,68 ] 。 *年对花粉本身涉 及 SI 的组分的研究 , 主要通过分析相应的突变体 , 或是通过纯化与 SLG 和 SRK 结合的蛋白进行 ,但至 今仍没有确切的结果 [69 ] 。 精卵细胞融合形成的合子 , 可以作为植物生活 史的起点 ,随后的生长分化均起始于这一原始细胞 。 合子的第一次分裂通常是不等分裂 , 形成一个顶端 细胞及一个基细胞 。 以模式植物拟南芥菜为例 ,较小 的顶端细胞分裂形成胚体的大部分 , 而较大的基细 胞分裂主要形成胚柄及根的一部分 。 在很多高等植 物中 ,由于受到周围的母体组织和细胞的影响 , 胚 囊、 卵细胞和合子显然均是极性化了的 。 在胚珠中的 合点- 珠孔轴向通常决定了胚胎中顶- 基向纵轴的形 成。 由此可见 ,由母体组织来的信息在合子胚胎发生 中可能起重要的作用 , 可惜对此类信息的性质仍不 清楚 。 由于操作墨角藻 ( Fucus vesiculosu , 一种褐藻 ) 的合子和胚胎的方便 , 已使之成为研究胚胎发育早 期极性建立的一个很好的实验系统 。 因外界环境因 子梯度 ( 如单侧光 , 或两侧光强不同) 的作用而建立 的极性有一个从受精后开始阶段的不稳定 ( 4 ~ 10 h) 到逐步稳定 ( 10 ~ 14 h) 的过程 , 最后建立的极性 在形态上表现出来 ( 14 ~ 18 h) 。 这最终导致胚胎最 初的 2 个细胞的分化 ,背光的形成假根 ,向光的形成 原植体 。 在此过程中已发现一系列细胞生物学上的 变化 ,如见到的第一个稳定的不对称现象是在假根 端首先积累 F- 肌动蛋白 。 合子胞质中 Ca2 + 的浓度梯 度对于维持假根的顶端生长也十分重要 , 如使胞内 的 Ca2 + 浓 度 梯 度 消 失 , 则 假 根 的 形 成 受 到 抑 制 [70 ,71 ] 。 另外 ,利用激光技术对墨角藻二细胞期胚 胎进行显微操作的实验也证实细胞壁在维持这种两 极的生长方式中具有重要的作用[72 ] 。 在培养的胡 萝卜 ( Daucus carota) 细胞的体细胞胚胎发生中也已 发现细胞壁分子的作用 [73 ] 。 墨角藻极性的研究对了

916  

植             物 学 报

41 卷

解其他植物中极性的建立和维持也有重要的意义 。 本世纪以来进行的大量细胞胚胎学及生理生化方面 的研究已为在分子和细胞水*上研究胚胎发生过程 积累了大量的重要资料 。 *年来 , 由于配子分离 、 配 子融合及人工培养合子的成功 , 已使人们可以在离 体条件下观察受精过程中发生的变化 , 并用分离的 卵细胞和离体受精的合子建立 cDNA 文库 , 来研究 受精和早期胚胎发生过程中的基因表达 ( 参看文献 [ 59 , 74 ] ) 。 此外 , 由于从拟南芥菜中已筛选到无需 受精过程即形成胚的突变体 fis [75 ] , 以及同样无需 受精即形成胚乳的突变体 fie [76 ] , 这将有助于研究 启动原胚及胚乳形成的分子机理 , 在无融合生殖研 究方面也有很大的意义 。 利用突变体来研究胚胎发生的分子机理已成为 当前研究胚胎发生分子生物学的主流 , 即所谓的遗 传剖析法 ( genetic dissection) [77 ] 。 至今从拟南芥菜 、 豌 豆、 、 水稻 玉米中分离到一批与胚胎发育有关的突变 体 ,其中拟南芥菜就有 300 多个 , 水稻也有 180 多 个。 然而 ,在研究过的拟南芥菜胚胎发育突变体中 , 不少基因涉及到的是基本的细胞功能 , 所以可能并 不起直接的调控作用 。 另一类基因在胚胎发育的模 式形成中起重要作用 , 但其作用并非专一发生于胚 胎发生过程中 , 如 GN 、 KNOLL E 基因 。 再有一类基 因 , 如 S TM 和 SCARECROW , 在茎尖和根尖分生组织 的功能中起着关键的作用 , 所以它们也不仅在胚胎 发生过程中需要 。 原位杂交的结果表明 S TM mRNA 在野生型胚形成 SAM 之前即已出现 ,并仅在那些将 形成胚的 SAM 的细胞中积累 ,在其周围的区域形成 子叶原基 [3 ] 。 S TM 基因相反 ,AN T 在形成子叶原 与 基的部位表达 [ 78 ] 。 T 基因也为花的发育所需要 , AN 它事实上在花器官的原基 、 子叶和叶中表达 。 还有一 大类基因主要是在胚胎成熟过程中表达的 ,其功能 即限于胚胎发育的后期 , 如 ABI3 。 在已克隆的基因中 , 仅 GN 基因影响到胚胎的 顶- 基极性 。 突变体的合子第一次分裂不再是不 gn 等分裂 ,结果形成的顶端细胞和基细胞大小相似 ,最 后形成胚胎的顶- 基轴向的样式 ( apical- basal pattern) 发生变化 , 无根和下胚轴 , 子叶的形态也发生改变 ( 变短 、 加厚 , 不少情况中子叶连成筒状) 。 基因 GN 已经克隆 ,并发现此基因在幼苗和成熟组织中也表 达 ,其功能不限于影响细胞分裂的方向和次数 ,还影 响细胞的伸长及胞间的连结[79 ] 。 此基因的序列与酵 母的两个蛋白 Gea1p 和 Gea2p 有同源性 , 这些蛋白 在酵母中参与内质网和高尔基体之间囊泡的运输 ,

所以推测 G 蛋白也参与囊泡的定向运输 , 还可能 N 与胚胎的顶- 基轴向极性的稳定有关[22 ] 。 在拟南芥 菜中已克隆 A TML 1 (Arabidopsis thaliana meristem layer 1) 基因 ,它属于一类新的同源异型基因 ,已观察到其 mRNA 仅在合子第一次不对称分裂后形成的顶端细 胞中积累 , 而在基细胞中则没有 。 TML 1 在八细胞 A 胚期的每个细胞中均表达 。 以后随切向分裂 , 其表达 仅限于原表皮层 。 发育到鱼雷胚 , A TML 1 mRNA 消 失 ,但在成熟胚的茎端分生组织的 L1 层细胞中又重 新出现 。 可以认为对于调控细胞特化和模式形成过 程所必需的位置信息 ( positional information ) 的形态 发生边界的建立 , A TML 1 基因具有重要的作用 。 同 时 , 它也为植物胚胎发生的早期过程提供了一个很 好的分子标记 [ 80 ] 。 Knolle 基因突变干扰拟南芥菜早 期胚胎发育过程中原表皮与内部的细胞之间分化 , 这一情况与不完全的细胞分裂有关 , 该基因的克隆 表明它编码一 syntaxin 类蛋白 ,后者为细胞板形成所 必需 [81 ] 。 拟南芥菜的 L EC1 (L EA FY COTYL EDON 1 ) 基因为子叶的特化以及胚胎成熟所需。 克隆的 L EC1 基因表明它编码一转录因子同源物 ( CCAAT 盒结合 因子 HAP3 亚基) ,并发现其在胚胎发育的早期即高 表达 。 用转基因植物异位表达的结果导致在体细胞 中胚胎特异基因的表达 ,并产生类似胚胎的结构 ,说 明 L EC1 是胚胎发育的一种重要调控因子 , 它活化 为胚胎发生以及细胞分化所必需基因的表达[82 ] 。 胚胎发育中的形态建成是指胚胎发生过程中器 官和器官原基的形成过程 , 这可看作伴随细胞分裂 在胚胎中产生的一系列区域或功能上的分化过程 。 Meyer 等 [83 ] 曾把植物胚胎在纵向上区分成 3 个区 域 : 上区包括子叶 、 上胚轴和顶端生长点 ; 中区包括 下胚轴 ; 下区包括根生长点和根冠 。 他们认为这 3 个 区域分别由不同的基因控制 。 相关的拟南芥菜突变 体已经发现 , 如 GURKE ( GK) 基因突变 , 使茎尖分生 组织和子叶缺失 , 顶端成为一团无组织结构的绿色 细胞 , 失去顶端的结构 。 MONOPTEROS ( M P) 基因突 变导致胚根和下胚轴同时缺失。 但这些基因的确切 功能仍有待相应基因的克隆 。 新* , M P 基因的克隆 表明该基因编码一具转录因子特征的蛋白 , 根据其 结构以及表达的特性 , 此基因很可能通过对生长素 应答来调控植物细胞的轴向生长特性 , 从而影响胚 胎发育的模式形成以及维管组织的发育[ 84 ] 。 胡萝卜的体细胞胚胎发生系统为人们提供了不 少证据说明在体细胞胚胎发生的早期过程中信息分 子的重要作用 , 如 Nod 因子 ( 含有 N-acetylglucosea2

9期

许智宏 : 植物发育与生殖的研究 : 进展和展望

 

917

mine 的脂多糖) 和释放到培养基中的内切几丁质酶 EP3 均能使胡萝卜温度敏感型 ts11 的停止在球形期

究无疑将成为今后植物生殖和发育研究的发展趋 势。 致谢   作者感谢杨弘远院士 、 胡适宜教授所提供的 资料及宝贵意见和讨论 ; 并感谢种康博士协助稿件 和文献的编排和打印 。 Author thanks Professor Y ANG Hong- Yuan (Academician of the CAS) and Professor HU
Shi- Y for their comments and discussion , and Dr. i CHONG Kang for his help in preparation of the manuscript .

的体细胞胚进一步发育 。 由胡萝卜的细胞培养 物克隆了 S ERK 基因 , 其蛋白质的氨基酸序列相当 于含 Leucine- rich repeat 的受体激酶 。 说明该基因的 作用发生在胚胎发生的很早时期的信息传递途径 中 [87 ] 。 观察表明体细胞胚由表达 S ERK 基因的细胞 形成 ,该基因表达在球形胚期后即停止 。 而在植物 中 ,该基因仅在合子胚到球形胚期早期表达 。 对于早期胚胎的分化发育 , 导致细胞分化的有 关调控细胞分裂及其方向 、 细胞间的信息交换的基 因显然起着重要的作用 。 问题在于 ,如果一个基因的 突变对形态发生产生了很大的影响 , 此时如果没有 对此过程的各个方面有一定的了解 , 很难根据表型 的变化去推断此基因是如何发挥其功能的 。 在植物 胚胎发育的分子机理的研究方面 ,正是如此 。

[85 ,86 ]









6  展望
分子生物学和遗传学的进展 , 已使人们可以在 分子和细胞水*上研究发育这一十分复杂的生命现 象。 在植物的发育生物学的研究中 ,由于模式植物拟 南芥菜和金鱼草的研究已使植物发育生物学的研究 面貌一新 ,特别是一系列调控基因的发现和克隆 ,以 及对其功能的研究 , 为了解植物发育过程及其调控 机理增加了大量新的知识 。 由于篇幅所限 ,本文未太 多涉及植物激素方面研究的进展 。 对植物激素合成 途径 、 激素合成基因的克隆 、 激素作用的分子机理的 研究 ,特别是激素在信号传导中的作用 ,同样也为我 们了解激素在发育调控中的作用提供了扎实的基 础 [88 ] 。 所有这些 , 加上在生殖细胞操作及细胞培养 方面发展起来的各种技术 , 无疑也为人们利用遗传 操作的手段来调控植物的生殖发育过程 , 进一步提 高作物的产量和品质改良积累了不少必要的技术基 础。 水稻和拟南芥菜等多种植物的基因组研究计划 正在为人们在整体上了解参与植物生殖和发育的基 因的资料及其作用网络和机制提供前所未有的机 会。 植物体作为一个完整的协调的整体 , 细胞内 、 细 胞间及远距离器官和组织的信息传导在决定细胞分 化及发育命运方面具有重要的作用 , 而在细胞分裂 ( 包括减数分裂) 和细胞分化的调控 、 细胞识别 、 发育 中的信号传导 、 编程死亡在植物发育中的作用 ,乃至 在分子水*上植物激素对发育过程的调控等诸多方 面 ,仍还有不少问题需要研究 。 这种多层次的综合研

1  Laux T ,Mayer K F X , Berger J , J rgens G. The WUSCHEL gene is required for shoot and floral meristem integrity in Ara2 bidopsis . Development , 1996 , 122 :87~96 2  Endrizzi K, Moussian B , Haecker A , Levin J Z , Laux T. The SHOOT MERIS TEML ESS gene is required for maintenance of undifferentiated cells in Arabidopsis shoot and floral meristems and acts at a different regulatory level than the meristem genes WUSCHEL and ZWILL E. Plant J , 1996 , 10 :967~979 3  Long J A , Moan E I , Medford J I , Barton M K. A member of the K NOTTED class of homeodomain proteins encoded by the S TM gene of Arabidopsis . Nature , 1996 , 379 :66~69 4  Clark S E , Jacobsen S E , Levin J Z , Meyerowitz E M. The CLAVATA and SHOOT MERIS TEML ESS loci competitively regulate meristem activity in Arabidopsis . Development , 1996 , 122 :1567~1575 5  Laux T , Schoof H. Maintaining the shoot meristem-the role of Clavata 1. Trends Plant Sci , 1997 , 2 :325~363 6  Williams R W , Wilson J M , Meyerowitz E M. A possible role for kinase- associated protein phosphatase in the Arabidopsis CLAVATA 1 signaling pathway. Proc Natl Acad Sci USA , 1997 , 94 :1067~1072 7  Aida M , Ishida T , Fukaki H , Fujisawa H , Tasaka M. Genes involved in organ separation in Arabidopsis : an analysis of the cup- shaped cotyleden mutant. Plant Cell , 1997 , 9 :841~857 8  Souer E , Van Houwelingen A , K loos D , Mol J , K R. The oes no apical meristem gene of Petunia is required for pattern for2 mation in embryos and flowers and is expressed at meristem and primodia boundaried. Cell , 1996 , 85 :159~170 9  Poethig R S. Leaf morphogenesis in flowering plants. Plant Cell , 1997 , 9 :1077~1087 10  Hareven D , Gutfinger T , Parnis A , Eshed Y, Lifschitz E. The making of a compound leaf : genetic manipulation of leaf archi2 tecture in tomato. Cell , 1996 , 84 :735~744 11   C M , Xu Z H , Chua N H. Auxin polar transport is essen2 Liu tial for the establishment of bilateral symmetry during early plant embryogenesis. Plant Cell , 1993 , 5 :621~630 12   Z H ( 许智宏) . Auxin polar transport and its role in regu2 Xu lation of plant development. Chin Bull Life Sci ( 生命科学 ) , 1998 ,10 (2) : 50~54 (in Chinese) 13  Palme K. Auxin action- novel insights. In : Dean J F D ed. Book of Abstracts , 5th Intern. Congress of Plant Mol Biol Sin2

918  

植             物 学 报

41 卷

gapore. Dordrecht : K luwer Acad Publ , 1997. No. 169. 14  Galweiler L , Guan C , Muller A , Wisman E , Mendgen K, Yephremov A , Palme K. Regulation of polar auxin transport by At PIN 1 in Arabidopsis vascular tissue. Science , 1998 , 282 :2226~2230 15  Zhang H , Forde B G. An Arabidopsis MADS box gene that controls nutrient-induced changes is not architecture. Science , 1998 , 279 :407~409 16   Schiefelbein J W , Masucci J D , Wang H. Building a root : the control of patterning and morphogenesis during root develop2 ment. Plant Cell , 1997 , 9 :1089~1098 17  Van den Berg C , Willemsen V , Hendriks G, Weisbeek P , Scheres B. Short- range control of cell differentiation in Ara2 bidopsis root meristem. Nature , 1997 , 390 :287~289 18   Laux T , Jurgens G. Embryogenesis : a new start in life. Plant Cell , 1997 , 9 :989~1000 19   Bernier G. The control of floral evocation and morphogenesis. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol , 1988 , 39 :175~219 20  K oornneef M , Alonso-Blanco C , Peeters A J M , Soppe W. Genetic control of flowering time in Arabidopsis. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol , 1998 , 49 :345~370 21   Weller J L , Reid J B , Taylor S A , Murfet I C. The genetic control of flowering in pea. Trends Plant Sci , 1997 , 2 :412~ 418 22   Snape J W , Quarrie S A , Laurie D A. Comparative mapping and its use for the genetic analysis of agronomic characters in wheat. Euphytica , 1996 , 89 :27~31 23   Levy Y Y, Dean C. Control of flowering time. Curr Opinion Plant Biol , 1998 , 1 :49~54 24   Weigel D. From floral induction to floral shape. Curr Opinion Plant Biol , 1998 , 1 :55~59 25   Levy Y Y, Dean C. The transition to flowering. Plant Cell , 1998 , 10 :1973~1990 26   Ratcliffe O J , Amaya I , Vincent C A , Rothstein S , Carpenter R , Coen E S , Bradley D J . A common mechanism controls the life cycle and architecture of plants. Development , 1998 , 125 : 1609~1615 27  G oodrich J , Puangsomlee P , Martin M , Long D , Meyerowitz E M , Coupland G. A Polycomb- group gene regulates homeotic gene expression in Arabidopsis . Nature , 1997 , 386 :44~51 28   Simon R , Igeno M I , Coupland G. Activation of floral meris2 tem identity genes in Arabidopsis. Nature , 1996 , 384 :59~62 29   Bagnall D J , K R W , Whitelam G C , Boylan M T , Wagner ing D , Quail P H. Flowering responses to altered expression of phytochrome in mutants and transgenic lines of Arabidopsis thaliana ( L. ) Heynh. Plant Physiol , 1995 , 108 : 1495 ~ 1503 30  Nilsson O , Weigel D. Modulating the timing of flowering. Curr Opinion Biotechnol , 1997 , 8 :195~199 31  Halliday K J , Thomas B , Whitelam G C. Expression of het2 erologous phytochromes A , B or C in transgenic tobacco plants alters vegetative development and flowering time. Plant J , 1997 , 12 :1079~1090 32  Yeh K C , Wu S H , Murphy J T , Lagarias J C. A cyanobacte2 rial phytochrome two- component light sensory system. Science , 1997 , 277 :1505~1508 33  Elich T D , Chory J . Phytochrome : If it looks and smells like a

histidine kinase , is it a histidine kinase ? Cell , 1997 , 91 :713 ~716 34  Guo H , Yang H , Mockder T C , Lin C. Regulation of flower2 ing time by Arabidopsis photoreceptors. Science , 1998 , 279 : 1360~1363 35   Zeevaart J A D. Flower formation as studied by grafting. Med2 ed Langbouwhogesch Wageningen , 1958 , 58 :1~88 36   McDaniel C N , Hartnett L K. Flowering as metamorphosis :two sequential signals regulate floral initiation in Lolium temulen2 tum . Development , 1996 , 122 :3661~3668 37  Kania T , Russenberger D , Peng S , Apel K, Melzer S. FPF1 promotes flowering in Arabidopsis . Plant Cell , 1997 ,9 :1327~ 1338 38  Irish E , Jegula D. Regulation of extent of vegetative develop2 ment of the maize shoot meristem. Plant J , 1997 , 11 :63~71 39   Colasanti J , Yuan Z , Sundaresan V. The indeterminate gene encodes a zinc finger protein and regulates a leaf2generated sig2 nal required for the transition to flowering in maize. Cell , 1998 , 93 :593~603 40   Burn J E , Bagnall D J , Metzger J D , Dennis E S , Peacock W J . DNA methylation , vernalization , and the initiation of flow2 ering. Proc Natl Acad Sci USA , 1993 , 90 :287~291 41   Finnegan E J , Genger R K, K ovac K, Peacock W J , Dennis E S. DNA methylation and the promotion of flowering by ver2 nalization. Proc Natl Acad Sci USA , 1998 , 95 :5824~5829 42   Chandler J , Wilson A , Dean C. Arabidopsis mutants showing an altered response to vernalization. Plant J , 1996 , 10 :637~ 644 43   Chong K ( 种 康 ) , Tan K H ( 谭 克 辉 ) , Huang H2L ( 黄 华 2 木 ) , Liang H2G( 梁厚果) . Molecular cloning of a cDNA re2 梁 lated to vernalization in winter wheat. Sci China ( Ser? ) ( 中 B 国科学 ? 辑 ) ,1994 ,24 : 964 ~ 970 ( in Chinese ) ; 1995 , B 38 :799~806 (in English) 44  Chong K, Wang L P , Tan K H , Huang H L , Liang H G. Molecular cloning and characterization of vernalization- related (ver) genes in winter wheat. Physiol Plant , 1994 ,92 :511 ~ 515 45   Chong K, Bao S L , Xu T , Tan K H , Liang T B , Zeng J Z , Huang H L , Xu J , Xu Z H. Functional analysis of the ver gene using antisense transgenic wheat. Physiol Plant , 1998 , 102 :87~92 46  Y ong W-D ( 雍伟东 ) , Chong K ( 种康 ) , Liang T ( 梁 铁 -B 兵) , Xu Z- H ( 许智宏 ) , Tan K H ( 谭克辉 ) , Zhu Z-Q ( 朱 至清 ) . Cloning and characterization of vernalization related gene ( ver203 F) cDNA 3′ end. Chin Sci Bull ( 科学通报 ) , 1999 , 44 :623~627 (in Chinese) 47  Weigel D , Nilsson O. A developmental switch sufficient for flower initiation in diverse plants. Nature , 1995 , 377 : 495 ~ 500 48   Mandel M A , Yanofsky M F. A gene triggering flower develop2 ment in Arabidopsis. Nature , 1995 , 377 :522~524 49   Coen E S , Meyerowitz E M. The war of the whorls : Genetic in2 teractions controlling flower development. Nature , 1991 , 63 : 1311~1322 50   Coen E S , Carpenter R. The metamorphosis of flowers. Plant Cell , 1998 , 5 :1175~1181 51   Angenent G C , Fanken J , Busscher M , Van Dijiken A , Van

9期

许智宏 : 植物发育与生殖的研究 : 进展和展望

 

919

Went J L , Does H J M , Van Tunen A J . A novel class of MADS box genes is involved in ovule development in petunia. Plant Cell , 1995 , 7 :1569~1582 52   Schneitz K. The molecular and genetic control of ovule devel2 opment. Curr Opinion Plant Biol , 1999 , 2 :13~17 53  Huala E , Sussex I M. LEAFY interacts with floral homeotic genes to regulate Arabidopsis floral development. Plant Cell , 1992 , 4 :901~913 54   Luo D , Carpenter R , Vincent C , Copsey L , Coen E S. Origin of floral asymmetry in Antirrhinum . Nature , 1996 , 383 :794~ 799 55   Doebley J , Stec A , Hubbard L. The evolution of apical domi2 nance in maize. Nature , 1997 , 386 :485~488 56  Robert W M , Sablowski P , Meyerowitz E M. A homolog of NO A PICAL MERIS TEM is an immediate target of the floral homeotic genes A PETALA3 / PIS TILATa . Cell , 1998 , 92 :93 ~103 57   Maheshwari P. An Introduction to the Embryology of An2 giosperms. New Y :McGraw- Hill , 1950. ork 58  Hu S- Y( 胡适宜) . Centenary on S. G. Nawaschin’ s discovery of double fertilization : retrospects and prospects. Acta Bot Sin ( 植物学报) ,1998 , 40 :1~13 (in Chinese) 59  Yang H- Y( 杨弘远) , Zhou C ( 周嫦) . Recent advances in in vitro fertilization and zygote culture of angiosperms. Acta Bot Sin ( 植物学报) ,1998 , 40 :95~101 (in Chinese) 60   Chasan R. Frontiers in fertilization. Plant Cell , 1992 , 4 :369 ~371 61   Faure J E , Aldon D , Rougier M , Dumas C. Emerging data on pollen tube growth and fertilization in flowering plants , 1990~ 1995. Protoplasma , 1996 ,193 :132~143 62  Kranz E , Bautor J , Lorz H. In vitro fertilization of single , iso2 lated gametes , transmission of cytoplasmic organelles and cell reconstitution of maize ( Zea mays L. ) . In :Nijkamp H J J ed. Progress in Plant Cellular and Molecular Biology. Dordrecht : K luwer Acad Publ , 1990. 252~257 63  Kranz E , Bautor J , Lorz H. In vitro fertilization of single , iso2 lated gametes of maize mediated by electrofusion. Sex Plant Reprod , 1991 , 4 :12~16 64  Kranz E , Lorz H. In vitro fertilization with isolated , single ga2 metes results in zygotic embryogenesis and fertile maize plants. Plant Cell , 1993 , 5 :739~746 65   Y ( 薛勇彪) . Pollination and fertilization in higher plants Xu -B and their molecular basis. In : Xu Z H ( 许智宏 ) , Liu C-M (刘春 明 ) eds. Molecular Mechanism of Plant Development ( Chapter 2) . Beijing : Science Press , 1998. 23~38 (in Chi2 nese) 66   Nasrallah J B. Signal perception and response in the interac2 tions of self-incompatibility in Brassica. Essays Biochem , 1997 , 32 :143~160 67   Dodds P N , Clarke A E , Newbigin E. A molecular perspective on pollination in flowering plants. Cell , 1996 , 85 :141~144 68   Lee H S , Huang S , Kao T. S proteins control rejection of in2 compatible pollen in Petunia inflata . Nature , 1994 , 367 :560 ~563 69  Wilhelmi L K, Preeuss D. The mating game :pollination and fertilization in flowering plants. Curr Opinion Plant Biol , 1999 , 2 :18~22

70  G oodner B , Quatrano R S. Fucus embryogenesis :A model to study the establishment of polarity. Plant Cell , 1993 ,5 : 1471 ~1481 71  Knopf D L. Induction of polarity in fucoid zygotes. Plant Cell , 1997 , 9 :1011~1020 72   Berger F , Taylor A , Brownlee C. Cell fate determination by the cell wall in early fucus development. Science , 1994 ,263 : 1421~1423 73   Pennell R I , Cronk Q C B , Forsberg L S , Stohr C , Snogerup S, K jellbom P , McCabe P F. Cell- contex signalling. Philos Trans R Soc Lond Biol Sci , 1995 , 350 :87~93 74   Sauter M , Von Weigen P , Lorz E. Cell cycle regulatory genes from maize are differentially controlled during fertilization and embryonic cell division. Sex Plant Reprod , 1998 , 11 :41~48 75  Chaudhury A M , Ming L , Miller C , Craig S , Dennis E S , Peacock W J . Fertilization-independent seed development in Arabidopsis thaliana . Proc Natl Acad Sci USA , 1997 , 94 : 4223~4228 76   Ohad N , Margossian L , Hsu Y, Williams C , Repetti P , Fis2 cher R L. A mutation that allows endosperm development with2 out fertilization. Proc Natl Acad Sci USA , 1996 , 93 : 5319 ~ 5324 77   Liu C-M ( 刘春明 ) , Xu Z H ( 许智宏 ) . Molecular genetic analysis on embryo development. In : Xu Z H ( 许智宏 ) , Liu C-M ( 刘春明 ) eds. Molecular Mechanism of Plant Develop2 ment ( Chapter 4) . Beijing :Science Press ,1998. 54~71 ( in Chinese) 78  Elliott R C , Betzner A S , Huttner E , Oakas M P , Tucker W Q J , Genentes D , Peroz P , Smyth D R. AINTEGUMENTA , an A PETALA2 - like gene of Arabidopsis with pleiotropic role in ovule development and floral organ growth. Plant Cell , 1996 , 8 :155~168 79   Shevell D E , Leu W M , G illmor C S , Xia G, Feldmann K A , Chua N H. EMB30 is essential for normal cell division , cell expansion and cell adhesion in Arabidopsis and encodes a pro2 tein that has similarity to Sec7. Cell , 1994 , 77 :1051~1062 80   P , Porat R , Nadeau J A , O’ Neill S D. Identification of a Lu meristem L 1 layer- specific gene in Arabidopsis that is ex2 pressed during embryonic pattern formation and defines a new class of homeobox genes. Plant Cell , 1996 , 8 :2155~2168 81   Lukowitz W , Mayer U , Jurgens G. Cytokinesis in the Ara2 bidopsis embryo involves the syntaxin- related KNOLL E gene product. Cell , 1996 , 84 :61~71 82   Lotan T , Ohto M-A , Yee KM , West M A L , Lo R , K wong R W , Yamagishi K, Fischer R L , G oldberg R B , Harada J J . Arabidopsis LEAFY COTY LEDON 1 is sufficient to induce em2 bryo development in vegetative cells. Cell , 1998 , 93 :1195~ 1205 83   Mayer U , T orres Rtuis R A T , Berleth T , Misera S , J ü rgens G. Mutation affecting body organization in the Arabidopsis em2 bryo. Nature , 1991 , 353 :402~407 84  Hardtke C S , Berleth T. The Arabidopsis gene MONOPTEROS encodes a transcription factor mediating embryo axis formation and vascular development. EMBO J , 1998 , 17 :1045~1411 85   Jong A J , Corderwener J , Lo Schiavo F , Terzi M , Vandek2 De erckhove J , Van Kammen A , de Vries S C. A carrot somatic embryo mutant is rescued by chitinase. Plant Cell , 1992 , 4 :

920  

植             物 学 报

41 卷

425~433 86   Jong A J , Heidstra R , Spaink H P , Hartog M V , Meijer E De A , Hendriks T , Lo Schiavo F , Terzi M , Bisseling T , Van Kammen A , de Vries S C. Rhizobium lipooligosaccharides res2 cue a carrot somatic embryo mutant. Plant Cell , 1993 , 5 :615 ~620

87   Schmidt E D L , Guzzo F , T oonen M A J , de Vries S C. A leucine- rich repeat containing receptor-like kinase marks so2 matic plant cells competent to form embryos. Development , 1997 , 124 :2049~2062 88  Kende H , Zeevaart J A D. The five “classical ”plant hor2 mones. Plant Cell , 1997 , 9 :1197~1210


相关推荐

最新更新

猜你喜欢