百日草細胞分化為管狀分子研究范文

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《河北科技師范學院學報》2016年第4期

摘要:概述了植物細胞分化的模式系統———管狀分子分化實驗系統的建立以及基于該系統的管狀分子分化的生理學、細胞學、生物化學和分子生物學等方面的研究進展，并對今后的研究方向進行了展望。

關鍵詞:百日草;次生細胞壁;細胞分化;管狀分子

管狀分子(TraehearyElements，TEs)是維管植物木質部內導管和管胞的總稱，皆為長柱狀細胞，次生壁木質化，成熟后均缺乏原生質體，其功能是輸導水分、礦質元素和機械支持作用。導管和管胞差別是，管胞無穿孔，管胞間壁僅有具緣紋孔，借以實現物質轉運;而導管分子間的某些區域具有穿孔，多個導管分子通過末端的穿孔連接形成一個長的管道，即導管，與管胞相比，其輸導能力大大增強。管狀分子來源于形成層，由形成層細胞經過細胞擴增、次生壁沉積、胞內物質自溶、形成端壁穿孔等步驟而形成。管狀分子分化已被作為植物細胞分化的模式系統，在形態結構、生化和分子組成、發育及生理功能上都具有明顯的特點，是植物解剖學、發育生物學和細胞生物學的研究熱點之一。多年來，各國學者建立了整體實驗系統和離體實驗系統，對管狀分子的形態解剖學、生理學以及分子機制進行了一定的研究。其中，百日草(ZinniaelegansJacq．)葉肉細胞離體培養系統是目前分化效果最好的實驗系統，人們利用該系統開創性地研究了離體條件下管狀分子分化的基本過程，并對管狀分子分化的細胞學、生理學、生物化學和分子生物學進行了卓有成效的研究。筆者擬對30多年來人們利用百日草葉肉細胞離體培養系統的研究成果進行概述，為進一步闡明管狀分子分化機制提供基礎。

1離體實驗系統的建立

因為管狀分子形態隨著分化進程而發生顯著變化，其中包括環紋、螺紋和網紋次生細胞壁(SCW)的形成以及自溶作用。所以，管狀分子分化被認為是植物細胞分化的模式系統。然而，大多數早期關于分化的研究，采用的是多細胞系統，這樣的系統包含幾種作為起始材料的細胞類型，為追蹤單個細胞分化過程帶來了困難。Kohlenbach和Schmidt發現，以機械法分離的單個百日草葉肉細胞可直接分化為管狀分子，這促使Fukuda和Komamine在此基礎上，建立了一個有效的、高頻分化的實驗系統。該系統已被全世界許多實驗室廣泛應用，有時根據特定情況僅僅對一些細節進行了修改。用液體介質浸漬百日草葉片，研磨后，以小網眼篩過濾，液體介質反復漂洗懸浮液，分離得到單個葉肉細胞。要注意:(1)材料要適當。取幼苗第一對葉，而非成年植物最嫩的葉片。(2)條件要適當。旋轉培養轉速為10r/min，0．3～0．4mol/L山梨醇調節滲透壓，生長調節劑為0．1mg/La-萘乙酸(NAA)和1mg/L6-芐基腺嘌呤(6-BA)，起始細胞濃度為(0．4～3．8)×108細胞/L。這樣，幾乎30%分離葉肉細胞，在適當的離體培養條件下，可半同步地分化為管狀分子。

2細胞學、生理學和生物化學方面的研究

百日草實驗系統的建立促進了管狀分子分化諸多方面的研究。初步的細胞學和生理學研究表明，細胞分裂不是管狀分子分化的前提條件，而一些DNA合成在分化中發揮重要作用;以肌動蛋白依賴的微管重組，限定了次生細胞壁的特有格局;分化過程是動態的，細胞變化表現在次生細胞壁沉積前細胞器數量的增加，次生細胞壁沉積開始不久次生細胞壁木質化啟動，原生質體逐漸自溶，初生壁非木質化部分的局部水解，分化過程終止。另外，百日草系統已清晰地證明，管狀分子分化受植物激素諸如生長素、細胞分裂素、油菜素內酯、赤霉素、一氧化氮、乙烯、信號肽(例如CLE肽、木質素、植物磺肽素)的調控;另外，大量生化和免疫學研究，揭示了細胞壁成分諸如纖維素、木聚糖、木質素和其他次生壁特有分子的變化，以及自溶過程中的各種事件，諸如蛋白質和核酸的降解等。

3相關基因的鑒定與描述

人們也用分子生物學方法，進一步分析了百日草實驗系統中管狀分子分化的分子機制。運用同源克隆法(例如，核酸酶ZEN1，肉桂醇脫氫酶和過氧物酶，b-微管蛋白，油菜素內酯合成酶和Rho/RacsmallGTPases)，差示篩選法(例如，分化標記，管狀分子分化相關的(TED)2-4(Tra-chearyElementDifferentiation-related(TED)2-4)，果膠裂解酶)，消減雜交法(例如，核糖核酸酶及分化標記、蛋白酶和木質素合成酶)、全面的轉錄組分析微陣列和cDNA-AFLP，分別鑒定了許多與編碼管狀分子特定事件相關蛋白質的cDNA，和限定管狀分子分化特定階段的標記蛋白。因為百日草轉化方法尚不穩定，所以其分離基因的功能分析受到很大制約(例如，果膠裂解酶ZePel，TED4，過氧物酶ZPO-C)。然而，最近，通過基因槍法和電穿孔轉染法，瞬間將基因或雙鏈RNAs導入百日草細胞，成功地描述了其他基因的功能，這可能為管狀分子分化相關基因功能的分析提供了有益的線索。

4其他植物的研究

在利用百日草實驗系統，研究管狀分子分化調控的基礎上，建立了擬南芥人工培養細胞的管狀分子分化系統，該系統在油菜素內酯調控下，有30%～50%繼代細胞分化為管狀分子。后續的基因芯片分析表明，多數擬南芥基因在管狀分子分化期間特異表達，這些基因包括編碼植物特定NAC-do-main轉錄因子VND1-7的基因家族，借以最終揭示長久以來尋找的管狀分子分化的轉錄開關。在某些植物和人工培養細胞中，VND基因被作為管狀分子異常分化的有效誘導物。

5待解決的問題和未來研究展望

管狀分子分化百日草葉肉細胞離體實驗系統的研究在草本植物中廣泛展開。該系統為誘導和促進管狀分子分化的研究建立了有效的平臺，并獲得了一些關鍵基因和調節因子，初步揭示了管狀分子分化的機制，為在單細胞水平上認識細胞分化和轉分化途徑、分化過程影響因素提供了可能，但復雜、精確的分子機制的構建仍需進一步研究。

(1)管狀分子分化具有復雜的時空特異性，調控網絡綜合而龐大，雖然生長素和細胞分裂素是管狀分子分化的基本調節激素，已有學者對2者進行了大量研究并取得一定的成果，但是其他激素諸如赤霉素、乙烯、脫落酸、油菜素內酯等作用效果研究資料極少，所以，植物激素作用機制的研究尚未明確。

(2)管狀分子分化是植物細胞凋亡的典型例子，成熟的管狀分子喪失了細胞核和細胞內容物，成為死的、中空的管狀細胞。目前對管狀分子細胞凋亡的信號轉導途徑知之甚少，需要進一步探索。

(3)以草本植物百日草，甚至擬南芥為材料得到的管狀分子分化的初步機制，是否適合木本植物，尚需驗證。

(4)雖然百日草系統較為成熟，管狀分子分化率和同步性較高，但隨著研究的深入，仍需進一步改進和優化游離單細胞的離體培養方法，摸索分化的最佳條件，提高分化率和同步性。

(5)未來需要綜合利用分子生物學、細胞生物學、生物信息學和系統生物學的研究方法，從多角度、多層次、多學科開展研究工作，結合模式植物擬南芥實驗系統和實驗植物分子遺傳學，在不久的將來有可能全面闡明管狀分子分化的機制。

作者：李娜；白蘭；郭學民 單位：河北科技師范學院生命科技學院