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(tǒng)———管狀分子分化實驗系統(tǒng)的建立以及基于該系統(tǒng)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(guān)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(zhì)部內(nèi)導(dǎo)管和管胞的總稱，皆為長柱狀細胞，次生壁木質(zhì)化，成熟后均缺乏原生質(zhì)體，其功能是輸導(dǎo)水分、礦質(zhì)元素和機械支持作用。導(dǎo)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(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)運;而導(dǎo)管分子間的某些區(qū)域具有穿孔，多個導(dǎo)管分子通過末端的穿孔連接形成一個長的管道，即導(dǎo)管，與管胞相比，其輸導(dǎo)能力大大增強。管狀分子來源于形成層，由形成層細胞經(jīng)過細胞擴增、次生壁沉積、胞內(nèi)物質(zhì)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(tǒng)，在形態(tài)結(jié)構(gòu)、生化和分子組成、發(fā)育及生理功能上都具有明顯的特點，是植物解剖學、發(fā)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(tǒng)和離體實驗系統(tǒng)，對管狀分子的形態(tài)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(yǎng)系統(tǒng)是目前分化效果最好的實驗系統(tǒng)，人們利用該系統(tǒng)開創(chuàng)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(yǎng)系統(tǒng)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(chǔ)。

1離體實驗系統(tǒng)的建立

因為管狀分子形態(tài)隨著分化進程而發(fā)生顯著變化，其中包括環(huán)紋、螺紋和網(wǎng)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(tǒng)。然而，大多數(shù)早期關(guān)于分化的研究，采用的是多細胞系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)，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(chǔ)上，建立了一個有效的、高頻分化的實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)已被全世界許多實驗室廣泛應(yīng)用，有時根據(jù)特定情況僅僅對一些細節(jié)進行了修改。用液體介質(zhì)浸漬百日草葉片，研磨后，以小網(wǎng)眼篩過濾，液體介質(zhì)反復(fù)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(zhuǎn)培養(yǎng)轉(zhuǎn)速為10r/min，0．3～0．4mol/L山梨醇調(diào)節(jié)滲透壓，生長調(diào)節(jié)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?shù)碾x體培養(yǎng)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(tǒng)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(fā)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(tài)的，細胞變化表現(xiàn)在次生細胞壁沉積前細胞器數(shù)量的增加，次生細胞壁沉積開始不久次生細胞壁木質(zhì)化啟動，原生質(zhì)體逐漸自溶，初生壁非木質(zhì)化部分的局部水解，分化過程終止。另外，百日草系統(tǒng)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(nèi)酯、赤霉素、一氧化氮、乙烯、信號肽(例如CLE肽、木質(zhì)素、植物磺肽素)的調(diào)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(zhì)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(zhì)和核酸的降解等。

3相關(guān)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(tǒng)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(nèi)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(guān)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(zhì)素合成酶)、全面的轉(zhuǎn)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(guān)蛋白質(zhì)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(zhuǎn)化方法尚不穩(wěn)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(zhuǎn)染法，瞬間將基因或雙鏈RNAs導(dǎo)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(guān)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(tǒng)，研究管狀分子分化調(diào)控的基礎(chǔ)上，建立了擬南芥人工培養(yǎng)細胞的管狀分子分化系統(tǒng)，該系統(tǒng)在油菜素內(nèi)酯調(diào)控下，有30%～50%繼代細胞分化為管狀分子。后續(xù)的基因芯片分析表明，多數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)錄開關(guān)。在某些植物和人工培養(yǎng)細胞中，VND基因被作為管狀分子異常分化的有效誘導(dǎo)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(tǒng)的研究在草本植物中廣泛展開。該系統(tǒng)為誘導(dǎo)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(guān)鍵基因和調(diào)節(jié)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(zhuǎn)分化途徑、分化過程影響因素提供了可能，但復(fù)雜、精確的分子機制的構(gòu)建仍需進一步研究。

(1)管狀分子分化具有復(fù)雜的時空特異性，調(diào)控網(wǎng)絡(luò)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(diào)節(jié)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)導(dǎo)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(tǒng)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(yōu)化游離單細胞的離體培養(yǎng)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(tǒng)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(jié)合模式植物擬南芥實驗系統(tǒng)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