蘇國(guó)鋒+李從從

【摘 要】被子植物主要的生殖方式是有性生殖，是靠種子來(lái)繁殖后代的。因此，種子及胚胎的發(fā)育是被子植物生活史中重要的階段，而擬南芥是遺傳研究的主要模式生物，所以對(duì)擬南芥種子及胚胎發(fā)育的研究有著深遠(yuǎn)的意義，本文主要綜述了擬南芥種子及胚胎發(fā)育的主要過(guò)程和影響因素。

【關(guān)鍵詞】擬南芥；種子發(fā)育；胚胎發(fā)育

擬南芥屬于被子植物門，雙子葉植物綱。由于其植株小、結(jié)實(shí)多、生命周期短、基因組簡(jiǎn)單、遺傳操作簡(jiǎn)便，成為遺傳研究的主要模式生物。全世界有超過(guò)六千家實(shí)驗(yàn)室正在對(duì)擬南芥的生長(zhǎng)發(fā)育及其對(duì)環(huán)境應(yīng)答的過(guò)程開展深入研究。它在糧食增產(chǎn)、農(nóng)作物耐逆、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)。

地球上80%的綠色植物是被子植物，種子在被子植物生活史中占有重要地位，而胚胎是種子的主要組成部分。因此對(duì)種子及胚胎的發(fā)育及其調(diào)控機(jī)制的研究意義重大。本文主要論述了模式植物擬南芥的種子及胚胎的發(fā)育。

1 擬南芥的種子發(fā)育過(guò)程

雙子葉模式植物擬南芥的種子發(fā)育包括細(xì)胞分裂、器官起始及種子成熟三個(gè)主要過(guò)程。

在種子的發(fā)育過(guò)程中，合子的形成意味著種子發(fā)育的起始，擬南芥種子發(fā)育的細(xì)胞分裂階段只有2天，在此期間，完成了雙受精及受精后合子到原胚的轉(zhuǎn)化（圖1a-d）。所謂雙受精是指在胚囊中一個(gè)精核和卵細(xì)胞融合形成二倍體的合子，將來(lái)發(fā)育成胚胎，第二個(gè)精核和中央細(xì)胞的兩個(gè)極核融合將來(lái)發(fā)育成三倍體的胚乳。合子經(jīng)第一次不對(duì)稱分裂形成一個(gè)雙核的胚和一個(gè)多核的胚乳。接下來(lái)頂細(xì)胞 （apical cell） 進(jìn)行垂直方向的分裂，基部細(xì)胞（basal cell） 進(jìn)行水平方向的分裂，胚乳核繼續(xù)分裂形成一個(gè)多核體。到原胚后期，頂細(xì)胞分裂形成八細(xì)胞的胚，叫做八分體 （octant）（Agarwal et al.， 2011）。

受精后3-4天，胚胎從球形胚發(fā)育到心形胚時(shí)期，器官的起始由此開始，同時(shí)胚乳開始細(xì)胞化（圖1e-g）。內(nèi)層細(xì)胞分裂導(dǎo)致胚胎軸向的形成和局部分化。胚胎從球形胚后期向心形胚轉(zhuǎn)變時(shí)，整個(gè)胚胎大概有200多個(gè)細(xì)胞，胚胎周圍的胚乳快速的細(xì)胞化，形成糊粉層 （aleurone）。子葉原基及根分生組織 （root meristem） 也是在這個(gè)時(shí)期形成的（Agarwal et al.， 2011）。

受精后的5-24天是器官的生長(zhǎng)以及成熟時(shí)期（圖1h-k），胚胎從心形胚發(fā)育到線形的子葉胚再到彎曲的子葉胚時(shí)期。其間胚乳細(xì)胞經(jīng)歷了內(nèi)復(fù)制和細(xì)胞的程序化死亡。成熟的種子，是由糊粉層及被其包被著的彎曲的子葉胚構(gòu)成的。彎曲的子葉胚主要由子葉 （cotyledon），莖頂端分生組織（shoot apical meristem）和根頂端分生組織組成。整個(gè)種子被種皮（seed coat）包被并保護(hù)著，發(fā)育到種子成熟末期時(shí)，種子已經(jīng)失水，蛋白質(zhì)和RNA合成停止，胚及種子進(jìn)入休眠狀態(tài) （Agarwal et al.， 2011）。

擬南芥種子的發(fā)育可以分成三個(gè)階段：形態(tài)發(fā)生，成熟，干燥。在形態(tài)發(fā)生的過(guò)程中，大多數(shù)的細(xì)胞處于高度分裂分化的狀態(tài)，此時(shí)，種子的主體是胚胎，主要由子葉、下胚軸、幼根及根和芽的頂端分生組織構(gòu)成（Bowman and Floyd， 2008； Zhang and Ogas， 2009）。在成熟的過(guò)程中，種子開始積累像脂質(zhì)和蛋白質(zhì)這樣的儲(chǔ)存物質(zhì)。當(dāng)種子進(jìn)入到干燥階段時(shí)，種子脫水，新陳代謝幾近停止，此時(shí)是保存種子的最佳時(shí)期，當(dāng)外界有適合萌發(fā)的條件出現(xiàn)時(shí)，種子進(jìn)入萌發(fā)狀態(tài)。在胚胎發(fā)育的同時(shí)，胚乳快速增殖形成一個(gè)多核體，經(jīng)歷高度的細(xì)胞化過(guò)程，最后成熟，只剩下一層胚乳細(xì)胞（Zhang and Ogas， 2009）。

2 擬南芥的胚胎發(fā)育過(guò)程

據(jù)研究，植物胚胎發(fā)育的過(guò)程大致被劃分為三個(gè)階段（圖2），第一階段為雙受精到原胚階段，從兩細(xì)胞期到八細(xì)胞期被稱為原胚階段。合子經(jīng)過(guò)不對(duì)稱分裂產(chǎn)生兩個(gè)大小不同的子細(xì)胞：一個(gè)小的、位于上部的頂細(xì)胞。一個(gè)大的、位于下部的基細(xì)胞，這樣在胚胎的縱軸上就建立了極性，經(jīng)過(guò)組織學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，頂細(xì)胞和基細(xì)胞發(fā)育成成熟胚的不同部位。兩細(xì)胞胚在經(jīng)過(guò)各自的細(xì)胞分裂發(fā)育到四細(xì)胞期、八細(xì)胞期，完成原胚階段的發(fā)育。第二階段為球形胚到心形胚的轉(zhuǎn)換階段，從十六細(xì)胞期到心形胚時(shí)期被稱為球形胚到心形胚的轉(zhuǎn)換階段，在此階段胚胎的器官和組織類型發(fā)生分化，即縱向上頂部和基部的區(qū)分及胚胎的器官系統(tǒng)的產(chǎn)生。第三階段為器官的生長(zhǎng)和成熟階段，魚雷胚期到成熟胚期為器官的生長(zhǎng)和成熟階段，此階段為模式形成到儲(chǔ)存物質(zhì)積累階段的一個(gè)過(guò)渡時(shí)期（Goldberg et al.， 1989； Goldberg et al.， 1994； West and Harada， 1993）。

3 擬南芥種子及胚胎發(fā)育的影響因素

3.1 植物激素

生長(zhǎng)素、脫落酸和赤霉素是常見的植物激素，研究表明，它們?cè)诜N子的發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。在植物的模式建成和分化過(guò)程中生長(zhǎng)素濃度梯度起著重要作用（Bowman and Floyd， 2008）。生長(zhǎng)素對(duì)于胚胎形態(tài)發(fā)生時(shí)模式的建成是必需的（Weijers and Jurgens， 2005）。赤霉素對(duì)種子的發(fā)育至關(guān)重要，赤霉素還可以促進(jìn)種子的萌發(fā)（Zhang and Ogas， 2009）。在擬南芥中，使赤霉素失去活性的酶異位表達(dá)會(huì)導(dǎo)致種子的敗育（Singh et al.， 2002）。與種子成熟有關(guān)系的是脫落酸，它和種子儲(chǔ)存物質(zhì)的積累和種子的休眠等都有關(guān)系（Finkelstein et al.， 2008）。

3.2 轉(zhuǎn)錄因子

轉(zhuǎn)錄因子是植物種子發(fā)育過(guò)程中的重要調(diào)控因子。在種子、胚胎發(fā)育的過(guò)程中是否也有轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮著重要作用呢？據(jù)報(bào)道，胚胎發(fā)育的各個(gè)階段都有相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮著作用（圖3）。

3.2.1 原胚到球形胚發(fā)育的轉(zhuǎn)錄因子

通過(guò)突變體表型的觀察和表達(dá)模式的分析，WOX基因在胚胎發(fā)生早期的模式建成和特異區(qū)域的調(diào)控程序上都發(fā)揮著重要的作用。WOX2 和WOX8/STIMPY-LIKE/STPL在受精的合子中表達(dá)。WOX9/STIMPY/ STIP先在基細(xì)胞中表達(dá)，再在頂細(xì)胞中表達(dá)，WOX5在靜止中心表達(dá)（Abrash and Bergmann， 2009； Agarwal et al.，2011； Dumas and Rogowsky， 2008； Wu et al.， 2007）。MADS家族的八個(gè)基因（AGL70/MAF3， AGL53， 93， 67， FLC， FLM，AGL15 和18）對(duì)于胚胎的發(fā)育也很重要（Lehti-Shiu et al.， 2005）。LEC1是一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活因子，主要調(diào)控著胚胎形態(tài)發(fā)生和細(xì)胞分化相關(guān)的一些基因（Agarwal et al.，2011）。

3.2.2 球形胚到心形胚轉(zhuǎn)變時(shí)期發(fā)揮作用的轉(zhuǎn)錄因子

在擬南芥中，SHOOT MERISTEMLMLE SS/STM對(duì)于SAM的起始和維持是必須的（Agarwal et al.，2011）。STM需要和CUC1，CUC2一起來(lái)調(diào)控形成SAM，STM反過(guò)來(lái)需要CUC2的功能，在發(fā)育的胚胎中，CUC1和CUC2控制著鄰近器官的分化。它們調(diào)控著胚胎發(fā)生過(guò)程中的細(xì)胞分裂，并參與了營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段和胚胎階段SAM的形成。CUC3和CUC1、CUC2是同源的，界定著分生組織和器官邊界（Chandler et al.， 2008）。WUSCHEL/WUS通過(guò)ZLL控制干細(xì)胞的命運(yùn) （Long and Barton， 1998； Tucker et al.， 2008）。

3.2.3 魚雷胚到彎曲子葉胚時(shí)期參與的轉(zhuǎn)錄因子

ABI3特異地在心形胚早期到種子成熟時(shí)期表達(dá)，直至受精后16天達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定水平（Agarwal et al.，2011； Suzuki and McCarty， 2008）。另一個(gè)重要的調(diào)節(jié)因子就是FUS3，它通過(guò)抑制胚胎的生長(zhǎng)、抑制早期的萌發(fā)、子葉細(xì)胞命運(yùn)的建立、種子儲(chǔ)存物質(zhì)的積累等方面來(lái)控制種子的休眠（Tiedemann et al.， 2008）。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，迄今為止人們對(duì)于擬南芥胚胎發(fā)育的過(guò)程及影響因素的研究已取得了重大進(jìn)展，但是植物胚胎發(fā)育是一個(gè)非常復(fù)雜的、由很多基因，很多因素控制的一個(gè)過(guò)程，因此，進(jìn)一步研究植物胚胎發(fā)育各時(shí)期基因表達(dá)的時(shí)空性及特異蛋白的表達(dá)，對(duì)于揭示胚胎發(fā)生、發(fā)育的機(jī)理具有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

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[責(zé)任編輯：龐修平]

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