蘇國(guó)鋒 李從從

（1.正定縣南樓鄉(xiāng)人民政府，河北 正定050800；2.華北制藥金坦生物技術(shù)股份有限公司，河北 石家莊050000）

擬南芥屬于被子植物門(mén)，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(kāi)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（圖1）(Agarwal et al., 2011)。

圖1 擬南芥種子發(fā)育不同時(shí)期的示意圖(Agarwal et al., 2011)Figure 1 Seed development stages in Arabidopsis(Agarwal et al., 2011)

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(chēng)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(kāi)始，同時(shí)胚乳開(kāi)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?chē)呐呷榭焖俚募?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(kāi)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(chēng)為原胚階段。合子經(jīng)過(guò)不對(duì)稱(chēng)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(chēng)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(lèi)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(yú)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(jiàn)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

圖2 擬南芥胚胎發(fā)育過(guò)程示意圖(Goldberg et al., 1994)Figure 2 A generalized overview of Arabidopsis embryogenesis(Goldberg et al., 1994)

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）。

圖3 種子發(fā)育中三個(gè)重要時(shí)期表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子(Agarwal et al. 2011)Figure 3 TFs from Arabidopsis expressed during the three landmark stages of seed development. (Agarwal et al. 2011)

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(yú)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。

［1］Agarwal, P., Kapoor, S., and Tyagi, A.K.（2011） Transcription factors regulating the progression of monocot and dicot seed development [J]. Bioessays, 33 (3)：189-202.

［2］Bowman, J.L., and Floyd, S.K. (2008) Patterning and polarity in seed plant shoots[J]. Annu Rev Plant Biol, 59：67-88.

［3］Zhang, H., and Ogas, J. (2009) An epigenetic perspective on developmental regulation of seed genes[J]. Mol Plant, 2(4)：610-627.

［4］Goldberg, R.B., Barker, S.J., and Perez-Grau, L. (1989) Regulation of gene expression during plant embryogenesis[J]. Cell, 56(2)：149-160.

［5］Goldberg, R.B., de Paiva, G., and Yadegari, R. (1994) Plant embryogenesis:zygote to seed[J]. Science, 266(5185)：605-614.

［6］West, M., and Harada, J.J. (1993) Embryogenesis in Higher Plants: An Overview[J]. Plant Cell, 5(10)：1361-1369.

［7］Weijers, D., and Jurgens, G. (2005) Auxin and embryo axis formation: the ends in sight?[J]. Curr Opin Plant Biol, 8(1)：32-37.

［8］Singh, D.P., Jermakow, A.M., and Swain, S.M. (2002) Gibberellins are required for seed development and pollen tube growth in Arabidopsis[J]. Plant Cell, 14(12)：3133-3147.

［9］Finkelstein, R., Reeves, W., Ariizumi, T., and Steber, C. (2008) Molecular aspects of seed dormancy[J]. Annu Rev Plant Biol, 59：387-415.

［10］Abrash, E.B., and Bergmann, D.C. (2009) Asymmetric cell divisions: a view from plant development[J]. Dev Cell, 16(6)：783-796.

［11］Dumas, C., and Rogowsky, P. (2008) Fertilization and early seed formation[J].C R Biol, 331(10)：715-725.

［12］Wu, X., Chory, J., and Weigel, D. (2007) Combinations of WOX activities regulate tissue proliferation during Arabidopsis embryonic development [J]. Dev Biol, 309(2)：306-316.

［13］Lehti-Shiu, M.D., Adamczyk, B.J., and Fernandez, D.E. (2005) Expression of MADS-box genes during the embryonic phase in Arabidopsis[J]. Plant Mol Biol, 58(1)：89-107.

［14］Chandler, J., Nardmann, J., and Werr, W. (2008) Plant development revolves around axes[J]. Trends Plant Science, 13(2)：78-84.

［15］Long, J.A., and Barton, M.K.(1998) The development of apical embryonic pattern in Arabidopsis[J]. Development, 125(16)：3027-3035.

［16］Tucker, M.R., Hinze, A., Tucker, E.J., Takada, S.,Jurgens,G., and Laux, T. (2008) Vascular signalling mediated by ZWILLE potentiates WUSCHEL function during shoot meristem stem cell development in the Arabidopsis embryo[J]. Development, 135(17)：2839-2843.

［17］Suzuki, M., and McCarty, D.R. (2008) Functional symmetry of the B3 network controlling seed development[J]. Curr Opin Plant Biol, 11(5)：548-553.

［18］Tiedemann, J., Rutten, T., Monke, G., Vorwieger, A., Rolletschek, H.,Meissner, D., Milkowski, C., Petereck, S., Mock, H.P., Zank, T., and BaumlMLein,H.(2008) Dissection of a complex seed phenotype: novel insights of FUSCA3 regulated developmental processes[J]. Dev Biol, 317(1)：1-12.