植物组织培养过程中器官发生途径再生植株分子机制研究进展

科技导报2015，33（2），殷桂香1，赵佩2，杜丽璞2，张平治1，叶兴国21.安徽省农业科学院作物研究所，合肥2300312.中国农业科学院作物科学研究所，农作物基因资源与基因改良国家重大科学工程，北京100081摘要摘要综述了植物组织离体培养过程器官发生途径所经历的3个阶段的分子机制，包括已分化器官脱分化、根器官再生和芽器官再生。重点概述了禾谷类作物组织培养再生途径中的细胞遗传学机理。分析了当前植物再生性状分子基础研究存在的3个主要问题，即具有稳定表现的高再生性能植物品种有限，再生性状相关主效基因发掘不足，已鉴定的再生相关基因功能不明显。提出应加强高再生性能植物品种选育，为发掘、控制植物离体组织培养再生关键基因提供丰富的基因资源，推动植物再生性状的分子机制研究。关键词关键词离体培养；植株再生；再生相关基因中图分类号中图分类号Q785文献标志码文献标志码Adoidoi10.3981/j.issn.1000-7857.2015.02.014ResearchprogressonmolecularmechanismofplantregenerationfromculturedtissuesviaorganogenesisSHEMaoyun1,YINGuixiang1,ZHAOPei2,DULipu2,ZHANGPingzhi1,YEXingguo21.CropInstitute,AnhuiAcademyofAgriculturalSciences,Hefei230031,China2.InstituteofCropSciences,ChineseAcademyofAgriculturalSciences;NationalKeyFacilityforCropGeneResourcesandGeneticImprovement,Beijing100081,ChinaAbstractAbstractTheprogressofplantregenerationinvitroinmolecularlevelisreviewedinthispaper,includingthemainstagesofplanttissuecultureofexplants,themolecularmechanismsofdedifferentiationofdifferentiatedtissues,shootregenerationandrootregeneration,aswellasthecytogeneticbasisofregenerationtraitsincerealcrops.Itissummarizedthatthelimitationofplantgenotypeswithhighandstableregenerationperformance,shortageofclonedkeygenesassociatedwithregenerationtraits,andweakfunctionofidentifiedgenesrelatedtosomaticembryogenesisinotherplantsarethemainproblemsintheinvestigationofplantregenerationinmolecularbiology.Infuturetheidentificationordevelopmentoftheplantgenotypeswithdesirableregenerationabilityshouldbestressedbyusingvariousstrategiestoexpandthegeneresourcefortheexplorationofthecorrespondingphenotype.Theaimofthisreviewistodeepentheawarenessoftheimportanceofmolecularinvestigationinplantregeneration,andtoboostthecharacterizationofmoreplantregeneration-relevantgenesforthefurtherunderstandingofmolecularmechanismofunderlyingplantorganogenesisduringplanttissuecultureinvitroandthedevelopmentofplantgeneticengineeringbreeding.KeywordsKeywordstissuecultureinvitro;plantregeneration;genesrelevanttoregeneration收稿日期：2014-07-07；修回日期：2014-08-04基金项目：安徽省农业科学院科技创新团队项目（13C0202）；安徽省种子工程项目（14D0202）作者简介：佘茂云，助理研究员，研究方向为作物营养代谢与逆境胁迫分子机制，电子信箱：[e-mail]；殷桂香（共同第一作者），实验师，研究方向为植物组织培养和遗传转化，电子信箱：[e-mail]；张平治（通信作者），研究员，研究方向为小麦抗病遗传育种，电子信箱：[e-mail]；叶兴国（通信作者），研究员，研究方向为小麦生物技术育种，电子信箱：[e-mail]引用格式：佘茂云,殷桂香,赵佩,等.植物组织培养过程中器官发生途径再生植株分子机制研究进展[J].科技导报,2015,33(2):91-98.91科技导报2015，33（2）植物胚胎发生是植物整个生活史中的一个重要发育过程，涵盖了从受精卵发育、分化到产生单个幼苗的全过程，是植物细胞全能性（totipotency）或多能性（pluripotency）的具体体现[1]。植物离体细胞胚胎发生（也叫成体细胞胚胎发生，so⁃maticembryogenesis）过程包括已分化器官脱分化、芽器官形态建成及根器官形态建成3个重要过程[2]。随着这些生命活动过程相关基因的克隆和鉴定，对高等植物离体组织体外培养再生过程的认识已上升到分子水平。本文从上述3个方面对所涉及的分子机制研究进展作一综述。1植物组织离体培养再生植株经历的主要阶段从本质上来说，植物组织离体培养再生单个植株的过程是一个无性繁殖过程，包括外源植物激素信号应答、已分化细胞的脱分化、静止细胞的再分裂以及特定组织或器官原基或分生组织的形成等过程[3]。图1为小麦离体组织再生过程的主要培养阶段。概括起来，植物离体再生过程主要包括3个阶段：首先细胞发生脱分化作用进而获得胚胎发生能力或器官再生能力，随之通过对外源激素响应为分化特定器官做准备，最后是不依赖植物激素的器官再生或胚胎发生过程。对于器官发生途径的再生过程而言，第一阶段还可细分为2个亚阶段：细胞增殖及根器官建成能力获得和芽器官发生能力形成[4]。2已分化器官脱分化的分子机制已分化细胞的脱分化是多细胞有机体全能性、再生及新的干细胞群形成的基础。生物体的脱分化过程通常被认为与细胞周期活动的重建密切相关，典型特点是原来的分化状态消失及新的“干细胞”出现[5]。研究表明，胚胎发生能力的获得在很大程度上依赖脱分化过程，在此过程中发生既有的转录和翻译机制的消除或改变，取而代之的是细胞进入新的发育模式[6]。生长素和细胞分裂素是诱导植物细胞进入脱分化状态的重要植物激素。植物原生质体培养是研究细胞脱分化过程极好的实验材料[7]，经去壁处理的植物细胞（原生质体）受不同外源信号诱导后，出现3种发育途径，即表现为单纯的生长素诱导脱分化过程、生长素及细胞分裂素共同指导的细胞增殖过程和不添加任何激素导致细胞死亡过程[8]。活跃的细胞分裂对于细胞脱分化状态的维持以及新器官发生是必须，同时也是体细胞胚胎发育前的胚胎发生准备过程以及外植体直接发育产生的实生苗过程所必须的。在植物体内，仅当成熟的分化过程引发极端的表型变化后，如管状分子（木质部组分）原生质体的死亡及筛状分子（韧皮部组分）核丢失，植物细胞才永久地失去再生潜力[9]。Ozawa等[10]认为，静息细胞重新进行细胞分裂与编码细胞周期蛋白（cyclins）及细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependentkinases，CDKs）的基因表达具有很大的相关性。在细胞周期蛋白依赖性激酶中，PSTAIRE类蛋白的研究最为深入[11]。根据含有保守的PSTAIRE结构域的不同，分为具有高度保守的PSTAIRE结构域的p34cdc2同源型及含有部分保守PSTAIRE结构域的CDKs，前者在整个细胞增殖周期中持续表达，后者则在细胞周期特定阶段表达。cdc2aAt（拟南芥PSTAIRE类CDKs）组织表达分析表明，该基因在处于增殖周期的植物细胞及根组织非分裂细胞中都活跃表达，此外，植物组织培养脱分化过程的伤害处理能快速诱导cdc2aAt的表达[12,13]。Shaul等[14]认为，cdc2aAt的表达与细胞增殖能力的获得具有高度相关性。对与细胞增殖无关的细胞周期基因（如CYCD1-3）的表达研究表明，在经碳源、生长素和细胞分裂素胁迫处理的静止期细胞中，CYCD2和CYCD3分别受到碳源及细胞分裂素的诱导表达，这些基因的表达也被认为是细胞周期得以活化的必要条件[15]。植物细胞脱分化过程伴随许多基因表达的变化[16,17]，因此，对细胞脱分化过程基因表达的研究有助于解析细胞脱分化的机制。研究认为，染色质超螺旋的去组装能够确保已分化的细胞快速而有序地重塑基因表达过程[18]。William等[19]研究发现，伴随细胞多能性的出现，组蛋白H3发生翻译后修饰，异染色体蛋白1（heterochromatinprotein1，HP1）再分布，同时随着核仁区18S核糖体DNA的凝集，发生核仁崩解。Duval等[20]发现，染色体特定区段的去凝集能够激活诸如VIP1及NOAPICALMERISTEM（NAM）等基因表达，后者与植物体中新生的“干细胞”群的形成有关（图2）。Souer等[21]研究发现，NAM突变导致矮牵牛（PetuniahybridaL.）胚芽顶端分生组织不能正常发育。泛素作为蛋白质降解的标记物，在细胞脱分化过程中的表达存在一定的组织特异性。研究表明，当转化的拟南芥叶肉细胞发生脱分化时，泛素基因的表达与细图1小麦离体组织培养再生植株流程Fig.1Protocolofwheatregenerationduringtissuecultureinvitro92科技导报2015，33（2）胞发育过程密切相关，且在幼叶及分裂旺盛的细胞中最为明显[16]，此现象也在烟草（NicotianatabacumL.）原生质体脱分化过程中发现[7]。Zhao等[7]认为，泛素介导的蛋白裂解系统是植物激素诱导原生质体进入细胞分裂S期所必需，其作用方式可能是通过一种称为细胞周期调控的泛素蛋白酶复合物E3（Skp1-Cdc53-F-box，SCF）介导的G1/S过渡期的特异蛋白底物磷酸化作用实现[22]。研究认为，泛素基因上调表达是细胞结构重建的一个重要特征，通过系统选择性地降解维持细胞原始形态的蛋白，从而激活细胞增殖必需蛋白的表达[23,24]。3根器官建成的分子基础植物根器官的建成是一个高度可塑过程，对培养环境中的营养、湿度、温度、光照及其他培养条件高度敏感[27]。植物主根形成于种子萌芽后不久，并随着根的成熟，中柱鞘的静息细胞开始分裂并通过一个精确的分裂机制形成侧根原基[28]，接着侧根延长并进一步产生分支。再生植株的移栽成活与形成不定根的能力密切相关，然而不同植物形成不定根的能力不同[29]。谷类作物的根主要是由不定根发育而来的须根系组成，也叫