擬南芥的種子及胚胎發育

蘇國鋒 李從從

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

擬南芥屬于被子植物門，雙子葉植物綱。 由于其植株小、結實多、生命周期短、基因組簡單、遺傳操作簡便，成為遺傳研究的主要模式生物。全世界有超過六千家實驗室正在對擬南芥的生長發育及其對環境應答的過程開展深入研究。它在糧食增產、農作物耐逆、環境保護等領域做出了重要貢獻。

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。 因此對種子及胚胎的發育及其調控機制的研究意義重大。本文主要論述了模式植物擬南芥的種子及胚胎的發育。

1 擬南芥的種子發育過程

雙子葉模式植物擬南芥的種子發育包括細胞分裂、器官起始及種子成熟三個主要過程（圖1）(Agarwal et al., 2011)。

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

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

受精后3-4 天，胚胎從球形胚發育到心形胚時期，器官的起始由此開始，同時胚乳開始細胞化（圖1e-g）。 內層細胞分裂導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變時，整個胚胎大概有200 多個細胞， 胚胎周圍的胚乳快速的細胞化， 形成糊粉層(aleurone)。 子葉原基及根分生組織(root meristem) 也是在這個時期形成的(Agarwal et al., 2011)。

受精后的5-24 天是器官的生長以及成熟時期（圖1h-k），胚胎從心形胚發育到線形的子葉胚再到彎曲的子葉胚時期。 其間胚乳細胞經歷了內復制和細胞的程序化死亡。 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。 整個種子被種皮(seed coat)包被并保護著，發育到種子成熟末期時，種子已經失水，蛋白質和RNA 合成停止，胚及種子進入休眠狀態(Agarwal et al.,2011)。

擬南芥種子的發育可以分成三個階段：形態發生，成熟，干燥。 在形態發生的過程中，大多數的細胞處于高度分裂分化的狀態，此時，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成(Bowman and Floyd, 2008; Zhang and Ogas, 2009)。 在成熟的過程中，種子開始積累像脂質和蛋白質這樣的儲存物質。 當種子進入到干燥階段時，種子脫水，新陳代謝幾近停止，此時是保存種子的最佳時期，當外界有適合萌發的條件出現時，種子進入萌發狀態。在胚胎發育的同時，胚乳快速增殖形成一個多核體，經歷高度的細胞化過程，最后成熟，只剩下一層胚乳細胞(Zhang and Ogas, 2009)。

2 擬南芥的胚胎發育過程

據研究，植物胚胎發育的過程大致被劃分為三個階段（圖2），第一階段為雙受精到原胚階段， 從兩細胞期到八細胞期被稱為原胚階段。合子經過不對稱分裂產生兩個大小不同的子細胞：一個小的、位于上部的頂細胞。一個大的、位于下部的基細胞，這樣在胚胎的縱軸上就建立了極性，經過組織學的研究發現，頂細胞和基細胞發育成成熟胚的不同部位。 兩細胞胚在經過各自的細胞分裂發育到四細胞期、八細胞期，完成原胚階段的發育。第二階段為球形胚到心形胚的轉換階段，從十六細胞期到心形胚時期被稱為球形胚到心形胚的轉換階段，在此階段胚胎的器官和組織類型發生分化，即縱向上頂部和基部的區分及胚胎的器官系統的產生。 第三階段為器官的生長和成熟階段，魚雷胚期到成熟胚期為器官的生長和成熟階段，此階段為模式形成到儲存物質積累階段的一個過渡時期 (Goldberg et al., 1989; Goldberg et al.,1994; West and Harada, 1993)。

3 擬南芥種子及胚胎發育的影響因素

3.1 植物激素

生長素、脫落酸和赤霉素是常見的植物激素，研究表明，它們在種子的發育過程中發揮著重要的作用。在植物的模式建成和分化過程中生長素濃度梯度起著重要作用(Bowman and Floyd, 2008)。 生長素對于胚胎形態發生時模式的建成是必需的(Weijers and Jurgens, 2005)。 赤霉素對種子的發育至關重要， 赤霉素還可以促進種子的萌發(Zhang and Ogas, 2009)。在擬南芥中，使赤霉素失去活性的酶異位表達會導致種子的敗育(Singh et al., 2002)。 與種子成熟有關系的是脫落酸，它和種子儲存物質的積累和種子的休眠等都有關系 (Finkelstein et al.,2008)。

3.2 轉錄因子

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

轉錄因子是植物種子發育過程中的重要調控因子。 在種子、胚胎發育的過程中是否也有轉錄因子發揮著重要作用呢？ 據報道，胚胎發育的各個階段都有相應的轉錄因子發揮著作用（圖3）。

圖3 種子發育中三個重要時期表達的轉錄因子(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 原胚到球形胚發育的轉錄因子

通過突變體表型的觀察和表達模式的分析，WOX 基因在胚胎發生早期的模式建成和特異區域的調控程序上都發揮著重要的作用。WOX2 和WOX8/STIMPY-LIKE/STPL 在受精的合子中表達。 WOX9/STIMPY/ STIP 先在基細胞中表達， 再在頂細胞中表達，WOX5 在靜止中心表達(Abrash and Bergmann, 2009; Agarwal et al.，2011; Dumas and Rogowsky, 2008; Wu et al., 2007)。 MADS 家 族 的 八 個 基 因（AGL70/MAF3, AGL53, 93, 67, FLC, FLM,AGL15 和18) 對于胚胎的發育也很重要(Lehti-Shiu et al., 2005)。LEC1 是一個轉錄激活因子，主要調控著胚胎形態發生和細胞分化相關的一些基因(Agarwal et al.，2011)。

3.2.2 球形胚到心形胚轉變時期發揮作用的轉錄因子

在擬南芥中，SHOOT MERISTEMLMLE SS/STM 對于SAM 的起始和維持是必須的(Agarwal et al.,2011)。 STM 需要和CUC1，CUC2 一起來調控形成SAM，STM 反過來需要CUC2 的功能， 在發育的胚胎中，CUC1 和CUC2 控制著鄰近器官的分化。 它們調控著胚胎發生過程中的細胞分裂，并參與了營養生長階段和胚胎階段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ZLL 控制干細胞的命運 (Long and Barton, 1998; Tucker et al., 2008)。

3.2.3 魚雷胚到彎曲子葉胚時期參與的轉錄因子

ABI3 特異地在心形胚早期到種子成熟時期表達， 直至受精后16天達到一個穩定水平(Agarwal et al.，2011; Suzuki and McCarty, 2008)。另一個重要的調節因子就是FUS3，它通過抑制胚胎的生長、抑制早期的萌發、子葉細胞命運的建立、種子儲存物質的積累等方面來控制種子的休眠(Tiedemann et al., 2008)。

4 結語

綜上所述，迄今為止人們對于擬南芥胚胎發育的過程及影響因素的研究已取得了重大進展， 但是植物胚胎發育是一個非常復雜的、由很多基因，很多因素控制的一個過程，因此，進一步研究植物胚胎發育各時期基因表達的時空性及特異蛋白的表達， 對于揭示胚胎發生、發育的機理具有重大的理論和現實意義。

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