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植物细胞分化与器官发生第15章摘要

发布时间:2018-6-18 23:28:32   点击数:

与动物不同,高等植物在受精后形成的胚是具有分生能力的组织,胚胎发育完成后,由形成的茎端分生组织和根尖分生组织在不同发育时期可不断分化形成新的器官。因此,细胞分化与器官发生是植物生长发育的基础,这也决定了不同组织器官的结构的特殊性和植物个体的多样性,从而也使之成为植物科学研究的核心问题之一。

这本由北京大学前校长许智宏院士和中国科学院植物研究所种康研究员主编的《植物细胞分化与器官发生》是继许老师年主编的《植物发育的分子机理》之后对细胞分化和器官发生领域最新进展的总结。参加本书编写的学者多为国家自然科学基金委员会的(NSFC)“植物细胞分化与器官发生”创新群体成员,在其专业领域有很深的造诣。全书以细胞和器官类型为主线,以分生组织和特化细胞为重点,系统地介绍了拟南芥和水稻等模式植物分化与分生组织控制器官发生分子机制。

——李家洋

年12月

NSFC“植物细胞分化与器官发生”创新群体

国家自然科学基金委员会(NSFC)设立的“创新群体”项目,支持具有国际竞争力的围绕同一科学问题的学科前沿领域研究群体。年以种康作为首席科学家,刘春明、林金星、王台、胡玉欣和黄善金为学术骨干组成团队,申报“NSFC创新群体”并获得NSFC为期6年的研究计划资助,许智宏院士为该群体学术顾问。

该创新群体是在中国科学院植物研究所原有的基础上,经过十多年的发展和近年来的人才引进逐渐形成的,群体所在的实验室从20世纪90年代起,在许智宏院士培养和指导下,瞄准植物分子发育生物学的研究前沿科学问题,在开花决定、花粉发育和育性等领域逐渐形成了植物发育和生殖生物学的研究队伍。较早进入植物研究所的群体学术骨干(种康、林金星、王台)是在本土成长起来的年轻科学家,各自在继承和发展原有工作的基础上,在开花与减数分裂基因调控(王台、种康)、花粉蛋白质组学(林金星、王台、种康)、水稻TILLING突变体库筛选(刘春明、种康)等共同感兴趣的问题上相互合作,形成了相互协作的研究团队。通过中国科学院“百人计划”人才项目从荷兰、新加坡和美国引进了在该领域作出重要学术贡献的优秀年轻学术带头人刘春明博士、胡玉欣博士和黄善金博士。其中,刘春明博士在细胞分化、胚胎发育等领域是国际上有影响的年轻科学家,胡玉欣博士在器官分化的基因调控领域有杰出的工作,黄善金博士在植物细胞骨架结构与功能研究领域具有重要的学术贡献。所有群体成员的共同研究兴趣集中在植物细胞分化和器官发生分子调控机理这一领域。

《植物细胞分化与器官发生》全书共分11章,系统描述了植物细胞分化和器官发生的基本概念、关键科学问题和研究体系,阐述了细胞分裂、细胞分化、囊泡运输在植物发育过程中的作用,从被子植物的胚胎发育、生长点功能、干细胞功能调控、花器官的起源与演化、春化信号的感受、花发育模型、花器官发生调控网络、花粉管和表皮毛的极性生长等问题进行了较为系统地介绍。现将本书第1~5章内容摘要分享如下。

第1章植物细胞分裂及其调控

细胞分裂是植物生长发育和形态建成过程中最基本且最为重要的细胞学事件。在细胞水平,细胞分裂的调控表现为对细胞周期各个时期的控制,其主要通过周期蛋白及周期蛋白依赖性激酶的严密调控实现。上述细胞周期进程关键因子还受到植物激素、营养及环境信号等调控,进而介导内、外源因素对细胞分裂的控制。在植物的器官和个体水平,细胞分裂的调控则必须纳入发育的进程,并且其与细胞大小调控的协同作用决定了植物器官的发生、发育及大小。近年来,随着对植物器官发生及器官大小决定分子机制方面的研究,人们已经初步发现了包括ANT、ARGOS及ARF2、BB、DA1等在内的一系列参与器官发育过程中正向或负向控制细胞分裂的重要因子。这些研究不仅揭示了植物细胞分裂在发育过程中的控制机制,也为增强植物抗逆性及提高生物产量提供重要的理论和实践依据。本章主要介绍植物细胞分裂过程中细胞周期的调控机制;同时,将对植物整体发育水平上细胞分裂的调控及其与细胞分化、细胞大小协同控制植物器官发育的相关研究进展进行综述和讨论;最后,对研究植物细胞分裂的一些常用技术方法进行了简单介绍。

第2章细胞分化

细胞分化是指生物在个体发育中,同一来源的细胞逐渐发生成各自特有的形态结构、生理功能和生化特征的过程。其结果是在空间上细胞之间出现差异,在时间上同一细胞和它以前的状态有所不同。细胞分化是从化学分化到形态、功能分化的过程,最终的效应是同样的细胞变成不同的组织。细胞分裂分为对称分裂和不对称分裂。对称分裂是指母细胞分裂成两个相同功能的子细胞的过程。对称分裂产生的细胞与原细胞的功能是一样的,造成的效应是细胞数量增多。不对称分裂是母细胞分裂成两个大小不一样的细胞的过程。细胞分化是建立在细胞不对称分裂之上的。细胞的分化一定伴随着细胞分裂,但细胞分裂过程不一定有细胞分化。气孔发育是一个复杂的过程,包括三种不对称分裂和一种对称分裂,涉及细胞命运、细胞分裂和分化,以及细胞分裂由不对称分裂进入对称分裂的转化。所以,气孔成为研究细胞分化和分裂极佳系统。本章以气孔发育过程为例,介绍气孔发育过程中细胞分裂和分化,并对近几年来气孔发育研究成果进行综述。我们相信对气孔发育的信号调控网络的解析,将有助于提高人们对细胞分裂和分化的认识。

第3章植物细胞胞吐与胞吞作用机制

真核细胞内的膜区室化为生物大分子如蛋白质、脂类以及离子等提供了特定的结构平台,确保其生化反应正常进行并维持细胞的生理功能。植物细胞内多数可溶性物质的运输即是通过囊泡(vesicle)在细胞内不同细胞器膜区室间穿梭运输实现的,主要表现为胞吐与胞吞过程。植物细胞的囊泡运输,从囊泡的形成、囊泡的定向运输、锚定以及最终与靶膜的融合等过程均受到严密而精细的蛋白质调控。这些调控蛋白主要包括介导囊泡出芽的包被蛋白、dynamin蛋白、ARF蛋白、细胞骨架蛋白、Rab蛋白和SNARE蛋白等。植物细胞的囊泡运输与植物生理功能有密切关系,例如参与胞质分裂、根的向地性、植物抗病防御以及非生物胁迫等。因而,植物细胞囊泡运输研究目标之一即揭示运输机制中关键因子的调控作用。此外,新型成像技术的应用极大地推动了植物细胞囊泡运输的研究。近年来,可变角度全内反射荧光显微镜在植物细胞胞吞与胞吐,质膜蛋白的单分子动态分析中得到良好应用,该技术为植物细胞生物学迎来更加广阔的发展空间。本章将就前人研究成果结合本实验室研究工作,对植物细胞囊泡运输类型、途径、关键调控蛋白以及研究技术进行了综合评述。

第4章花粉管极性生长及其调控

几乎所有的细胞都具有形态、结构以及功能性分子在空间上不对称分布的极性,细胞极性(cellpolarity)是动植物细胞分化发育的基础。如同动物神经元,植物花粉管也具有顶端生长特性,是研究细胞极性建立与维持以及细胞极性生长的重要模式系统。花粉管极性生长涉及信号分子的极性定位、细胞壁可塑性调控、离子梯度调控、细胞骨架组织与动态调控、囊泡运输等分子细胞学过程;这些过程主要发生在花粉管顶端及其以下50μm的区域,根据细胞学特征此区域可分为顶端(apex)、顶端侧翼(apicalank)、亚顶端区(subapicalregion)和槽部(shank);顶端及其侧翼所包围的空间通常称为顶端区(apicalregionorapicaldome)。顶端质膜定位的ROP/RACGTPase及其调控因子和磷脂分子等信号分子在花粉管极性生长过程起核心作用,这些信号分子调节细胞骨架组织和囊泡极性运输,后者不仅为花粉管顶端生长提供结构和材料支持,而且也是维持这些信号分子顶端质膜定位所必需的。本章根据目前的研究成果,讨论了花粉管极性生长的分子细胞机制。

第5章表皮毛发育

表皮毛(trichome)是植物地上组织的表皮向外延伸的发状结构,分布在大多数陆地植物的表皮。表皮毛的形态、大小和密度在不同植物之间存在很大差异。表皮毛可以是单细胞或多细胞、有分支或不分支、有分泌腺或无分泌腺。植物的表皮毛具有重要功能,不仅增加了表皮层的厚度,减少热量和水分的散失;而且还具有保护植物免受昆虫和病原体侵害以及降低机械损伤和紫外伤害的作用。此外一些类型的表皮毛具有重要的经济价值,比如棉花胚珠的表皮毛——棉纤维,是重要的纺织工业用天然纤维。表皮毛的发育在时间和空间上受到严格调控,本章将系统阐述近年来在拟南芥表皮毛发育和棉纤维发育调控机理研究中所取得的重要成果,介绍植物激素、转录因子、细胞周期蛋白、细胞骨架等在拟南芥表皮毛发育过程中的调控机理,以及参与调控棉花纤维发生、伸长和成熟过程中的重要因子。对拟南芥表皮毛和棉纤维的发生、发育过程及其调控机制进行解析,将有助于了解表皮毛发育调控的关键因子及信号网络调控途径,有利于通过分子操作对表皮毛进行改良,提高植物响应外界环境胁迫能力,通过改善棉花纤维的品质提高棉花的经济利用价值。

全书图文并茂,结构精练、既有理论,又有研究方法介绍。相信本书会成为感兴趣植物细胞分化与器官发生机理的学生学者的必备的案头读物,亦可以作为硕博研究生的通用教材。

——李家洋

年12月

(第6~11章内容摘要待续,敬请







































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