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单独一个体细胞如何成为一个完整的植物?

Gretchen Vogel

一种植物要想存活并繁殖要求它具有非凡的适应性. 它要能把根伸展到能接触水源, 要能长出叶片接触阳光, 要能避免捕食者的袭击, 也要能找到它的配偶. 作为补偿, 植物进化出一些修复机制和繁殖策略来使它们能够在没有精子和卵子存在的情况下繁殖. 有些植物可以通过根,茎,球茎来繁殖, 而另外一些植物更加厉害, 它们可以由单一体细胞产生胚胎.例如,大多数桔科植物的未受精的配偶子附近的组织也可以发育出胚胎组织--没有哪种动物拥有这种能力! 再有, 温室植物Bryophyllum 也可以在叶片的边缘发育出胚胎组织, 如同宙斯生他的女儿雅典娜一样. 

大约50年前, 科学家就已经可以在实验室里用胡萝卜来观察其胚胎形成的过程. 从此人们就用这种体细胞胚胎形成方法(组织培养)来繁殖了数十种植物, 例如, 咖啡,magnolias, 芒果 和玫瑰. 甚至一家加拿大公司利用组织培养技术种植了整整一大片杉树. 但是如同克隆动物的研究人员一样, 植物组织培养的研究人员也不了解如何精确控制胚胎形成的过程.(1) 相关研究需要了解一个细胞是如何在发育的过程中停止分化以及植物如何在已分化的细胞中保持其细胞全能性.

科学家甚至不了解哪些细胞可以完成胚胎形成. 尽管早期的研究认为所有的植物细胞都可以发育成为胚胎组织, 新的实验表明只有一部分细胞可以转化成为胚胎, 而且在转化成胚胎之前的细胞是什么样的还是个谜. 研究人员对胚胎形成的过程进行录像(2), 但没有看到任何明显的形态变化表明哪个细胞会发芽. 对其相关的一些基因表达的研究也没有结果.

图..单个细胞的威力. 从单个桔树体细胞发育出的胚芽

研究人员确实对哪些分子可能与这个过程相关有些概念. 在实验室里, 杀虫剂2,4-二氯酚乙酸(2,4-D)可以促进培养细胞伸展,形成新细胞壁,分化并形成胚胎组织. 该杀虫剂是植物激素生长素的人工合成类似物. 生长素可以控制植物对光线,重力和果实成熟的反应. 因为在导管顶端靠近叶片边缘处的胚胎会接触到更高含量的生长素, 所以生长素可能对自然状态下的胚胎形成也很重要(3). 近期的研究表明, 在Arabidopsis有些正常的叶片细胞中过多或者过少的某些基因的表达可以诱发该叶片细胞的胚胎形成.

研究无性胚胎形成使得科学家了解植物使用什么样的细胞控制机制来保持可控生长的同时又保留其分化的全能性. 发育生物学者非常想了解动植物细胞之间这种控制机制的差异. 事实上, 某些控制植物体细胞胚胎形成的机制可能与动物细胞克隆和肢体再生非常相似.

在实践中, 科学家希望能够利用组织培养技术来繁殖谷类植物, 例如还需要正常授粉的玉蜀黍. 这样可以更快的进行新品种的繁殖和杂交育种--这正是农场主和消费者所期盼的.

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