莖端分生組織第二章

植物分生組織的概念莖端分生組織的形成莖端分生組織的形態發生側芽的形成與分生組織的重建莖端分生組織發育的遺傳控制1.植物分生組織的概念

Meristem：是指植物的胚性組織，或一群未分化、正在生長并活躍分裂的細胞。

細胞較小，等徑的多面體，細胞壁薄，細胞核相對較大，細胞質較稠密，有少量小的液泡。

分生組織的分類以莖軸為參照系，根據分生組織所處的部位：頂端分生組織（apicalmeristem）是植物根尖、莖端的分生組織。莖端分生組織（shootapicalmeristem，SAM）、根端分生組織（rootapicalmeristem,RAM）側生分生組織（lateralmeristem）在某些植物根莖等器官近表面與長軸平行的方向上呈桶狀分布的分生組織。包括形成層（cambium）；木栓形成層（corkcambium）。居間分生組織（intercalarymeristern）在某些植物發育過程中，已經分化的成熟組織間夾雜著一些未完全分化的分生組織。

根據分生組織細胞之間的衍生關系：原生分生組織（promeristem）從胚胎中保留下來，具有持久的分生能力，位于根、莖的最前端初生分生組織（primarymeristem）原分生組織衍生，形態上有初步分化，但具有分生能力。次生分生組織（secondarymeristem）由已經分化的細胞恢復分生能力形成分生組織。

分生組織在植物發育中的重要性

通過活躍的細胞分裂而完成多細胞植物個體的形態建成。莖端分生組織是被子植物生活周期完成的中心。

2.莖端分生組織的形成

TheSAMcanproduceverydifferentorgans,dependingonthephaseofitslifecycle,fromleaveswithvariousshapesduringthevegetativephase,toflowersduringthereproductivephase.Longitudinalsectionofaparaffin-embeddedWTSAMoftheplantmodelArabidopsisthaliana,showinganinsituhybridizationoftheCLV3geneFabriceBesnard?TevaVernoux?OlivierHamant(2011).Cell.Mol.LifeSci.68:2885–2906

AllSAMsinhigherplantsshareastereotypicalcommonstructure:acentral,oftendome-shapeddomainsurroundedbyseveralemergingorgans.Cellsinthemeristemproperareconsideredasundifferentiated,becauseoftheirsmallersize,areducedvacuole,andanactivemitoticcycle.

Shootapical

meristemorganization

原套—原體學說（tunica-corpustheory）細胞組織學的分區學說（cytohistologicalzonationtheory）

Thetunicaconsistsusuallyof2-3celllayerswherecelldivisionoccursprimarilyintheanticlinalplane(perpendiculartothesurface).

原套通常包含有2-3層細胞，細胞進行嚴格的垂周分裂，以保持原套的層狀排列。StructuralzonationoftheSAM,CZcentralzone,PZ

peripheralzone,Pprimordium,IInitium,L1–L3cellularlayersThecorpusisthemassofcellsinthecentralpartofthemeristemandcelldivisionsoccurinallplanes.

原體由分生組織中央的細胞群組成，可以進行平周、垂周兩種分裂，細胞排列較為雜亂。

葉的表皮主要來自L1細胞層葉肉細胞由L2細胞層衍生葉維管組織來源于L3細胞層CentralZone（CZ）：是多能性干細胞和其他區細胞的發源地，細胞核顯著。

PeripheralZone（PZ）：圍繞中心區延伸，是側生器官的發生區域，細胞分裂活躍。

Rib

Zone（RZ）：

位于分生組織的基部，是頂端分生組織與莖組織之間的過渡區，成為分生組織和完全分化細胞之間的一個邊界。

此外，環繞外周區的區域將成為器官區（OZ），器官原基在此區形成形態上可以區分的結構。OZSpatialvariationsofcellcyclerateintheSAMGeneticzonationoftheSAM.Putativedistributionforthethreemainhormonesauxin,cytokinin,andgibberellinsintheSAM.MechanicalstressesintheSAM.ThemodelspredictthattheL1isundertensionandinternaltissuesareundercompression.BesnardTetal。Cell.Mol.LifeSci.(2011)68:2885–2906草原龍膽的花芽分化進程形態分化前期

萼片原基（CaP）分化期花瓣原基（PeP）分化期雄蕊原基（SP）分化期雌蕊原基（PP）分化初期雌蕊原基（PP）分化末期花瓣原基（PePI）分化期萼片原基（CaP）分化期花瓣原基（PePII）分化期雄蕊原基（SP）分化期

花瓣原基（PePIII）分化期雌蕊原基（PP）分化末期

草原龍膽的花芽分化進程InitiationofShootapicalmeristem

從受精卵分裂開始，一個新的植物生活周期中最初的莖端分生組織的來源各個分枝莖端分生組織的來源合子進行第一次非對稱的橫向分裂形成頂細胞和基細胞，由頂細胞發育成原胚，基細胞發育成胚柄，從而建立起縱軸的極性。頂細胞進行兩次縱向分裂產生四細胞原胚，然后進行橫向分裂，形成八細胞原胚，分裂產生的細胞壁稱為O’線，將原胚分為兩個不同的區域。在球形胚期，O’線上方由表皮層和下皮層兩層細胞組成，在向魚雷胚過渡時，下皮層細胞平周分裂，下皮層再分為上下皮層和下下皮層。莖端分生組織就是由這三層細胞發育而來。當子葉向外長出時，夾在子葉間的三層細胞區變寬，形成莖端分生組織。3.莖端分生組織的形態發生

不同類型的側生器官是莖端分生組織形態發生的標志

莖端分生組織活動終結方式的多樣性葉轉變為花器官：月季等單花植物花序分生組織

形成刺或卷須，如山楂、葡萄。

側芽的形成與分枝

側芽的活動基本上是在不同程度上重復受精卵細胞起源的莖端分生組織的活動，兩者之間最重要的不同，在于側芽的莖端分生組織的形成方式與受精卵細胞起源的莖端分生組織不同。主莖的莖端分生組織在形成葉原基時保留在其葉腋處的分生細胞所組成；葉腋處已分化的細胞重新脫分化而形成。4.

側芽的形成及莖端分生組織的重建

莖端分生組織的重建

側芽不是直接從保留在葉腋處莖端分生細胞形成的。這就涉及從已分化的細胞脫分化而形成新的莖端分生組織，即莖端分生組織重組的問題。

莖端分生組織是一團活躍分裂的胚性細胞。那么，已分化的細胞是如何逆轉其分化的方向、退回到分化程度低的胚性狀態？這一直是人們關心的一個有趣的問題。

Kalanchoelaxiflola

5.莖端分生組織發育的遺傳控制

莖端分生組織的中心區域有一群分裂速度較慢的莖干細胞(stemcell,以下稱干細胞),它們分裂可以產生兩部分細胞,一部分稱干細胞后裔(progenyofstemcell),它們留在原來的位置,保持著多潛能性;另一部分稱子細胞(daughtercells),

它們最終會離開中心區域而進入周邊區域,在那里保持較快的分裂速度,可以分化成為器官原基(Mayer等1998;Clark2001)。細胞分裂產生新的干細胞和干細胞離開中心區域發生分化這兩個過程之間必須維持平衡以保證莖端分生組織的正常功能(Fletcher等1999),此種平衡的實現需要一系列基因的精確調控。

5.莖端分生組織發育的遺傳控制

莖端分生組織發育突變體

shootmeristemless（stm）突變體：胚胎發育正常，但成熟的胚缺失莖端分生組織。

STM

不僅參與SM在胚中的起始，也是維持SM在胚后生長中形成器官所必需的。STM促進CZ細胞的分裂，維持保持未CZ細胞分化狀態。STM編碼HD蛋白。wuschel（wus）突變體：能夠形成2至數片葉，在葉腋處又能起始一些不定分生組織重復幾次，導致植株發育成叢縮狀。在某些情況下，偶爾產生一些無定型的莖枝并開花，但只形成花萼和花瓣和單個雄蕊，表明WUS基因并不抑制器官形成，而是特化分生組織細胞命運所必需的。WUS基因的功能或許是幫助建立CZPZ分界

。Clavata（clv）突變體：未分化細胞能夠持續積累；CLV1基因編碼一個類似受體的激酶具有胞外區和胞內區的蛋白，其N端有一個潛在的信號肽。一個21個氨基酸的胞外亮氨酸富集(LRR)蛋白，一個跨膜區域，以及一個膜內的絲氨酸/蘇氨酸激酶區域。CLV基因限制CZ細胞分裂的速率；CLV基因促進進入PZ的細胞從未分化狀態轉換為分化狀態。

CLAVATA3(CLV3)：(L1)、(L2)ofthecentralzoneCLV1mRNA：(L3)ofthecentralzone.WUSCHEL(WUS)：restrictedtoafewcellswithintheL3

FILAMENTOUSFLOWER(FIL)：expressiondemarcateslateralorgananlagenintheperipheralzone.WUS編碼一種由291個氨基酸組成的同源異型結構域蛋白。在胚后發育階段，WUS始終在莖端分生組織中心區域的干細胞之下的一個小細胞群中表達,此細胞群稱為干細胞組織中心(stemcell–organizingcenter,OC)(Mayer等1998)。WUS的表達足以誘導干細胞特征基因CLV3在其上方的細胞中表達并賦予它們干細胞特征。在莖端分生組織中,WUS的存在能促使其中的干細胞保持未分化的狀態,并維持莖端分生組織的結構和功能的完整。

WUS通過與轉錄輔阻遏蛋白WSIP1和WSIP2結合,抑制參與干細胞分化過程中的基因表達,因而干細胞能保持其多能性的特征。

WUS在擬南芥莖端分生組織內的干細胞組織中心表達,使其上方的細胞維持干細胞特性,這些干細胞通過分裂,將部分子細胞推入周邊區域形成器官原基,同時維系自身的存在。在這個過程中CLV(CLV1、CLV2、CLV3)基因起調節作用。CLV1在WUS表達區域的上方表達,編碼一個富亮氨酸受體蛋白激酶,其胞外域由N末端信號序列和21個重復排列的亮氨酸組成。此外,它還含有一個疏水性的跨膜域和一個存在于胞質內的激酶域

。

CLV2與CLV1以二硫鍵聯結形成異二聚體。在CLV2的跨膜區域含有帶電荷的氨基酸,它與受體激酶跨膜區域之間的電荷作用能促使異二聚體的形成。(A)AsketchoftheArabidopsisshootapexshowingvariouscelltypescomparedwithdomainsofWUSRNAandproteindistribution.3Dreconstructedtopviewofawus-1mutantSAMrescuedbypWUSTeGFP-WUS(B)andFMsofstage2(C),stage3(C),andstage5(D)showingeGFP-WUSprotein(ingreen);celloutlineswerestainedwithFM4-64(red).(E,F)SideviewsofSAMsshowingeGFP:WUSproteinextendingintothePZandintotheL1layer.(G,H)SideviewsofearlyandlatestageFMsshowingWUSproteinlocalization.I,J,andKaresideviewsofSAMs,earlyflowers,andlateflowers,respectively,showingeGFPmRNAdistributioninpWUSTeGFP:WUSexpressingplants.GenesDev.201125:2025-2030WUSproteinmigratesfromOC/nicheintoadjacentcells(A)IllustrationofthegeneinteractionsinthemodelshowingtypicalexpressiondomainsintheSAM.(B)SimulationresultsfromaCLV3–WUSfeedbackmodel.ThetoprowshowsWUSexpression,andthebottomrowshowsCLV3expression.Theleftpanelshowsthewild-typeexpressiondomains,themiddlepanelshowstheresultsfromaperturbedWUSdiffusion(thedisappearanceoftheCLV3expressioncanbeinterpretedasaterminatedmeristem),andtherightpanelshowstheexpandedstemcelldomain/CLV3expressiondomainalongtheouterlayersofcellsuponmisexpressionofWUSfromtheCLV3promoter,asshowninearlierInthecolorbar,alinearscaleisusedand‘‘normal’’representsthetemplatevalueusedforoptimizationAcomputationalmodelfor3DpatterningofgeneexpressionsintheSAM.ThreeArabidopsisAIL/PLTgenesactincombinationtoregulateshootapicalmeristemfunction

MudunkothgeJSandKrizeBA.PlantJournalAbalancebetweenstemcellrenewalandorganproductionisrequiredforcontinuedmeristemfunction.TheclassIKNOTTED-like(KNOX)homeodomainproteinSHOOTMERISTEMLESS(STM)actswithinthemeristemtopromotecelldivisionandsuppressdifferentiation.EndrizziKetal.PlantJ.10,967–979TheCLAVATA(CLV1,CLV2andCLV3)andWUSCHEL(WUS)proteinsactinasecondpathwaytomaintainaspecifiednumberofstemcellswithinthemeristem.M.K.Barton/DevelopmentalBiology341(2010)95–113