全 文 ：山 东 农 业 科 学 2011，10:46 ～ 50 Shandong Agricultural Sciences
收稿日期:2010 －03 －15;修回日期:2011 －06 －29
基金项目:国家自然科学基金(编号:30671177)、山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(编号:2006BS06001)、山东省农业科学院
博士基金(2006 － 2009)资助。
* 同等第一作者:张 涛(1965 －) ，男，农艺师，研究方向为蔬菜遗传育种。叶 帅(1981 －)，硕士研究生，研究方向为植物分子遗传学。
小立碗藓代谢与发育研究进展
张 涛1* ，叶 帅2，3* ，岳鸣鸣2，靳宪刚1，刘立锋2，李利斌2，李化银2
(1. 微山县农业局，山东 微山 277600;
2. 山东省农业科学院蔬菜研究所 /山东省设施蔬菜生物学重点实验室 /
国家蔬菜改良中心山东分中心，山东 济南 250100;3. 河北师范大学生命科学学院，河北 石家庄 050016)
摘 要:小立碗藓(Physcomitrella patens)是目前发现的唯一具有高频率同源重组特性的植物，是研究植物
代谢和发育的理想的模式系统。本文从生育周期、代谢和发育方面综述了其研究进展。
关键词:小立碗藓;同源重组;代谢;发育;模式系统
中图分类号:Q949. 35 + 2． 305 文献标识号:A 文章编号:1001 －4942(2011)10 －0046 －05
Research Progress of Physcomitrella patens
in Metabolism and Development
ZHANG Tao1* ，YE Shuai2，3* ，YUE Ming － ming2，JIN Xian － gang1，
LIU Li － feng2，LI Li － bin2，LI Hua － yin2
(1． Agricultural Bureau of Weishan County，Weishan 277600，China;
2． Institute of Vegetables，Shandong Academy of Agricultural Sciences /Shandong Key Laboratory of
Greenhouse Vegetable Biology /Shandong Branch of National Vegetable Center，Jinan 250100，China;
3． College of Life Science，Hebei Normal University，Shijiazhuang 050016，China)
Abstract Up to now，the moss Physcomitrella patens is the only one land － plant with the highest fre-
quency of homologous recombination，which is the ideal model system for studying plant development and me-
tabolism． In this paper，the research progress was summerized in life cycle，metabolism and development．
Key words Physcomitrella patens;Homologous recombination;Metabolism;Development;Model sys-
tem
苔藓是最古老的陆生植物之一，大约起源于
5 亿年前，在世界各地有着广泛的分布［1］，是研究
陆生植物进化的理想材料。从进化角度看，苔藓
植物和维管植物属于单起源系统上的姐妹进化
支［2］。苔藓是一种配子体占主体、孢子体寄生在
配子体上的隐花植物。它的配子体有原丝体和茎
叶体两种形态，原丝体是由单列细胞排列形成的
丝状体，茎叶体则具有明显的三维结构。苔藓植
物可以分泌与高等植物相同的激素，对环境的反
应也相似，但其发育模式相对简单，是研究植物的
形态建成、向光性和极性的好材料［3］。
小立碗藓(Physcomitrella patens)是苔藓植物
的一种，是目前发现的唯一具有高频率同源重组
特性的植物。其生命周期短，易于培养，个体小，
易于转化(PEG介导的原生质体转化) ，具有很强
的再生能力，几乎所有的细胞都可以再生为原丝
体组织，有利于高通量规模化培养和突变体筛选。
小立碗藓所具有的单倍体配子体世代占优势的世
代交替现象，有利于快速构建突变体和遗传性状
的直接分析。虽然其解剖结构简单，但却有复杂
的形态学结构和形态发生过程，生长调节物质与
其它高等植物有类似的效果，使小立碗藓成为研
DOI:10.14083/j.issn.1001-4942.2011.10.002
究植物代谢和发育的理想的模式系统。
1 生命周期
同蕨类植物及种子植物相似，小立碗藓也具
有世代交替现象，但以单倍体世代即配子体世代
占优势。其孢子体细胞经减数分裂形成孢子，孢
子萌发进入配子体的原丝体阶段。原丝体是由顶
端细胞经一系列分裂形成的绿丝体细胞组成的，
绿丝体细胞含有大量叶绿体，具有同化作用，其顶
端细胞以每小时 2 ～ 5 μm 的速度伸长，并且每
22 ～ 24 小时分裂一次。绿丝体的次顶端细胞经
过有限次数的分裂形成侧枝。
一些绿丝体的顶端细胞经过转变，继续分裂
形成轴丝体。轴丝体是另外一种原丝体，其细胞
内容物较少，叶绿体数量较少，很少能彻底发育成
绿丝体。轴丝体的顶端细胞以每小时 25 ～ 40 μm
的速度伸长，每 6 ～ 8 小时分裂一次;轴丝体细胞
有很长的 G1 期和很短的 G2 期。轴丝体的次顶端
细胞进行有限次数的分裂也形成侧枝，很多侧枝
在强光条件下发育成绿丝体，其他发育成轴丝体
和芽。芽的发生是植物生长从二维原丝体生长转
变成三维植物体生长的转化过程。
小立碗藓雌雄同株，雌株分化成颈卵器，雄株
分化成精子器。精子器成熟后顶端裂开，精子溢
出体外，借助水游到颈卵器附近，进入颈卵器，与
卵接合，形成合子，合子不经休眠，即在颈卵器内
发育成胚。胚逐渐分化形成蒴柄和孢蒴。蒴柄深
入母体形成基足，基足吸收养料，蒴柄上长有孢
蒴，小立碗藓孢蒴的结构比其他苔藓植物简单，没
有帮助孢子释放的结构。每个孢蒴中大约产生
4 000个孢子。小立碗藓在人工培养条件下，大约
八周完成一次生活史［8］。
2 代谢方面的研究
许多苔藓植物能在简单培养基中培养［5］，正
向和反向遗传学技术的有效性使苔藓植物成为代
谢研究的极好材料。Engel［6］首先成功地分离出
硫胺素和烟酸营养缺陷型的小立碗藓突变体，这
些突变体生长需要维生素;随后进一步研究得到
的营养缺陷型突变体需要利用蔗糖才能正常生
长，并且此突变体不能利用硝酸盐作为氮源。目
前用反向遗传学方法进行的研究日益增多，而这
些研究具有重要的潜在意义。
2. 1 硫同化作用的研究
植物像真菌和细菌一样，通过分解硫酸盐离
子获得硫元素，路线如下:硫酸盐离子→亚硫酸盐
→硫化物→含硫氨基酸。降解硫酸盐变为亚硫酸
盐，可以通过两个可能路线来进行，首先 ATP 和
硫酸盐经依赖 ATP 的硫酸化酶的催化形成 APS
(adenosine 5 － phosphosulfate) ，然后 APS 可以被
APS还原酶直接还原成亚硫酸盐或者被 APS 激
酶磷酸化形成 PAPS(phosphoadensoine 5 － phosp-
hosulfate) ，PAPS再被 PAPS还原酶还原成亚硫酸
盐。在小立碗藓中，APS还原酶基因是单拷贝的，
通过基因打靶破坏此基因，结果 APS 还原酶基因
不能转录，APS还原酶的活性全部丧失，但功能缺
失突变体仍然能利用硫酸盐作为它们唯一的硫
源，并且硫酸盐同化能力只降低了 50%，表明了
第二条硫酸盐同化路线的存在［7］。
硫酸盐同化的下一步是通过亚硫酸盐还原酶
将亚硫酸盐还原成硫化物。这个酶在小立碗藓中
也是由一个单拷贝基因所编码的，利用同源重组
使之失活，结果显示，尽管敲除突变体表现出一定
程度的生长延迟，但它仍能用硫酸盐作为唯一的
硫源，这可能是因为亚硝酸盐还原酶(一种硝酸
盐同化酶)也有亚硫酸盐还原酶活性［7］。
2. 2 糖代谢的作用研究
Hxk1 是编码主要己糖激酶的基因，利用同源
重组技术将小立碗藓的 Hxk1 破坏［9］，结果 Hxk1
的敲除突变体只有 20%的葡萄糖磷酸化活性，表
明此基因编码小立碗藓主要己糖激酶;与此相一
致的是，培养突变体的培养基比培养野生型的培
养基中的葡萄糖含量低很多。
在酿酒酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)中
Hxk2 基因编码的主要己糖激酶也起到了葡萄糖
阻遏作用。Snf1 编码的一个蛋白激酶组成转录引
导链的一部分，在有葡萄糖存在的条件下使碳的
分解代谢停止。Hxk2 己糖激酶通过葡萄糖抑制
Snf1 的细节还不清楚，但有证据显示，相似的系统
亦存在于植物中，小立碗藓成为加强这方面研究
的极好材料［9］。目前已经从小立碗藓中克隆出
两个 Snf 基因:Snf1a 和 Snf1b，研究表明，使两者
之一失活，植株没有明显的表型变化;但两基因同
时失活的植株，没有类似 Snf1 激酶的活性，且有
一些发育异常的产生了大量的轴丝体，表现出与
Hxk1 敲除突变体相反的结果。而且 Snf1a 和
74第 10 期 张 涛等:小立碗藓代谢与发育研究进展
Snf1b双失活的突变体不能生长在光照和黑暗交
替出现的条件下，而野生型则可在这种条件下旺
盛地生长［9］，这也暗示了这些基因产物对代谢调
节是非常必要的，是小立碗藓在黑暗中生存所必
需的，这些可为继续阐明己糖激酶与 Snf1 基因产
物之间是否有直接联系提供依据。
3 发育方面的研究(激素的合成与作用)
3. 1 植物生长素方面的研究
在苔藓中，外源植物生长素诱导绿丝体分化
成轴丝体，抑制绿丝体分枝［11］。小立碗藓配子体
组织中含有至少一种内源植物生长素，如吲哚乙
酸［12］，利用植物生长素诱导启动子 GH3 和 DH5
驱动 GUS报告基因的表达，进而可测出不同组织
中的生长素水平，GUS 染色显示所有细胞类型都
能对生长素做出反应，但在幼嫩、生长活跃的原丝
体和配子托组织的细胞中 GUS 表达强烈［13］。分
离到的小立碗藓突变体———耐受植物生长素类似
物萘乙酸的突变体(NAR 突变体)［14］，用生长素
处理时，表现为绿丝体产量比野生型有所增加并
且不产生配子托;用细胞分裂素处理时，则恢复为
野生型形态，这表明此突变体不能合成细胞分裂
素。耐受细胞分裂素类似物的突变体(BAR 突变
体)能因外源生长素的存在而存活，可能在生长
素合成方面有缺陷。细胞分裂素诱导芽形成，通
过连续更换培养基证实了在小立碗藓中生长素是
产生无丝体所必要的，在没有生长素的情况下细
胞分裂素不能诱导芽的形成［15］。
目前对小立碗藓中涉及生长素的信号途径了
解得相对较少，然而生长素所起的作用显示了复
杂而多样的信号级联反应。最近的一项研究显示
生长素的处理使 Ca2 + 快速流入 F. hygrometrica
的绿丝体顶端细胞，形成 Ca2 + 浓度梯度［16］。在
F. hygrometrica中用细胞分裂素处理也出现了类
似的现象［17］。生长素与光受体的结合已通过破
坏蓝光受体被证实，此结合提高了小立碗藓对外
源生长素的敏感度并且抑制了生长素诱导基因的
表达［18］。有人提出是蓝光受体通过下调生长素
诱导基因的表达来抑制生长素的灵敏性;另有实
验表明，生长素诱导 Ppbb7 基因同源区域的表达，
此区域与假根分化有关［19］。生长素和其它激素
在植物生长和发育过程中起着关键而复杂的作
用。
3. 2 细胞分裂素方面的研究
苔藓对细胞分裂素的刺激敏感，使其成为研
究细胞分裂素信号途径良好的模式植物。细胞分
裂素处理可以诱导苔藓芽的形成［20］，提高芽的产
量，这已经在包括小立碗藓在内的 20 多种苔藓植
物［21］中有所描述。细胞分裂素处理小立碗藓可
诱导产生大量配子托，结果造成轴丝体上芽的形
成，在一些绿丝体上也出现过类似现象［22］。从苔
藓中分离鉴定出的 25 个高产配子托的突变体
(OVE)［23］在生长培养基中产生更高水平的细胞
分裂素———异戊烯基腺嘌呤和玉米素，表明这些
突变体可能是因细胞分裂素而高产配子托的。互
补分析结果显示，15 个 OVE 突变体中 14 个是隐
性的并可能是功能缺失突变体，7 个被归类为 3
个互补组［24］。从小立碗藓中分离的一个温度敏
感型 OVE突变体在 25℃产生大量的细胞分裂素，
表明其可作为研究细胞分裂素应答特征及合成等
有利工具［25］。
生化技术也被用来鉴定苔藓细胞分裂素应答
中的有关蛋白。用放射性标记结合 SDS － PAGE
分析，结果表明，细胞分裂素可以诱导小立碗藓中
一个 14 ku 的胞外蛋白的表达［26］;另外，用某种
细胞分裂素拮抗剂做光亲和标记可以鉴别细胞分
裂素信号途径［27］中某种潜在的有关蛋白，尽管这
些蛋白的功能尚不完全清楚，但这对理解与细胞
分裂素有关的过程是非常必要的。另有研究者利
用蛋白组学方法鉴定出由 8 个细胞分裂素上调蛋
白组成的 3 个关键的能量转换酶［28］，这反映了细
胞分裂素诱导形态改变需要大量的能量。另外，
最近一项对磷脂酶 C 突变体的研究显示，细胞分
裂素应答中存在磷酸肌醇信号途径［29］。在小立
碗藓中，磷脂酶 C 突变体的配子托产量有所降
低，并且丧失了对外源细胞分裂素的敏感性。
细胞分裂素的合成模式目前仍然不很清
楚［30］，有研究试图辨别细胞分裂素从头合成途径
的可能性，结果显示，在培养小立碗藓 OVE 突变
体的培养基中加入的放射性标记腺嘌呤，可被快
速转变成异戊烯基腺嘌呤后，并排泄到培养基
里［31］。这为小立碗藓中细胞分裂素的从头合成
途径提供了强有力的证据，并反驳了 tRNA 的降
解可作为细胞分裂素产生途径的观点。OVE 突
变体的 tRNA水平与野生型相类似［32］，更进一步
支持了细胞分裂素的从头合成。目前有关苔藓细
84 山 东 农 业 科 学 2011 年
胞分裂素代谢的研究相对较少，用带标记的细胞
分裂素供给小立碗藓，结果发现其主要代谢物是
腺嘌呤和腺嘌呤核苷酸。最近从小立碗藓中克隆
了一个腺嘌呤激酶，它能在活体内使细胞分裂素
磷酸化，为苔藓细胞分裂素代谢成核苷酸提供了
证据［33］。
3. 3 脱落酸方面的研究
在被子植物中，脱落酸在种子发育中起着非
常关键的作用，包括控制营养物质的合成、耐干
燥、抑制从胚向营养生长的发育等。脱落酸也能
调节植物对应激因素，如:极端温度、创伤、干旱等
的反应。目前 ABA 在苔藓植物中的信号途径已
经非常清楚，但它的作用还不明了，多数研究都集
中在 ABA在苔藓耐受环境压力中所起的作用上。
如:少于 10%的小立碗藓细胞能在温度缓慢降到
4℃时存活下来，但用 ABA 预处理能显著提高其
存活率［34］，并能在 24 小时内提高 14 个 ABA 应
答基因的表达能力，这与 ABA应答途径的运转及
某个特定基因表达的提高密切相关;用氯化钠和
甘露醇处理也能加强抗寒能力，并且增强了 14 个
ABA应答基因中的 11 个基因的表达。最近研究
显示，严寒伤害可导致小立碗藓超微结构的改变，
而 ABA预处理则可避免这种情况的发生［35］。
小立碗藓中 ABA应答途径的存在，最先是在
用连有 GUS报告基因的小麦启动子(来自于应答
ABA的 Em基因)［35］转化苔藓时发现的，试验结
果显示，向苔藓原丝体培养基中加入 ABA导致了
GUS的表达;而启动子的突变分析显示，同样的核
酸在被子植物和苔藓中表达都比较稳定。这表
明，至少在转录水平上控制 Em启动子的表达，苔
藓与种子植物之间是保守的。此外，DNA 酶印迹
分析也显示，苔藓中的转录因子通过 Em 启动子
来起作用与种子植物中的蛋白通过 Em 启动子来
起作用显示了相同的印迹。这些研究结果清楚地
指明了鉴别保守信号媒介、启动子元件以及基因
的相关途径的研究有助于阐明 ABA 信号途径的
进化。
4 小结与展望
小立碗藓本身所表现出的分子生物学特点及
其与高等陆生植物基因的相似性使之成为解决高
等植物中疑难问题的有利工具。基因打靶技术已
经成为细菌、酵母、少数种类丝状真菌以及哺乳动
物基因功能研究中的核心技术。但基因打靶的频
率在高等植物中极低，使它很难成为植物基因组
研究的常规技术;而小立碗藓具有高效的基因打
靶加之其他方面的优越性，如:基因组较小、全基
因组测序已完成［37］、生活周期短、个体小、易于培
养、再生力极强以及有与其他陆生植物相似的结
构和功能特征等，因此用小立碗藓为材料研究生
物学系统进化和遗传进化很有意义，且利用其研
究其他高等植物中的同源基因功能也有极大的可
行性，还可用它来研究复杂的代谢和发育过程，如
器官形成或者构建特定基因缺失突变体［38］。鉴
于其高效的同源重组，可以实现基因特定位点甚
至特定碱基的改变来研究蛋白质特定位点的作
用，在理论上可以实现按照既定目标“修改”蛋白
的结构而这将会在蛋白质工程研究中起到非常重
要的作用。小立碗藓原丝体生长迅速，24 小时生
物量可增加一倍［39］，可以进行规模化培养，并可
用于生产诸如次生代谢物、抗体等特需物质。因
此其具有较高的经济与应用价值，前景广阔，可能
成为研究多细胞真核生物功能基因组学的理想模
式系统［40，41］。
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05 山 东 农 业 科 学 2011 年