全 文 ：植物生理学通讯 第 44卷 第 3期，2008年 6月578
植物生长素与体细胞胚发生
卢爱华 1,2，王永飞 1，马三梅 1，李晓东 2,*
1暨南大学生物工程学系，广州 510632；2深圳职业技术学院，广东深圳 518055
The Relationship between Auxin and Somatic Embryogenesis in Plants
LU Ai-Hua1,2, WANG Yong-Fei1, MA San-Mei1, LI Xiao-Dong2,*
1Department of Biotechnology, Jinan University, Guangzhou 510632, China; 2Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055,
China
提要：简要介绍了植物生长素对体细胞胚发育的作用及其调控机制的研究进展。
关键词：植物生长素；体细胞胚；发育；调控
* 通讯作者(E-mail：lxd1819@yahoo.com.cn；Tel：0755-26019169)。
收稿 2008-02-22 修定 2008-04-24
资助 深圳职业技术学院重点课题项目(0 6KJX01 2)。
* 通讯作者(E-ma il：lxd1 8 19 @yahoo.com.cn；T el：
0 75 5-26 0 19 16 9)。
体细胞胚(somatic embryo)是从体细胞分化而
来的，在形态上与合子胚有相似的结构，发育过
程也与合子胚相似。愈来愈多的研究表明，在植
物体细胞离体培养中，通过体细胞胚发生途径形
成再生植株的现象已十分普遍。由于体细胞胚发
生过程重演了合子胚形态发生，因此深入研究体
细胞胚的发生与发育机理对于揭示细胞分化、发
育、形态发生与合子胚发育理论问题很有意义。
此外，体细胞胚的发生还为人工种子制作、作物
品种改良、优良种质的无性繁殖、转基因受体和
突变体筛选等提供良好的实验体系，因而一直受
到极大关注。现已经证明，植物生长调节剂的诱
导和调节是离体培养条件下体细胞转化成胚性细胞
的重要诱导因子。其中生长素是诱导体细胞胚发
生的关键因素(Dudits等 1991；崔凯荣等 2000)。
本文介绍植物生长素在体细胞胚发育中的作用及其
调控机制。
1 人工合成的生长素类物质与植物体细胞胚发生
人工合成的植物生长素类物质主要包括萘乙
酸(naphthalene acetic acid, NAA)和2,4-二氯苯氧乙
酸(2,4-dichlorophenoxyacetic acid, 2,4-D)等。它
们是多数植物的组织和细胞离体培养所必须的。
业已查明，NAA在胡萝卜(Daucus carota var. sa-
tiva DC.)培养中对体细胞胚的起始和成熟有积极作
用。2,4-D通常用于起始胡萝卜和其他一些物种的
组织培养。含有 2,4-D的培养基通常会导致未分
化的愈伤组织增殖，一旦除去 2,4-D，未分化的
细胞团即开始有组织的生长，最后发展成体细胞
胚(Ribnicky等 1996)。胡萝卜在含有 2,4-D的MS
培养基上可以诱导出胚性愈伤组织，再将这些胚
性愈伤组织转移到不含 2,4-D的MS培养基中，就
可诱导体细胞胚的形成和发育(Satoh等 1986)。
DNA的甲基化可引起基因失活(Cedar和Razin
1990)。LoSchiavo等(1991)观察到，2,4-D的浓度
与细胞核DNA甲基化程度有关，胡萝卜悬浮培养
物在含高浓度 2,4-D的培养条件下，细胞核DNA
甲基化增加，基因表达活性下降；除去或降低 2,
4-D浓度时，细胞核 DNA的甲基化降低，从而
激活相应基因表达。这说明，2,4-D是通过影响
核DNA的甲基化程度而调控基因表达和体细胞胚
发育的，在高浓度 2,4-D条件下，胡萝卜胚性细
胞的发育受抑制。
2 内源生长素与植物体细胞胚形成
尽管外源生长素类物质对植物细胞的体外培
养是必须的，但试验证明，内源激素代谢和动态
平衡在细胞分化中起关键作用。培养的植物细胞
中会产生大量的 IAA。内源 IAA含量在体细胞胚
发育的不同时期的水平不同。在小麦(Triticum
aestivum L.)胚性愈伤组织诱导及分化过程中，胚
性愈伤组织的内源激素含量远高于非胚性愈伤组
织，特别是 IAA含量在胚性细胞分化早期明显升
高，同时内源生长素的含量与胚性细胞分化频率
密切相关(李雪梅和刘熔山 1994；Fischer-Iglesias
等 2001)。有人在玉米(Zea mays L.)未成熟胚胚性
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愈伤组织诱导中见到，胚性愈伤组织发生前，内
源 IAA含量呈上升趋势，伴随着胚性愈伤组织的
发生，内源性 IAA含量出现峰值，随后呈大幅下
降趋势(付凤玲等 2006)。在大麦(Hordeum vulgare
L.)的花药培养的脱分化阶段，IAA含量从刚接种
时由高降低，后再升高，在再分化阶段呈升高的
趋势(徐武等 1995)。Ribnicky等(2002)等报道，在
胡萝卜细胞的早期合子胚(球形胚)时期，内源性
IAA含量增加。另外，内源激素 IAA含量的高低
影响到不同大豆(Glycine max L.)品种愈伤组织诱
导和分化的难易，内源激素 IAA含量高时，愈伤
组织容易诱导；同样，胚性愈伤组织中的 IAA含
量高于非胚性愈伤组织中 IAA含量，且外植体在
培养的第 6天愈伤组织中 IAA的含量达到最大值
(郭子彪和盖钧镒 1997)。综上所述，内源性 IAA
含量的上升或维持在较高的水平是胚性细胞出现的
一个共同标志。
在棉花(Gossypium hirsutum L.)组织培养的细
胞从脱分化开始直到再分化，IAA含量减少，而
脱分化过程的前期异戊烯腺苷(isopentenyladenosine,
iPAs)的含量处于最低，因此，IAA/iPAs的比率在
再分化前是最大值的。在细胞的再分化过程中，
内源 IAA水平急剧增加，IAA与 iPAs的比率同时
增加。据此 Zeng等(2007)推测，棉花细胞中生长
素和细胞分裂素的动态消长是体细胞胚形成过程中
细胞脱分化和再分化的基础。在胡萝卜组织培养
中，外源2,4-D促进内源 IAA大量积累(Michalczuk
等 1992a，b)，由此推测胡萝卜细胞胚胎发生的
能力与内源 IAA水平的升高有紧密的关联，也表
明2,4-D作用于细胞并不是直接作为一种生长素关
系物质，而是通过影响内源激素含量变化而发挥
作用的。有人认为，外源生长素必须通过调节内
源激素的水平才能发生作用(韩碧文和李颖章
1993)。但 Ribnicky等(1996)认为，2,4-D和NAA
都可以促进胡萝卜下胚轴愈伤组织的增殖，但对
内源 IAA浓度影响较小，外源生长素对诱导胡萝
卜下胚轴的愈伤组织增殖及其对下胚轴形成体细胞
胚的能力都是必需的。
3 与生长素及其类似物有关的体细胞胚发生过程
中的基因表达
体细胞胚发生的本质是基因差别表达的结
果，植物激素在体细胞胚形成中有调节作用。在
烟草(Nicotiana tabacum L.)未分化的分生组织薄壁
细胞悬浮培养时，IAA能促进 RNA的合成(Cheng
和 Hagen 1971)。在烟草细胞悬浮培养中，用 2,
4-D处理生长素饥饿的细胞后15~30 min或更短的
时间内，细胞中mRNA便开始积累，通过 cDNA
文库差异筛选，获得 7种 2,4-D诱导的mRNA，
其中的 3种是生长素初期应答基因，它们编码的
蛋白可能与细胞分裂的起始有关(van der Zaal等
1987)。用 2,4-D处理大豆下胚轴后，15~30 min
内 RNA水平迅速升高，处理 2~4 h后水平最大，
分析这些与RNA相对应的 cDNA表明，这些RNA
的增加与某些特定的DNA序列的转录活性增加有
关(Hagen等 1984)。
Aux/IAA基因家族是生长素的初期应答基因，
其编码的Aux/IAA蛋白主要是作为转录因子介导生
长素的特异反应，其迅速降解对其介导的生长素
反应十分重要。外植体在愈伤组织诱导培养基上
培养时，细胞内的许多激素应答基因受激素的增
量调节，这些基因中有许多编码 Aux/IAA蛋白
(Che等 2002)。另外，生长素还可调节K+通道基
因 ZMK1的表达，ZMK1基因已证明在胚胎发育
中起作用(Philippar等 2006)。
4 生长素及其类似物调节体细胞胚发生的机制
生长素受体的研究在生长素的作用机制研究
中有重要的地位，一直受到人们的关注。TIR1基
因在整个的植物发育包括胚胎形成过程中均可以表
达(Gray等 1999)。近年来的研究表明，TIR1是
生长素的受体；在体外，生长素和 TIR1直接结
合，启动 TIR1和 AUX/IAAs的相互作用，介导
Aux/IAA蛋白的降解和生长素调节的基因的转录
(Dharmasiri等 2005a)。后来Dharmasiri等(2005b)
又发现，AFB1、AFB2和AFB3也可以调节Aux/IAA
蛋白的降解，参与生长素的反应，缺乏这 4种蛋
白的植物对生长素不敏感，显示出与 mp/arf5和
bdl/iaa12突变体相似的胚胎表现型。因此，他们
推测，AFBs和 TIR1介导胚胎发育及植物整个发
育过程中的生长素反应。
近年来越来越多的证据显示，细胞内的 Ca2+
作为第二信号参与生长素的反应(Du和 Poovaiah
2005)。钙在植物体内与信息的感受、传递和反
应密切相关。生长素可以刺激钙的释放，增加细
胞内游离 Ca2+的浓度。在小麦的叶基培养中，用
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钙的螯合剂“EGTA”处理事先用 2,4-D处理过
的叶基，体细胞胚的形成即受抑制。这种抑制作
用可以特异地为 Ca2+逆转，但不能被其他阳离子
如Mg2+和K+所逆转。无论是否有2,4-D存在，Ca2+
载体“A23187”处理后的叶基，均可见体细胞
胚的形成；用 Ca2+的拮抗物“TMB8”处理可消
除培养基中的 Ca2+，并导致体细胞胚的数量减少
80%；用钙通道阻滞剂“维拉帕米(verapamil)”和
“硝苯地平(nifedipine)”，钙拮抗剂“镧”，钙调
素抑制剂“氯丙嗪(chlorpromazine)”和“氟奋乃
静(fluphenazine)”处理经 2,4-D诱导过的小麦叶基
后，体细胞胚的形成即抑制。这些表明，钙 -钙
调蛋白在生长素诱导的体细胞胚形成过程中有偶联
作用(Mahalakshmi等 2007)，暗示 2,4-D诱导的体
细胞胚形成可能是由钙介导的。
5 结语
体细胞胚的发生是离体培养因素调控的结
果。生长素在胚胎发生早期起着决定性作用
(Fischer-Iglesias等 2001)。虽然生长素受体的发现
是生长素研究问题上的一大进步，但体细胞胚发
育机制的揭示还有很长的路要走。今后在生长素
对体细胞胚发生作用的研究中以下问题值得注
意：(1)生长素信号与受体结合后是如何传递并最
终影响基因差异表达的；(2)生长素和其他激素是
如何相互作用最终调控体细胞胚的发生和形成
的；(3)生长素信号和其他的信号途径有什么样的
联系。
参考文献
崔凯荣, 邢更生, 周功克, 刘新民, 王亚馥(2000). 植物激素对体细
胞胚胎发生的诱导与调节. 遗传, 22 (5): 349~354
付凤玲, 冯质雷, 渠柏艳, 李晚忱(2006). 玉米未成熟胚胚性愈伤
组织诱导率与内源激素含量的关系. 核农学报, 20 (1): 10~14
郭子彪, 盖钧镒(1997). 内源激素 IAA、ABA对大豆萌发子叶
胚性愈伤组织诱导及其分化的调控. 大豆科学, 1 6 (3 ) :
194~198
韩碧文, 李颖章(1993). 植物组织培养中器官建成的生理生化基
础. 植物学通报, 10 (2): 1~6
李雪梅, 刘熔山(1994). 小麦幼穗胚性愈伤组织诱导及分化过程
中内源激素的作用. 植物生理学通讯, 30 (4): 255~260
徐武, 李鸣, 李安生(1995). 大麦花药培养过程中内源激素的变
化. 大麦科学, (1): 14~16
Cedar H, Razin A (1990). DNA methylation and development.
Biochim Biophys Acta, 1049 (1): 1~8
Che P, Gingerich DJ, Lall S, Howell SH (2002). Global and hor-
mone-induced gene expression changes during shoot devel-
opment in Arabidopsis. Plant Cell, 14 (11): 2771~2785
Cheng TY, Hagen GL (1971). Ribosomal RNA precursor synthe-
sis in tobacco tissue culture. Biochim Biophys Acta, 228 (2):
503~508
Dharmasiri N, Dharmasiri S, Estelle M (2005a). The F-box pro-
tein TIR1 is an auxin receptor. Nature, 435 (7041): 441~445
Dharmasiri N, Dharmasiri S, Weijers D, Lechner E, Yamada M,
Hobbie L, Ehrismann JS, Jurgens G, Estelle M (2005b). Plant
development is regulated by a family of auxin receptor F box
proteins. Dev Cell, 9 (1): 109~119
Du L, Poovaiah BW (2005). Ca 2+/calmodulin is critical for
brassinosteroid biosynthesis and plant growth. Nature, 437
(7059): 741~745
Dudits D, Bögre L, Györgyey J (1991). Molecular and cellular
approaches to the analysis of plant embryo development
from somatic cells in vitro. J Cell Sci, 99 (3): 473~482
Fischer-Iglesias C, Sundberg B, Neuhaus G, Jones AM (2001).
Auxin distribution and transport during embryonic pattern
formation in wheat. Plant J, 26 (2): 115~129
Gray WM, del Pozo JC, Walker L, Hobbie L, Risseeuw E, Banks
T, Crosby WL, Yang M, Ma H, Estelle M (1999). Identifica-
tion of an SCF ubiquitin-ligase complex required for auxin
response in Arabidopsis thaliana. Genes Dev, 13 (13):
1678~1691
Hagen G, Kleinschmidt A, Guilfoyle T (1984). Auxin-regulated
gene expression in intact soybean hypocotyl and excised
hypocotyl sections. Planta, 162 (2): 147~153
LoSchiavo F, Filippini F, Cozzani F, Vallone D, Terzi M (1991).
Modulation of auxin-binding proteins in cell suspensions. 1.
Differential responses of carrot embryo cultures. Plant
Physiol, 97 (1): 60~64
Mahalakshmi A, Singla B, Khurana JP, Khurana P (2007). Role
of calcium-calmodulin in auxin-induced somatic embryogen-
esis in leaf base cultures of wheat (Triticum aestivum var. HD
2329). Plant Cell Tiss Org Cult, 88 (2): 167~174
Michalczuk L, Cooke TJ, Cohen JD (1992a). Auxin levels at
d i f fer e nt s t a ge s of ca r rot soma t ic embr yoge nesi s .
Phytochemistry, 31 (4): 1097~1103
Michalczuk L, Ribnicky DM, Cooke TJ, Cohen JD (1992b).Regu-
lation of indole-3-acetic acid biosynthetic pathways in car-
rot cell cultures. Plant Physiol, 100 (3): 1346~1353
Philippar K, Buchsenschutz K, Edwards D, Loffler J, Luthen H,
Kranz E, Edwards KJ, Hedrich R (2006). The auxin-induced
K+ channel gene Zmk1 in maize functions in coleoptile growth
and is required for embryo development. Plant Mol Biol, 61
(4-5): 757~768
Ribnicky DM, Cohen JD, Hu WS, Cooke TJ (2002). An auxin
surge following fertilization in carrots: a mechanism for regu-
lating plant totipotency. Planta, 214 (4): 505~509
Ribnicky DM, Ilic N, Cohen J D, Cooke TJ (1996). The effects
of exogenous auxins on endogenous indole-3-acetic acid me-
t a b o l i s m ( T h e i m p l i c a t i o n s fo r c a r r o t s o m a t i c
embryogenesis). Plant Physiol, 112 (2): 549~558
Satoh S, Kamada H, Harada H, Fujii T (1986). Auxin-controlled
glycoprotein release into the medium of embryogenic carrot
cells. Plant Physiol, 81 (3): 931~933
van der Zaal EJ , Memelink J, Mennes AM, Quint A, Libbenga KR
(1987). Auxin-induced mRNA species in tobacco cell cultures.
Plant Mol Biol, 10 (2): 145~157
Zeng FC, Zhang XL, Jin SX, Cheng L, Liang SG, Hu LS, Guo XP,
Nie YC, Cao JL (2007). Chromatin reorganization and en-
dogenous auxin/cytokinin dynamic activity during somatic
embryogenesis of cultured cotton cell. Plant Cell Tiss Org
Cult, 90 (1): 63~70