第02章 细胞全能性-1
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第二章植物组织培养的基本原理-精品文档
二、植株再生的方式： 1、器官发生（organogenesis）： ①一部分由外植体中已存在的器官原基发育而来。 ②多数则是由外植体经过脱分化后形成愈伤组织，在不断的 培养过程中形成的一些分生细胞团，这些分生细胞团在进 行分化后，重新形成不同类型的器官原基形成的。 特点：单极性结构、新发生的器官原基中的原形成层结构与 母体（愈伤组织或外植体）的维管组织相连接。
1934年, White用离体的番茄根建立了第一个活跃生长的无 性系，使根的离体培养实验首次获得了真正的成 功。提出B族维生素的重要性。 1944年，Skoog报道DNA的降解产物腺嘌呤, 可以促 进愈伤组织的生长，解除生长素对芽形成的抑 制作用，诱导芽的形成。 1958年, Steward和Reinert由培养的胡萝卜细胞诱导形成 了 胚状体。 1965年, 由Vasil和Hildebrandt用单个分离的细胞培养 获得整个植株, 植物细胞全能性的理论真正得到 了科学的证实。
4、愈伤组织形成过程：
(1)
诱导期（启动期）：细胞准备分裂的时期。 外植体细胞在适宜的诱导培养条件下，细胞中RNA含 量迅速增加，核糖体数量增加、淀粉消失、线粒体嵴膜 数量增多，细胞内合成代谢迅速加强。但此时外植体的 体积大小改变不大。
Hale Waihona Puke (2) 分裂期：细胞迅速分裂时期
外植体外层细胞开始迅速分裂，中央细胞常不分裂，由于 分裂不均匀，形成了中间静止的芯。 细胞分裂快，结构松散、颜色浅、透明。
通过器官发生形成再生植物通常有三种方式：
先生根，再长芽。
先产生芽，再生根。
愈伤组织不同部位形成根、芽，通过维管组织将根、 芽连结在一起。
2、体细胞胚胎发生（somatic embryogenesis）： 特点：双极性结构，由单个体细胞形成胚状体，最后发育 生长为一个植株。
《细胞全能性》课件
细胞全能性技术的伦理与法律问题
伦理问题
细胞全能性技术的伦理问题主要涉及人类胚胎的使用和干细胞的来源，需要遵循 伦理原则，尊重人类尊严和权利。
法律问题
细胞全能性技术的法律问题主要涉及法律法规的制定和实施，需要制定相应的法 律法规，规范技术的研发和应用。
细胞全能性在医学和生物技术领域的应用前景
医学领域
推动基因治疗进步
了解细胞全能性有助于基因治疗领域的发展，通 过操纵细胞的发育潜能来治疗遗传性疾病和癌症 等疾病。
深化对生命科学的认识
对细胞全能性的研究有助于深入理解生命的本质 和起源，促进生命科学领域的基础研究发展。
02
细胞全能性的表现
细胞分裂与分化
细胞分裂
细胞全能性的表现之一是细胞分 裂，即一个母细胞分裂成两个或 多个子细胞。细胞分裂是生物体 生长、发育和繁殖的基础。
细胞全能性的研究有助于深入理解细 胞分化和胚胎发育的机制，为再生医 学、基因治疗等领域提供理论支持。
细胞全能性的概念来源
细胞全能性的概念源于胚胎发育的观 察，即早期的胚胎细胞具有发育成完 整个体的潜能。
细胞全能性的特性
遗传信息完整性
细胞全能性的基础是遗传信息的完整性，即 细胞内含有构建完整生物体所需的全套遗传 信息。
细胞全能性在医学领域的应用前景广 泛，如用于治疗疾病、组织工程和再 生医学等，有望为人类健康事业做出 重要贡献。
生物技术领域
细胞全能性在生物技术领域的应用前 景也十分广阔，如用于药物研发、生 物制品生产和基因编辑等，有望推动 生物技术的快速发展。
分化后仍具有全能性
虽然细胞在分化过程中会失去某些发育潜能，但仍 保持着产生其他类型细胞的能力。
环境因素对全能性的影响
第二章植物组织培养基本原理
第二章植物组织培养基本原理
第二节 植物的脱分化
一、愈伤组织的形成
1、形成条件： ① 外植体的细胞类型不同，形成的愈伤组织也常常异质。 ② 离体培养条件对于愈伤组织的诱导至关重要。两个因素起主要作
用：激素种类、浓度。此外，光照、基本培养基的选择、外植体 的不同生育期等条件也很重要。
诱导愈伤组织产生的主要激素有：生长素和细胞分裂素类。 生长素类主要有：2,4-D（2，4-二氯苯氧乙酸）, NAA（α-萘乙酸），IBA（吲
第二章 植物组织培养的基本原理
第二章植物组织培养基本原理
第一节 细胞全能性与细胞分化 一、细胞全能性理论的提出与发展：
植物细胞全能性理论是植物组织培养的核心理论。
1839年, Schwann提出有机体的每一个生活细胞在适宜的外部 环境条件下都有独立发育的潜能。
1901年, Morgan首次提出一个细胞应具有发育出一个完整植 株的能力。
第二章植物组织培养基本原理
分裂期
第二章植物组织培养基本原理
(3)分化期. 细胞体积大小稳定、细胞由平周分裂转为垂周分裂。 在分化末期，细胞的形态和结构上出现形态、功能不同的 区域。
第二章植物组织培养基本原理
5、 愈伤组织的生长过程的特点：
1）体积、重量： 2）生理生化特性：
诱导期、分裂期的细胞中RNA含量增加迅速、分化期含量 减少。 培养条件的改变影响了某些物质的合成。 继代培养时间的加长，愈伤组织可能出现“驯化现象”。 即在没有生长素的培养基上也能生长一段时间。
第二章植物组织培养基本原理
二、细胞分化：
分化： 植物体各个部分出现异质性的现象。 细胞分化
是导致细胞形成不同结构、引起功能改变或潜在的发育方 式改变的过程。 细胞分化 是基因在特定的时间和空间条件下选择性表达的结果。 一个活细胞从植物体内分离出来，脱离开原有的环境，其被抑 制的功能将得以恢复，重新表现出全能性。
第二节 植物的脱分化
一、愈伤组织的形成
1、形成条件： ① 外植体的细胞类型不同，形成的愈伤组织也常常异质。 ② 离体培养条件对于愈伤组织的诱导至关重要。两个因素起主要作
用：激素种类、浓度。此外，光照、基本培养基的选择、外植体 的不同生育期等条件也很重要。
诱导愈伤组织产生的主要激素有：生长素和细胞分裂素类。 生长素类主要有：2,4-D（2，4-二氯苯氧乙酸）, NAA（α-萘乙酸），IBA（吲
第二章 植物组织培养的基本原理
第二章植物组织培养基本原理
第一节 细胞全能性与细胞分化 一、细胞全能性理论的提出与发展：
植物细胞全能性理论是植物组织培养的核心理论。
1839年, Schwann提出有机体的每一个生活细胞在适宜的外部 环境条件下都有独立发育的潜能。
1901年, Morgan首次提出一个细胞应具有发育出一个完整植 株的能力。
第二章植物组织培养基本原理
分裂期
第二章植物组织培养基本原理
(3)分化期. 细胞体积大小稳定、细胞由平周分裂转为垂周分裂。 在分化末期，细胞的形态和结构上出现形态、功能不同的 区域。
第二章植物组织培养基本原理
5、 愈伤组织的生长过程的特点：
1）体积、重量： 2）生理生化特性：
诱导期、分裂期的细胞中RNA含量增加迅速、分化期含量 减少。 培养条件的改变影响了某些物质的合成。 继代培养时间的加长，愈伤组织可能出现“驯化现象”。 即在没有生长素的培养基上也能生长一段时间。
第二章植物组织培养基本原理
二、细胞分化：
分化： 植物体各个部分出现异质性的现象。 细胞分化
是导致细胞形成不同结构、引起功能改变或潜在的发育方 式改变的过程。 细胞分化 是基因在特定的时间和空间条件下选择性表达的结果。 一个活细胞从植物体内分离出来，脱离开原有的环境，其被抑 制的功能将得以恢复，重新表现出全能性。
细胞的全能性(适合讲课用,格式字体特别适合)
细胞的全能性
概念：是指已经分化的细胞，仍然具有发育成完整
个体的潜能
原因：已分化的细胞具有保持本物种遗传特性的全
部遗传物质
植物组织培养技术
脱分化 再分化
理论基础：细胞全能性
离体、消毒
的植物器官、脱分化 组织或细胞
愈伤 组织
再分化
胚 状 体
根、芽
植物体
快速繁殖花卉和蔬菜等作物
非洲爪蟾的蝌蚪
克隆羊多利
已分化的动物体细胞的细胞核 是具有全能性的
拯救珍稀濒危物种
长能性的概念、原因 • 植物组织培养技术
➢ 植物细胞具有全能性 ➢ 动物体细胞的细胞核具有全能性
想一想
• 动物和人体内有没有具有分裂和分 化能力的细胞呢？
细胞分化
• 早期胚胎通过细胞分化逐渐发育，形成各 种组织和器官。
• 如果给予一定条件，这些组织和器官中高 度分化的细胞，还能像早期胚胎细胞那样 ，再分化成其他细胞吗？
细胞的全能性
1958.美国植物学家 斯图尔德
愈伤组织
营养物质 和激素
无菌操作
离体
胡萝卜韧皮部 的一些细胞
一株新的植株
高度分化的植物细胞 仍然具有发育成完整植株 的能力
《细胞具有全能性》 知识清单
《细胞具有全能性》知识清单一、什么是细胞全能性细胞全能性是指细胞经分裂和分化后，仍具有产生完整有机体或分化成其他各种细胞的潜能和特性。
简单来说，就是一个细胞具有发育成一个完整生物体的能力。
这一概念的提出，为生物学的发展带来了重大的影响。
它让我们明白，每个细胞都蕴含着生物体的全部遗传信息，只要条件合适，就能展现出惊人的潜力。
二、细胞全能性的表现1、植物细胞的全能性在植物中，细胞全能性的表现尤为明显。
例如，通过植物组织培养技术，从一个植物细胞，如叶片细胞或茎尖细胞，能够培养出完整的植株。
科学家们将植物的一小块组织或细胞，放在含有适当营养物质和植物激素的培养基中，经过一段时间的培养，这些细胞会不断分裂、分化，最终形成一棵新的植物。
这一过程充分展示了植物细胞的全能性。
2、动物细胞的全能性与植物细胞相比，动物细胞的全能性受到了一定的限制。
但在特定的条件下，某些动物细胞也能表现出一定的全能性。
例如，受精卵就是一个具有全能性的细胞，它能够发育成一个完整的个体。
此外，早期胚胎细胞，如囊胚期的内细胞团细胞，也具有较高的全能性。
三、细胞全能性的实现条件1、细胞核的完整性细胞核中包含着生物体的遗传信息，对于细胞全能性的实现至关重要。
只有保持细胞核的完整，细胞才有可能发挥其全能性。
2、营养物质的供应细胞在分裂和分化过程中，需要各种营养物质，如氨基酸、核苷酸、维生素等。
这些营养物质为细胞的生长和发育提供了物质基础。
3、植物激素的调节在植物细胞培养中，植物激素对细胞的分化和发育起着重要的调节作用。
不同的激素组合和浓度，能够引导细胞向不同的方向分化。
4、适宜的环境条件包括温度、pH 值、氧气浓度等环境因素，都需要保持在适宜的范围内，以确保细胞能够正常地进行生命活动，发挥其全能性。
四、细胞全能性的应用1、植物组织培养基于植物细胞的全能性，植物组织培养技术在农业、园艺等领域得到了广泛的应用。
通过组织培养，可以快速繁殖优良品种，生产无病毒植株，保存珍稀植物资源等。
《细胞具有全能性》 知识清单
《细胞具有全能性》知识清单一、什么是细胞全能性细胞全能性是指细胞经分裂和分化后，仍具有产生完整有机体或分化成其他各种细胞的潜能和特性。
简单来说，就是一个细胞具备发育成一个完整生物体的能力。
这就好比一个小小的种子，它里面的细胞具有变成一棵参天大树的潜力，能长出根、茎、叶、花、果等各个部分。
对于植物细胞而言，其全能性相对较容易表现出来。
比如，我们将一段植物的茎切成小块，放在合适的培养基中，它们就有可能长成完整的新植株。
而动物细胞的全能性表现相对受限，但细胞核仍具有全能性。
例如，克隆羊多利就是通过将一个体细胞的细胞核移植到去核的卵细胞中培育而成的，这证明了动物细胞核具有发育成完整个体的潜能。
二、细胞全能性的基础细胞具有全能性的基础在于细胞内含有本物种的全套遗传物质。
就像一本完整的“生命之书”，每个细胞都拥有相同的遗传信息。
然而，在细胞的分化过程中，虽然遗传物质不变，但不同细胞会选择性地表达其中的一部分基因，从而导致细胞的形态、结构和功能出现差异。
例如，心肌细胞主要表达与收缩相关的基因，使其能够有力地收缩；而神经细胞则表达与传递神经信号相关的基因，以实现信息的传递。
三、细胞全能性的实现条件要实现细胞的全能性，需要满足一定的条件。
首先，要有完整的细胞结构。
如果细胞受到损伤或结构不完整，其全能性就难以实现。
其次，需要适宜的环境条件，包括营养物质、激素、温度、酸碱度等。
就像植物组织培养时，需要提供合适的培养基，里面包含了细胞生长和分化所需的各种营养成分和植物激素。
再者，细胞所处的状态也很重要。
通常，未分化或低分化的细胞全能性较高，而高度分化的细胞全能性相对较低。
四、细胞全能性的应用细胞全能性在许多领域都有重要的应用。
在农业方面，植物组织培养技术可以快速繁殖优良品种，还能培育出无病毒植株，提高农作物的产量和质量。
在医学领域，干细胞研究是一个热门方向。
干细胞具有自我更新和分化成多种细胞类型的能力，有望用于治疗多种疾病，如帕金森病、糖尿病等。
第二章++细胞全能性与形态发生
图 胡萝卜胚状体和合子胚发生过程比较 A 合子胚 B 胚状体
体细胞胚胎离体培养来源
①愈伤组织培养 ②离体器官或组织培养 ③单倍体细胞培养 ④悬浮细胞培养 ⑤原生质体培养
器官发生型和胚胎发生型的区别
器官发生型
形成部位 内层细胞
胚胎发生型
表层细胞
形成时间 嵌合性
极性 起源
可能不一致 存在
单极性 一个以上的细胞
二、植物细胞全能性的实现途径
1. 全能性概念
植物细胞的全能性由德国植物学家haberlandt于1902年提出。并于1958年 由Reinert和Steward证实。
广义的细胞全能性（totipotancy）是指一个细胞 发育成一个完整有机体的潜能或特性。 在离体培养中，植物细胞的全能性是指任何一个 具有完整细胞核的植物细胞，都拥有形成完整植
因此： A. 具有细胞全能性 （遗传基础） 植物 体细胞 B. 不表现全能性
a.受所在组织、 器官束缚
b.高度分化
离体条件
植物激素 营养条件
适当刺激
温度、光照、湿度
2. 全能性是细胞的一个基本属性
从理论上讲，植物细胞只要具有一个完整的膜系统 和一个有生命力的核，就具有回复到分生状态或胚性 细胞状态的能力。 并非所以的细胞都能再现全能性:
四、细胞的再分化
1．细胞分化 细胞分化是基因组中特定基因选择性表达的结果。
2．组织分化
1．细胞分化
细胞分化是组织分化、器官分化和体细胞胚胎发生的 第一步。植物细胞分化的研究重点是维管组织的分化， 特别是木质部成分的分化 。
2．组织分化
分生组织结节 愈伤组织 芽原基
维管组织结节
根原基 拟分生组织是脱分化后细胞发生一系列分裂产生的，其细胞 体积小、壁薄、液泡小，细胞质和细胞核染色深。 维管组织结节是是一定区域的愈伤组织转化为韧皮分子和木 质分子的混合体结构，这样的结构若向外延伸与拟分生组织 相连，便形成芽原基或根原基。可以认为维管组织结节是再 生植株维管束的前身。
细胞全能性
•分裂期（增殖期）---细胞不断分裂，可进行继代培养， 保持细胞分裂
•分化期---出现次生生长，愈伤组织长期不继代培养，分 化是不可避免的。
整理版ppt
22
三. 细 胞 再 分 化
• 所谓细胞分化（Differentiation），是指导致细胞形 成不同结构，引起功能改变或潜在发育方式改变的过程。
• 脱分化细胞：
• 细胞核较小，核位于细 • 细胞质显著变浓，大液
胞边缘，细胞中央有大
泡消失，核体积增加并
的液泡，细胞体内核糖 逐渐移位至细胞中央，
体密度较低，多聚核糖 细胞器增加。在这些变
体数目较少，质体为分 化中，液泡蛋白体的出
化程度较高的叶绿体、 现和质体转变为原质体
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
杂色体、白色体和淀粉
被认为是细胞脱分化的
• 染色体的反复复制
• DNA的差异扩增
• 基因重排
• 基因表达产物及其调控与修饰是细胞分化的本质所在。
越来越多的研究显示，细胞分化主要受基因在转录水平
和转录后水平的调控，其中一些特异蛋白基因的表达调
节在细胞分化过程中起到了重要作用
整理版ppt
26
极性与细胞分化
• 极性（polarity）是植物细胞分化中的一个基本现象。 • 所谓极性是指植物的器官、组织、甚至单个细胞在不同
整理版ppt
12
• 细胞脱分化调控的实质即是G0期细胞回复到分裂周期的
调控过程 •
•缺少外界生长信号或某些 必需的营养成分
•
G1
“限制点”
G0期
•细胞周期蛋白（cyclin）和依
赖周期蛋白激酶(CDK
整理版ppt
13
• 2001年度的诺贝尔生理学及医学奖获得者，美国科学 家Hartwell与英国科学家Hunt和Nurse的工作揭开了
•分化期---出现次生生长，愈伤组织长期不继代培养，分 化是不可避免的。
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三. 细 胞 再 分 化
• 所谓细胞分化（Differentiation），是指导致细胞形 成不同结构，引起功能改变或潜在发育方式改变的过程。
• 脱分化细胞：
• 细胞核较小，核位于细 • 细胞质显著变浓，大液
胞边缘，细胞中央有大
泡消失，核体积增加并
的液泡，细胞体内核糖 逐渐移位至细胞中央，
体密度较低，多聚核糖 细胞器增加。在这些变
体数目较少，质体为分 化中，液泡蛋白体的出
化程度较高的叶绿体、 现和质体转变为原质体
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
杂色体、白色体和淀粉
被认为是细胞脱分化的
• 染色体的反复复制
• DNA的差异扩增
• 基因重排
• 基因表达产物及其调控与修饰是细胞分化的本质所在。
越来越多的研究显示，细胞分化主要受基因在转录水平
和转录后水平的调控，其中一些特异蛋白基因的表达调
节在细胞分化过程中起到了重要作用
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极性与细胞分化
• 极性（polarity）是植物细胞分化中的一个基本现象。 • 所谓极性是指植物的器官、组织、甚至单个细胞在不同
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• 细胞脱分化调控的实质即是G0期细胞回复到分裂周期的
调控过程 •
•缺少外界生长信号或某些 必需的营养成分
•
G1
“限制点”
G0期
•细胞周期蛋白（cyclin）和依
赖周期蛋白激酶(CDK
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• 2001年度的诺贝尔生理学及医学奖获得者，美国科学 家Hartwell与英国科学家Hunt和Nurse的工作揭开了
植物细胞工程课件第二章细胞全能性及其生长调控
而一定的昼夜光照周期则有利于极性建立和形态 发生。
培养条件下，光照的作用更大程度上是调节细胞
的分化状态，而不是合成光合产物。
光照对器官发生的调节可能与调节培养物的内源
激素平衡有关，光照还可能影响生长素的信号转导 系统，调整生长素的极性运输，从而引起器官分化。
光质对器官分化的影响可能与光受体精确调节系
• 植物激素是离体培养中所必需的条件，与植物激 素相关的基因表达被认为是启动细胞脱分化的关 键。
2,4-D诱导表达的基因par从叶肉原生质体cDNA
主库中分离得到（Takahashi等,1989)
花粉富含硫蛋白基因NtEPa、NtEPb、NtEPc被 克隆得到，其中NtEPc的表达与BA浓度有关。
愈伤组织的形成
愈伤组织（callus）：由外植体生长得到的 一团无序的薄壁细胞。
2.1.3 细胞再分化
所谓细胞分化（Differentiation），是指导致细
胞形成不同结构，引起功能改变或潜在发育方式改 变的过程。
一个细胞在不同的发育阶段上可以有不同的形态 和机能，这是在时间上的分化； 同一种细胞后代，由于所处的环境不同而可以有 相异的形态和机能，这是在空间上的分化。
一个植物细胞向分生状态回复过程所能进行的程度， 取决于它在自然部位上所处位置和生理状态。
植物细胞全能性表现根据细胞类型不同从强到弱： 营养生长中心 > 形成层 > 薄壁细胞 > 厚壁细胞
(木质化细胞) > 特化细胞(筛管、导管细胞)；
根据细胞所处的组织不同从强到弱为： 顶端分生组织 > 居间分生组织处理的顺序不同，其作用也不一样。如果先用 生长素处理，后用细胞分裂素处理，则有利于 细胞分裂而不利于细胞分化；反之，则有利于 细胞分化。如果两者同时处理，则可促使分化 频率的提高。
培养条件下，光照的作用更大程度上是调节细胞
的分化状态，而不是合成光合产物。
光照对器官发生的调节可能与调节培养物的内源
激素平衡有关，光照还可能影响生长素的信号转导 系统，调整生长素的极性运输，从而引起器官分化。
光质对器官分化的影响可能与光受体精确调节系
• 植物激素是离体培养中所必需的条件，与植物激 素相关的基因表达被认为是启动细胞脱分化的关 键。
2,4-D诱导表达的基因par从叶肉原生质体cDNA
主库中分离得到（Takahashi等,1989)
花粉富含硫蛋白基因NtEPa、NtEPb、NtEPc被 克隆得到，其中NtEPc的表达与BA浓度有关。
愈伤组织的形成
愈伤组织（callus）：由外植体生长得到的 一团无序的薄壁细胞。
2.1.3 细胞再分化
所谓细胞分化（Differentiation），是指导致细
胞形成不同结构，引起功能改变或潜在发育方式改 变的过程。
一个细胞在不同的发育阶段上可以有不同的形态 和机能，这是在时间上的分化； 同一种细胞后代，由于所处的环境不同而可以有 相异的形态和机能，这是在空间上的分化。
一个植物细胞向分生状态回复过程所能进行的程度， 取决于它在自然部位上所处位置和生理状态。
植物细胞全能性表现根据细胞类型不同从强到弱： 营养生长中心 > 形成层 > 薄壁细胞 > 厚壁细胞
(木质化细胞) > 特化细胞(筛管、导管细胞)；
根据细胞所处的组织不同从强到弱为： 顶端分生组织 > 居间分生组织处理的顺序不同，其作用也不一样。如果先用 生长素处理，后用细胞分裂素处理，则有利于 细胞分裂而不利于细胞分化；反之，则有利于 细胞分化。如果两者同时处理，则可促使分化 频率的提高。
认识细胞的全能性
认识细胞的全能性细胞是构成生命的最基本单元，也是世界上最小的生物体。
细胞具有能够感知周围环境、产生代谢反应、维持基本结构、进行自我繁殖等基本特征。
但是，细胞的意义远不止于此，还具有一种特殊的能力——全能性。
什么是细胞的全能性呢？它指的是细胞在特定条件下能够分化为不同类型的细胞。
举例来说，人类胚胎发育最初由单个细胞——受精卵胚——发展而来，这个细胞可以分化成任何类型的细胞，包括成为心脏细胞、肺细胞、肠细胞、皮肤细胞等等。
这种能力被称为“全能性”。
与全能性相对的概念是分化，指细胞进一步成长、分裂并形成特定类型的细胞，包括骨细胞、肌肉细胞、神经细胞等。
分化是细胞与组织、器官形成、发育和功能表达的基础。
相比之下，全能性对于维持胚胎发育和治疗细胞损伤、疾病和损伤方面的重要性就显得尤为突出。
细胞的全能性一度被认为只存在于胚胎干细胞（Embryonic stem cells）中，其中包括了一些能够分化为包括皮肤、骨骼、神经以及行血管系统等各种类型的细胞。
人类胚胎细胞的使用存在着伦理道德上的问题。
但是，这激发了科学家们对于干细胞技术的研究，例如通过去除胚胎的表皮细胞、肌肉细胞等细胞类型并植入某些基因来形成人类干细胞。
这也为干细胞治疗和组织再生等众多疾病的治疗打开了新的门户，成为社会关注的热点话题。
不过，近年来的研究表明，全能性并不只存在于胚胎干细胞中。
事实上，成年人的体内也存在大量的干细胞，包括来自骨髓、脂肪、皮肤和肠等部位的干细胞。
这些细胞可以通过处理与重编程方法，得到重新激活的全能性，从而用于组织修复、再生及其他治疗方面。
总的来说，细胞的全能性是一个极具潜力的概念，并已经为许多人带来了康复和治疗希望。
随着科学技术的不断发展以及我们对细胞生命周期的了解加深，全能性细胞研究必将继续成为生命科学中的热点和前沿。
苏教版高中生物必修1课件细胞的全能性课件1
《细胞的全能性》课件
细胞分化、衰老和凋亡
主要内容
?细胞分化
多细胞生物通过受精 卵发育而来，为什么 生物体内会有不同形 态和功能的细胞呢？
?细胞衰老
?细胞的全能性
高度分化的植物细 胞还能发育成完整 植株吗？
?细胞凋亡
细胞会不会变老？
细胞会自杀吗？
一、细胞分化
在个体发育过程中，一方面，通过细 胞分裂，细胞数量越来越多；另一方 面，细胞在形态、结构和功能上发生 特异性的变化。
细胞为什么会衰老呢？ 决定衰老的主要因素是什么 呢？
探究细胞衰老的原因
背景知识 ：
巴氏小体是雌性哺乳动 物的细胞在分裂间期细 胞核中呈凝缩状态不活 动的X染色体。雄性个
体的细胞分裂间期没有 巴氏小体。
某雌性哺乳动物 分裂间期的细胞
探究细胞衰老的原因
20世纪60年代，一位科学家做了如下的实验：
实验目的：探究人的体细胞衰老是由细胞本身 决定的，还是由环境因素决定的
(2) 外部干扰说 此说认为细胞衰老既不是细胞内出现差错，
也不是由蛋白质异常引起，而是由外源性干扰 造成的。例如，自由基受外源性干扰，就会引 起衰老。
(3) 发育程序衰老说 按这一理论，衰老在最早期的发育过程
中就开始了，并且在整个一生中都以这一 规律的方式发育。
有的研究认为，控制生长发育的基因 在各个时期均可开启或关闭，有些在生命 晚期发挥作用的基因可能控制着衰老。 甚 至可能存在有“衰老基因”，使按顺序方 式进行的生化途径减慢或终止，并引起预 期的衰老变化表现。
细胞分化形成组织
受精卵
分化
多个细胞
上皮组织
肌肉组织
细胞分化形成组织受精卵源自分化多个细胞神经组织
细胞分化、衰老和凋亡
主要内容
?细胞分化
多细胞生物通过受精 卵发育而来，为什么 生物体内会有不同形 态和功能的细胞呢？
?细胞衰老
?细胞的全能性
高度分化的植物细 胞还能发育成完整 植株吗？
?细胞凋亡
细胞会不会变老？
细胞会自杀吗？
一、细胞分化
在个体发育过程中，一方面，通过细 胞分裂，细胞数量越来越多；另一方 面，细胞在形态、结构和功能上发生 特异性的变化。
细胞为什么会衰老呢？ 决定衰老的主要因素是什么 呢？
探究细胞衰老的原因
背景知识 ：
巴氏小体是雌性哺乳动 物的细胞在分裂间期细 胞核中呈凝缩状态不活 动的X染色体。雄性个
体的细胞分裂间期没有 巴氏小体。
某雌性哺乳动物 分裂间期的细胞
探究细胞衰老的原因
20世纪60年代，一位科学家做了如下的实验：
实验目的：探究人的体细胞衰老是由细胞本身 决定的，还是由环境因素决定的
(2) 外部干扰说 此说认为细胞衰老既不是细胞内出现差错，
也不是由蛋白质异常引起，而是由外源性干扰 造成的。例如，自由基受外源性干扰，就会引 起衰老。
(3) 发育程序衰老说 按这一理论，衰老在最早期的发育过程
中就开始了，并且在整个一生中都以这一 规律的方式发育。
有的研究认为，控制生长发育的基因 在各个时期均可开启或关闭，有些在生命 晚期发挥作用的基因可能控制着衰老。 甚 至可能存在有“衰老基因”，使按顺序方 式进行的生化途径减慢或终止，并引起预 期的衰老变化表现。
细胞分化形成组织
受精卵
分化
多个细胞
上皮组织
肌肉组织
细胞分化形成组织受精卵源自分化多个细胞神经组织
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34
细胞分化与 基因组变化
极性与细胞 分化 TE分化及其 调控 激素在细胞分 化中的作用
35
细胞分化中的基因组变化
• 染色体的反复复制 • DNA的差异扩增
• 基因重排
• 基因表达产物及其调控与修饰是细胞分化的本质所在。 越来越多的研究显示，细胞分化主要受基因在转录水平 和转录后水平的调控，其中一些特异蛋白基因的表达调 节在细胞分化过程中起到了重要作用
2
第一节 细胞全能性及其表达
细胞全能性概述
细胞脱分化
细胞再分化
3
一. 细胞全能性概述
一个细胞所具有的产生完整生物个体的固有能力称之为细胞的全 能性。
细胞全能性的绝对性与相对性:
不是所有基因型的所有细胞在任何条件下都具有良好的培养 反应;
即使对于植物细胞而言，细胞全能性也并不意味着任何细胞 均可以直接产生植物个体; 动、植物细胞全能性的表现程度存在明显的差异。
32
三. 细 胞 再 分 化
• 所谓细胞分化（Differentiation），是指导致细 胞形成不同结构，引起功能改变或潜在发育方式 改变的过程。
– 一个细胞在不同的发育阶段上可以有不同的形态和机 能，这是在时间上的分化；
– 同一种细胞后代，由于所处的环境不同而可以有相异 的形态和机能，这是在空间上的分化。
• 现有研究证明，植物细胞感受生长素的信号是由
生长素受体（auxin receptor）和生长素分子相
结合，使生长素受体被活化而完成的，这一过程 称为生长素感应(perception)。 • 激活的受体可能引起某些特定的反应，如某些离 子的吸收或释放、特定蛋白的磷酸化或去磷酸化 等，进而引起一系列连锁信号传导反应，最终导 致生长素诱导的基因表达。
要特征。
11
• 根据脱分化细胞过程中细胞结构发生变化的时空 顺序，细胞的脱分化过程可分为3个阶段：
– 第一阶段为启动阶段，表现为细胞质增生，并开始向 细胞中央伸出细胞质丝，液泡蛋白体出现； – 第二阶段为演变阶段，此时细胞核开始向中央移动， 质体演变成原质体；
– 第三阶段为脱分化终结期，细胞回复到分生细胞状态， 细胞分裂即将开始。
在，同时细胞也停留在G0/G1期而不能启动分裂，
由此推测，PSKα可能介导了与生长素和细胞分
裂素密切相关的信号传导途径
25
-萘乙酸 ，NAA C12H10O2 -Naphthaleneacetic Acid
6-苄胺基嘌呤,BA
C12H11N5
6-Benzylaminopurine
26
• 进一步研究表明，水稻细胞质膜存在有PSKα的蛋白质 受体，已分离的蛋白质受体为120kD和160kD的膜蛋白。 • 烟草细胞纯化的120kD蛋白为一受体激酶，含有一个胞 外富亮氨酸重复结构域和一个信号转导结构域，与PSK 高度亲合，显示PSK和120kD受体激酶是一活跃的配体 －受体对。过量表达受体蛋白基因，能显著提高愈伤组 织生长
终止其G1期的进程，进入静止状态称为G0期，一旦补
充了所缺少的因子之后，细胞即会从G0期回到G1期继
续分裂周期。
14
• 2001年度的诺贝尔生理学及医学奖获得者，美国科
学家Hartwell与英国科学家Hunt和Nurse的工作揭开
了这一过程的调控机制。 • 细胞周期蛋白（cyclin）和依赖周期蛋白激酶(CDK cyclin-dependent kinase)是两类主要的调控分子。细 胞周期运行的动力主要来自CDK，其活性则主要通
20
21
• 植物激素是离体培养中所必需的条件，因此与植物激素 相关的基因表达被认为是启动细胞脱分化的关键。 • Takahashi命名为par (prostate apoptosis response)。par基因在细胞从G0期转入S期的 早期启动中具有功能性作用。 • Kyo等克隆了一组花粉富含硫蛋白(pollen-abundant phosphoproteins)基因(Nicotiana tabacum embryogenic pollen) NtEPa，NtEPb，NtEPc。其中NtEPc的表达与花 粉细胞脱分化转变为胚性细胞高度偶联，认为该基因参 与花粉细胞培养中细胞脱分化的过程但不参与细胞进入 分裂周期后的调控过程。 22
8
二. 细 胞 脱 分 化
细胞生理与结构变化
细胞脱分化调控机理
细胞分裂与愈伤组织形成
9
细胞脱分化过程中生理和结构变化
• 培养条件下使一个已分化的细胞回复到原始无分 化状态或分生细胞状态的过程就是细胞脱分化 （dedifferentiation）。
• 离体培养下，脱分化过程发生在第一次有丝分裂 之前 。 • 静止细胞启动分裂是分化细胞成功脱分化的重要 标志。
• •
[H-Tyr(SO3H)-Ile-Tyr(SO3H)-Thr-OH] [H-Tyr(SO3H)-Ile-Tyr(SO3H)-Thr-Gln-OH]
24
或
• 检测分析发现，在同时有NAA和BA存在的条件
下，第一次细胞分裂发生在培养96小时，而培
养48小时即可检测到PSKα， 在培养基没有
NAA和BA的培养细胞中，检测不到PSKα的存
10
• 薄壁细胞：
• 脱分化细胞：
细胞核较小，核位于细胞 细胞质显著变浓，大液泡 消失，核体积增加并逐 边缘，细胞中央有大的 渐移位至细胞中央，细 液泡，细胞体内核糖体 胞器增加。在这些变化 密度较低，多聚核糖体 中，液泡蛋白体的出现 数目较少，质体为分化 和质体转变为原质体被 程度较高的叶绿体、杂 色体、白色体和淀粉体。 认为是细胞脱分化的重
5
一个植物细胞向分生状态回复过程所能进行的程度，取决 于它在自然部位上所处位臵和生理状态。
不同类型植物细胞向分生状态回复可能进行的程度趋势 营养生长中心 形成层 薄壁细胞 厚壁细胞 退化细胞
6
植物细胞全能性表现根据细胞类型不同从强到弱:
营养生长中心 > 形成层 > 薄壁细胞 > 厚壁细胞(木质化 细胞) > 特化细胞(筛管、导管细胞)；
23
•
1996年，日本学者Matsubyashi等从石刁柏培养细胞的 培养液条件化培养基(conditioned medium，CM)中发 现了PSK，它可以促进细胞的生长和增殖。
•
植物磺肽素(phytosulfokine，简写PSK)是一种新型植 物肽类生长调节物质。它是两种短肽类物质——磺化 的四肽(PSK-β)或五肽(PSK-α)，其结构为
和2类cyclin（CycB、CycD）。在环境或激素等外界条
件作用下，CycD基因首先表达生成CycD，在相关调节
因子的帮助下CycD与CDKa结合形成CDKa/CycD复合
体使CDKa活化，进而对Rb（G1期限制点调控分子）磷 酸化，使细胞通过“限制点”进入分裂周期。当细胞进 入分裂周期后，则由CDKb与CycB以及相关的调节蛋白 完成从S期到M期的调控。
30
器官，组织培养时细胞分裂首先 发生在伤口部位
培养3天
培养5天
培养7天
31
• 脱分化与愈伤组织的形成在性质上是不能等同的，脱分 化是细胞生理状态的改变，而形成愈伤组织是离体培养 中的一个阶段。
– 尽管细胞脱分化后进入细胞分裂的结果，在大多数情况下是 形成愈伤组织，但绝不是说所有的细胞脱分化的结果都必然 形成愈伤组织，许多试验表明，有些外植体的细胞脱分化以 后直接形成胚性细胞进而形成体细胞胚。 – 愈伤组织内的细胞并不是均一未分化的，即同一愈伤组织内 的细胞之间其状态存在一定差异，特别是在组织器官培养时， 往往出现部分细胞不完全脱分化的现象，从而使其很容易再 分化再生植株，这对培养来说无疑是十分有利的。
4
植物细胞按照分裂能力分为三类：
第一类是始终保持分裂能力，从一个周期进入另一个
周期的周期细胞。如茎尖、根尖及形成层细胞；
第二类是永久失去分裂能力的细胞，为终端分化细胞。
如筛管、导管、气孔保卫细胞等特化细胞； 第三类是在通常情况下不分裂，但在受到外界刺激后 可重新启动分裂的G0细胞。表皮细胞及各种薄壁细 胞。
39
百日草叶肉细胞向TE细胞分化的主要调控过程（引自Fukuda，1997）
28
29
细胞脱分化与愈伤组织形成
• 细胞脱分化是细胞状态的改变，但成功的脱分化必然会 导致细胞分裂， • 在一个细胞群体培养或组织器官培养体系中，有时很难 区分细胞脱分化与进入增殖状态的界限。 • 对于单个细胞而言，分化细胞启动分裂显然是发生在细 胞完全脱分化之后 • 细胞初期分裂方式与外植体细胞类型有关，如果外植体 细胞均为正常二倍体细胞，第一次分裂通常是有丝分裂， 如果外植体含有高倍化细胞，脱分化的第一次分裂可能 是无丝分裂。
36
极性与细胞分化
• 极性（polarity）是植物细胞分化中的一个基本现象。 • 所谓极性是指植物的器官、组织、甚至单个细胞在不同 的轴向上存在的某种形态结构以及生理生化上的梯度差 异。 • 在很多情况下，细胞的不均等分裂是是细胞极性建立的 标志。
37
墨角藻(Fucus)合子细胞不均等分裂及其早期发育（引自Bouget等，1998）
绪 论
第一章 基本技术 第二章 细胞全能性 与形态发生 第四章 植物主要 组织培养技术 第六章 原生质体培养 第八章 人工种子 第十章 动物细胞工程
1
第三章 体细胞 遗传变异
第五章 细胞培养与 次生产物生产 第七章 体细胞杂交
第九章 种质贮藏
第二章 细胞全能性与形态发生
细胞全能性及其表达 器官发生 体细胞胚胎发生
极性建立与质膜离子通道的不对称分布和细胞 周质微管重排有关
38
TE的形成与细胞分化
• 通常把离体培养中TE（TE tracheary elements,管状分子）细胞
细胞分化与 基因组变化
极性与细胞 分化 TE分化及其 调控 激素在细胞分 化中的作用
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细胞分化中的基因组变化
• 染色体的反复复制 • DNA的差异扩增
• 基因重排
• 基因表达产物及其调控与修饰是细胞分化的本质所在。 越来越多的研究显示，细胞分化主要受基因在转录水平 和转录后水平的调控，其中一些特异蛋白基因的表达调 节在细胞分化过程中起到了重要作用
2
第一节 细胞全能性及其表达
细胞全能性概述
细胞脱分化
细胞再分化
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一. 细胞全能性概述
一个细胞所具有的产生完整生物个体的固有能力称之为细胞的全 能性。
细胞全能性的绝对性与相对性:
不是所有基因型的所有细胞在任何条件下都具有良好的培养 反应;
即使对于植物细胞而言，细胞全能性也并不意味着任何细胞 均可以直接产生植物个体; 动、植物细胞全能性的表现程度存在明显的差异。
32
三. 细 胞 再 分 化
• 所谓细胞分化（Differentiation），是指导致细 胞形成不同结构，引起功能改变或潜在发育方式 改变的过程。
– 一个细胞在不同的发育阶段上可以有不同的形态和机 能，这是在时间上的分化；
– 同一种细胞后代，由于所处的环境不同而可以有相异 的形态和机能，这是在空间上的分化。
• 现有研究证明，植物细胞感受生长素的信号是由
生长素受体（auxin receptor）和生长素分子相
结合，使生长素受体被活化而完成的，这一过程 称为生长素感应(perception)。 • 激活的受体可能引起某些特定的反应，如某些离 子的吸收或释放、特定蛋白的磷酸化或去磷酸化 等，进而引起一系列连锁信号传导反应，最终导 致生长素诱导的基因表达。
要特征。
11
• 根据脱分化细胞过程中细胞结构发生变化的时空 顺序，细胞的脱分化过程可分为3个阶段：
– 第一阶段为启动阶段，表现为细胞质增生，并开始向 细胞中央伸出细胞质丝，液泡蛋白体出现； – 第二阶段为演变阶段，此时细胞核开始向中央移动， 质体演变成原质体；
– 第三阶段为脱分化终结期，细胞回复到分生细胞状态， 细胞分裂即将开始。
在，同时细胞也停留在G0/G1期而不能启动分裂，
由此推测，PSKα可能介导了与生长素和细胞分
裂素密切相关的信号传导途径
25
-萘乙酸 ，NAA C12H10O2 -Naphthaleneacetic Acid
6-苄胺基嘌呤,BA
C12H11N5
6-Benzylaminopurine
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• 进一步研究表明，水稻细胞质膜存在有PSKα的蛋白质 受体，已分离的蛋白质受体为120kD和160kD的膜蛋白。 • 烟草细胞纯化的120kD蛋白为一受体激酶，含有一个胞 外富亮氨酸重复结构域和一个信号转导结构域，与PSK 高度亲合，显示PSK和120kD受体激酶是一活跃的配体 －受体对。过量表达受体蛋白基因，能显著提高愈伤组 织生长
终止其G1期的进程，进入静止状态称为G0期，一旦补
充了所缺少的因子之后，细胞即会从G0期回到G1期继
续分裂周期。
14
• 2001年度的诺贝尔生理学及医学奖获得者，美国科
学家Hartwell与英国科学家Hunt和Nurse的工作揭开
了这一过程的调控机制。 • 细胞周期蛋白（cyclin）和依赖周期蛋白激酶(CDK cyclin-dependent kinase)是两类主要的调控分子。细 胞周期运行的动力主要来自CDK，其活性则主要通
20
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• 植物激素是离体培养中所必需的条件，因此与植物激素 相关的基因表达被认为是启动细胞脱分化的关键。 • Takahashi命名为par (prostate apoptosis response)。par基因在细胞从G0期转入S期的 早期启动中具有功能性作用。 • Kyo等克隆了一组花粉富含硫蛋白(pollen-abundant phosphoproteins)基因(Nicotiana tabacum embryogenic pollen) NtEPa，NtEPb，NtEPc。其中NtEPc的表达与花 粉细胞脱分化转变为胚性细胞高度偶联，认为该基因参 与花粉细胞培养中细胞脱分化的过程但不参与细胞进入 分裂周期后的调控过程。 22
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二. 细 胞 脱 分 化
细胞生理与结构变化
细胞脱分化调控机理
细胞分裂与愈伤组织形成
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细胞脱分化过程中生理和结构变化
• 培养条件下使一个已分化的细胞回复到原始无分 化状态或分生细胞状态的过程就是细胞脱分化 （dedifferentiation）。
• 离体培养下，脱分化过程发生在第一次有丝分裂 之前 。 • 静止细胞启动分裂是分化细胞成功脱分化的重要 标志。
• •
[H-Tyr(SO3H)-Ile-Tyr(SO3H)-Thr-OH] [H-Tyr(SO3H)-Ile-Tyr(SO3H)-Thr-Gln-OH]
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或
• 检测分析发现，在同时有NAA和BA存在的条件
下，第一次细胞分裂发生在培养96小时，而培
养48小时即可检测到PSKα， 在培养基没有
NAA和BA的培养细胞中，检测不到PSKα的存
10
• 薄壁细胞：
• 脱分化细胞：
细胞核较小，核位于细胞 细胞质显著变浓，大液泡 消失，核体积增加并逐 边缘，细胞中央有大的 渐移位至细胞中央，细 液泡，细胞体内核糖体 胞器增加。在这些变化 密度较低，多聚核糖体 中，液泡蛋白体的出现 数目较少，质体为分化 和质体转变为原质体被 程度较高的叶绿体、杂 色体、白色体和淀粉体。 认为是细胞脱分化的重
5
一个植物细胞向分生状态回复过程所能进行的程度，取决 于它在自然部位上所处位臵和生理状态。
不同类型植物细胞向分生状态回复可能进行的程度趋势 营养生长中心 形成层 薄壁细胞 厚壁细胞 退化细胞
6
植物细胞全能性表现根据细胞类型不同从强到弱:
营养生长中心 > 形成层 > 薄壁细胞 > 厚壁细胞(木质化 细胞) > 特化细胞(筛管、导管细胞)；
23
•
1996年，日本学者Matsubyashi等从石刁柏培养细胞的 培养液条件化培养基(conditioned medium，CM)中发 现了PSK，它可以促进细胞的生长和增殖。
•
植物磺肽素(phytosulfokine，简写PSK)是一种新型植 物肽类生长调节物质。它是两种短肽类物质——磺化 的四肽(PSK-β)或五肽(PSK-α)，其结构为
和2类cyclin（CycB、CycD）。在环境或激素等外界条
件作用下，CycD基因首先表达生成CycD，在相关调节
因子的帮助下CycD与CDKa结合形成CDKa/CycD复合
体使CDKa活化，进而对Rb（G1期限制点调控分子）磷 酸化，使细胞通过“限制点”进入分裂周期。当细胞进 入分裂周期后，则由CDKb与CycB以及相关的调节蛋白 完成从S期到M期的调控。
30
器官，组织培养时细胞分裂首先 发生在伤口部位
培养3天
培养5天
培养7天
31
• 脱分化与愈伤组织的形成在性质上是不能等同的，脱分 化是细胞生理状态的改变，而形成愈伤组织是离体培养 中的一个阶段。
– 尽管细胞脱分化后进入细胞分裂的结果，在大多数情况下是 形成愈伤组织，但绝不是说所有的细胞脱分化的结果都必然 形成愈伤组织，许多试验表明，有些外植体的细胞脱分化以 后直接形成胚性细胞进而形成体细胞胚。 – 愈伤组织内的细胞并不是均一未分化的，即同一愈伤组织内 的细胞之间其状态存在一定差异，特别是在组织器官培养时， 往往出现部分细胞不完全脱分化的现象，从而使其很容易再 分化再生植株，这对培养来说无疑是十分有利的。
4
植物细胞按照分裂能力分为三类：
第一类是始终保持分裂能力，从一个周期进入另一个
周期的周期细胞。如茎尖、根尖及形成层细胞；
第二类是永久失去分裂能力的细胞，为终端分化细胞。
如筛管、导管、气孔保卫细胞等特化细胞； 第三类是在通常情况下不分裂，但在受到外界刺激后 可重新启动分裂的G0细胞。表皮细胞及各种薄壁细 胞。
39
百日草叶肉细胞向TE细胞分化的主要调控过程（引自Fukuda，1997）
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细胞脱分化与愈伤组织形成
• 细胞脱分化是细胞状态的改变，但成功的脱分化必然会 导致细胞分裂， • 在一个细胞群体培养或组织器官培养体系中，有时很难 区分细胞脱分化与进入增殖状态的界限。 • 对于单个细胞而言，分化细胞启动分裂显然是发生在细 胞完全脱分化之后 • 细胞初期分裂方式与外植体细胞类型有关，如果外植体 细胞均为正常二倍体细胞，第一次分裂通常是有丝分裂， 如果外植体含有高倍化细胞，脱分化的第一次分裂可能 是无丝分裂。
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极性与细胞分化
• 极性（polarity）是植物细胞分化中的一个基本现象。 • 所谓极性是指植物的器官、组织、甚至单个细胞在不同 的轴向上存在的某种形态结构以及生理生化上的梯度差 异。 • 在很多情况下，细胞的不均等分裂是是细胞极性建立的 标志。
37
墨角藻(Fucus)合子细胞不均等分裂及其早期发育（引自Bouget等，1998）
绪 论
第一章 基本技术 第二章 细胞全能性 与形态发生 第四章 植物主要 组织培养技术 第六章 原生质体培养 第八章 人工种子 第十章 动物细胞工程
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第三章 体细胞 遗传变异
第五章 细胞培养与 次生产物生产 第七章 体细胞杂交
第九章 种质贮藏
第二章 细胞全能性与形态发生
细胞全能性及其表达 器官发生 体细胞胚胎发生
极性建立与质膜离子通道的不对称分布和细胞 周质微管重排有关
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TE的形成与细胞分化
• 通常把离体培养中TE（TE tracheary elements,管状分子）细胞