植物细胞同步化的研究及应用进展

植物细胞同步化的研究及应用进展摘要：使植物组织细胞同步化的处于某个特定的时期，或进入同步性的生长，可以为深入研究植物细胞活动机制特别是和细胞周期相关的活动带来便利。本文中重点介绍了适用于植物的人工同步化一般方法及原理及研究，植物全培养细胞同步化技术的方法流程及应用，以及国内外细胞同步化技术在细胞遗传、细胞生物学、植物分子生物、细胞工程等领域中研究应用的进展情况。并对细胞同步化的不足和应用潜力作了探讨。

关键词：细胞同步化全培养同步化

细胞同步化目前的定义(synchronization)是指生物组织细胞或培养物同时通过某个特定细胞时期，包含了获得同一阶段的细胞组织或培养物，或者细胞组织或培养物进入同步性生长两层含义[1]。存在自然和人工同步化，自然发生的同步化多在一些低等生物菌类及某些动植物精母细胞减数分裂时期中发现，人工同步化是指利各种理化处理方法以获得处于某个特定阶段的细胞群或同步化生长的组织或细胞系[2]。异步化的组织细胞由于在生理生化组成表达等方面的复杂性对一些研究不利，促使学者们开展人工同步化研究，在动物细胞培养物中实现了可同步于g1-m各期的同步化方法流程，成为一种细胞生物学研究手段或研究模型，应用在动物细胞生理生化等基础研究中；细胞同步化也应用于癌症的治疗中，如利用癌细胞处于不同时期对药物辐射等的敏感性不同提高癌症

治疗效果，并开发出了相应的药物及治疗体系[3]。植物细胞同步化首先应用在旺盛分裂的植物根尖上，由于是部分细胞同步化（partial synchronization），其应用也受到限制[4]。随着植物细胞工程的发展，产生了植物细胞全培养同步化（whole-culture synchronization）技术，并被应用于诸如植物细胞周期等细胞学、生化分子、细胞工程等领域的研究中。本文将就细胞同步化的基本方法、原理，在植物中的主要研究应用情况及进展做一定介绍。并对植物细胞同步化研究中存在的问题和不足以及进一步的应用潜

力做一讨论。

1植物细胞同步化主要方法及原理

1.1物理诱导

光暗周期可以使一些低等真核生物，如衣藻发生同步化。采用较多的方式是温度诱导法：温度严重影响细胞周期长短，低温可以显著减慢植物的细胞周期。低温诱导在麦类植物上获得较好的效果，在玉米、豌豆、大蒜、烟草根尖上也取得了一定的效果，不同的植物对低温的反应不一样，临界温度也不一样，如小麦、黑麦、大麦用1-4℃，水稻和玉米用6-8℃，另外处理时间长短也会影响分裂指数。采用低温高温两步法对玉米根尖进行诱导，使细胞在超过25℃以上的高温中受到激活，得到较高的分裂指数[5]。

1.2饥饿法

饥饿法：在缺乏基本元素的培养体系中培养可以导致生物合成

的抑制，形成同步化，例如缺p和n培养基，处于氮饥饿的细胞停留于g1期，处于磷饥饿的细胞获得停于g1、g2期的细胞[5]。也可利用气体诱导：每隔向连续培养中的大豆细胞吹入或的乙烯，可以使细胞分裂同步化。

1.3化学诱导

化学诱导法选择更多且更有针对性，可以使细胞特异性停留在某一指定的时期内，多用于分生区部分同步化的诱导。

可逆dna合成抑制剂可使使细胞停留在s期或g/s其交界处，对其他时期不起作用而形成s期细胞积累。羟基脲（hu，hydroxycarbamide）通过抑制核糖核酸还原酶 (ribonud cotidereductase)抑制s期dna合成。用1.25mmol/l的hu处理小麦、大麦、黑麦、蚕豆、玉米、水稻一定时间，水培一定时间后，apm处理一定时间，再冰水处理24小时均得到了超过50%的分裂相比率。用hu、氟乐灵（trifluralin）结合的双阻断法对小麦根尖进行了染色体中期同步化诱导，有丝分裂中期指数达到

70%-80%[6]。到目前的应用表明，hu结合微管抑制剂双阻断法是一种较为高效且应用范围较不受限制的同步化处理方法。

5-氨基脲嘧啶(5-au，5-aminouracil)是一种胸腺嘧啶类似物，使细胞停留于s期。咖啡碱可以干扰微管合成影响分裂，也能诱导植物细胞板形成80%后解体，阻止有丝分裂末期细胞分裂为两个子细胞，使细胞停在分裂末期，也可以作为诱导同步化的药剂使用，

用咖啡碱处理蚕豆根尖，大量细胞停在分裂末期分裂指数比对照提高4倍[7]。

使用纺锤体抑制剂可以阻断植物细胞分裂于m期，常用的有秋水仙素，近年来除草剂类诱导剂显示了较好的植物纺锤体抑制效用。胺磺灵（oryzalin）、氟乐灵（trifluralin）可以高亲和地与微管蛋白形成复合体，还可以影响ca2+离子在微管组装中的作用，浓度很低可达到效果，且对细胞毒性较小。戊炔草胺（pronamide）虽不能使完整的微管丢失，但能使微管缩短。此外还有甲基胺草磷（apm，amiprophos-methyl）[15]等。微管抑制物缺点是可逆性较差，在植物中这些微管抑制物往往作为倍性诱导剂使用。在浓度较高时，可以导致染色体行为变异[8]。

2细胞同步化在植物研究中的应用

植物细胞同步化，分为部分和全培养同步化。也有学者用于研究细胞生理生化周期。由于离体悬浮本身可以起到筛选细胞的作用，加上药物等诱导下得到了烟草的全培养细胞同步化体系，用以研究细胞发生、因素周期生理生化效应等。从cephalosporium aphidicola的培养液中分离出来的双萜。是真核细胞dna合成的特异的可逆的抑制剂，对rna合成及蛋白合成无抑制作用。在三种真核细胞dna多聚酶α（复制酶）、β（修复酶）和γ（线粒体dna

复制酶）中，只抑制α[9]。这个研究成果对细胞同步化在植物研究中起到了重要的作用。

2.1同步化技术应用于植物遗传学研究

采用上述同步化手段处理植物根尖，部分同步化发生于分生组织(meristem，)，主要的研究目的在于获得较多细胞分裂相以进行细胞遗传学研究，一般用分裂指数(mi， mitosis idex)作为检测指标，同步化处理后可以得到适于流式分析的植物组织，可以续进行染色体流式分类[10]，或进行染色体显微切割，原位杂交等后续研究，得到高比率中期相还可以用来制备高质量的染色质丝，在可以进一步应用于基因定位等。

2.2同步化技术在细胞周期研究中的应用

同步化即可以作为细胞周期研究的手段，也可以作为研究因素对细胞周期相关生理生化变化影响的模型。在近期的研究中，应用同步化的植物细胞培养系检测了很多重要的周期依赖性基因蛋白，可以检测不同细胞周期下的基因蛋白等表达差异，以进一步深入研究细胞周期，同步化后的细胞可以较容易地区别检测一些特有的周期基因和周期蛋白的表达，在一些实验中通过了解这些基因蛋白，生化分子等的变化可以深入了解一些因素对细胞周期的影响。王静利用同步化诱导后的细胞研究了紫外线uvb对细胞周期生理生化行为的影响，发现uvb，使用同步化手段围绕人工同步化在细胞研究中的应用，人们曾发生过一些争论，如认为同步化不能获得均一一致的细胞，也不能获得同年龄的细胞，难以说明细胞行为。在对根尖细胞的同步化研究中发现，hu药物处理并不能使细胞完全停留于