细胞 分裂(cell division)是指 活细胞 增殖其数量由一个细胞分裂为两个细胞的过程。分裂前的 细胞 称母细胞,分裂后形成的新细胞称子细胞。通常包括 细胞核 分裂和 细胞质 分裂两步。在核分裂过程中母细胞把 遗传物质 传给子细胞。 真核生物 细胞分裂包括:有丝分裂、 减数分裂 、 无丝分裂 。能够影响细胞分裂的因素很多,而且极为复杂,目前还没达到对其全面认识的水平。
概括介绍
细胞分裂(cell division)是活细胞增殖其数目由一个细胞分裂为两个细胞的过程。分裂前的 细胞 称母细胞,分裂后形成的新细胞称子细胞。一般包括细胞核分裂和细胞质分裂两步。在核分裂过程中母 细胞 把遗传物质传给子细胞。在 单细胞动物 中细胞分裂就是个体的繁殖,在 多细胞生物 中细胞分裂是个体生长、发育和繁殖的基础。1855年 德国 学者 鲁道夫·菲尔绍 (R.Virchow)提出“一切细胞来自细胞”的著名论断,即认为个体的所有细胞都是由原有细胞分裂产生的,除细胞分裂外还没有证据说明细胞繁殖有其他途经。
生理作用
主要是引发细胞分裂,诱导芽的形成和促进芽的生长。对 组织培养 的烟草髓或茎切段, 细胞分裂素 可使已不具备分裂能力的髓细胞重新分裂。这种现象曾被用于细胞分裂素的生物测定。茎切段的分化常受细胞分裂素及生长素比例的调节。当细胞分裂素对生长素的浓度比值高时,可诱导芽的形成;反之则有促进生根的趋势。如对抑制的腋芽局部施用细胞分裂素或在侧芽上涂抹一定浓度的生长素,可以解除顶端对侧芽的抑制(即 顶端优势 )。天然的 簇生植物 (莲座状植物)或由于病害发生“丛枝病”的植物里,常含有较多的 细胞分裂素 。
细胞分裂素还有防止离体叶片衰老、保绿的作用,这主要是由于细胞分裂素能够延缓叶绿素和 蛋白质 的降解速度,稳定多聚核糖体(蛋白质高速合成的场所),抑制 脱氧核糖核酸 酶、 核糖核酸 酶及 蛋白酶 的活性,保持膜的完整性等。在叶片上局部施用 细胞分裂素 ,能吸聚其他部分的物质向施用处运转和积累。
细胞分裂素 的作用方式还不完全清楚。已知在 转运RNA 中与 反密码子 相邻的地方有细胞分裂素,在蛋白质合成过程中,它们参与到tRNA与 核糖体 mRNA复合体的连接物上。但这可能不是外源细胞分裂素的作用方式。因为在tRNA中,细胞分裂素的合成是由原来在tRNA中的 嘌呤 的改变产生的。而外源细胞分裂素并不参入tRNA中,但可促进 硝酸还原酶 、 蛋白质 和 核酸 的合成。除了天然的促进细胞分裂的物质外,还用 化学 方法人工合成了一些类似 激动素 的物质。通常也统称 细胞分裂素 。其中活性较强,也最常用的是6- 基嘌呤。
分裂种类
原核细胞
还了解不多,只对少数细菌的分裂有些具体认识。 原核细胞 既无 核膜 ,也无 核仁 ,只有由环状 脱氧核糖核酸 分子构成 拟核 ,又称拟核,具有类似 细胞核 的功能。拟核的 DNA分子 或者连在质膜上,或者连在质膜内陷形成的质膜体上,质膜体又称间体。随着 DNA 的复制间体也复制成两个。以后,两个间体由于其间的质膜的生长而逐渐离开,与它们相连接的两个DNA分子环于是被拉开,每一个DNA环与一个间体相连。在被拉开的两个DNA环之间 细胞 膜向中央长入,形成隔膜,终于使一个细胞分为两个细胞。
真核细胞
按细胞核分裂的状况可分为3种:即有丝分裂、 减数分裂 和 无丝分裂 。有丝分裂是真核细胞分裂的基本形式。减数分裂是在进行 有性生殖 的生物中导致生殖母细胞中 染色体 数目减半的分裂过程。它是有丝分裂的一种变形,由相继的两次分裂组成。无丝分裂又称直接分裂。其典型过程是 核仁 首先伸长,在中间缢裂分开,随后核也伸长并在中部从一面或两面向内凹进横缢,使核变成肾形或哑铃型,然后断开一分为二。差不多同时 细胞 也在中部缢裂分成两个子细胞,由于在分裂过程中不形成由 纺锤丝 构成的 纺锤体 或 中心体 发出的星 射线 ,不发生由 染色质 浓缩成染色体的变化,故命名 无丝分裂 。
其他分裂
无丝分裂
无丝分裂时由于不经过 染色体 有规律的平均分配,故存在 遗传物质 不能保证(但也不是没有可能)均等分配的问题,由此有些人认为这是一种不正常的分裂方式.
无丝分裂是最早发现的一种细胞分裂方式,早在1841年 罗伯特·雷马克 (R.Remak)于鸡胚血球细胞中见到。在无丝分裂中, 核仁 、 核膜 都不消失,没有染色体的出现,在 细胞质 中也不形成 纺锤体 ,当然也就看不到染色体复制和平均分配到子细胞中的过程。但进行 无丝分裂 的细胞,染色体也要进行复制,并且细胞要增大。当 细胞核 体积增大一倍时,细胞就发生分裂。至于核中的 遗传物质 脱氧核糖核酸 是如何分配到子细胞中的,还有待进一步研究。无丝分裂是最简单的分裂方式。过去认为无丝分裂主要见于低等生物和高等生物体内的衰老或病态细胞中,但后来发现在动物和植物的正常组织中也比较普遍地存在。无丝分裂在高等生物中主要是高度分化的 细胞 ,在动物的上皮组织、疏松 结缔组织 、 肌肉组织 和肝组织中,在植物各器官的 薄壁组织 、表皮、生长点和 胚乳 等细胞中,都曾见到过无丝分裂现象。
无性分裂
分裂生殖又叫裂殖,是无性生殖中常见的一种方式,即是母体分裂成2个(二分裂)或多个(复分裂)大小形状相同的新个体的生殖方式。这种生殖方式在 单细胞动物 中比较普遍,但对不同的单细胞生物来说,在生殖过程 中核集团 的分裂方式是有所不同的,可归纳为以下 几种方式:
1以 无丝分裂 方式营无性分裂生殖
无丝分裂又称直接分裂,是一种最简单的细胞分裂方式。整个分裂过程中不经历 纺锤丝 和 染色体 的变化,这种方式的分裂在细菌、 蓝藻 等 原核生物 的分裂生殖中最常见。
原核 细胞 的分裂 包括两个方面:(1)细胞 脱氧核糖核酸 的分配,使分裂后的子细胞能得到亲代细胞的一整套 遗传物质 ;(2)胞质分裂把细胞基本上分成两等分。
复制好的两个 DNA分子 与质膜相连,随着细胞的生长,把两个DNA分子拉开,细胞分裂时, 细胞壁 与质膜发生内褶,最终把母细胞分成了大致 相等 的两个子细胞。
2以核的有丝分裂方式营无性分裂生殖
有丝分裂的过程要比 无丝分裂 复杂得多,是 多细胞生物 细胞分裂的主要方式,但一些单细胞如: 双鞭毛虫门 、 眼虫 、 阿米巴虫 等,在分裂生殖时,也以有丝分裂的方式进行:
(1) 甲藻细胞 染色体 的结构和独特的有丝分裂,兼有 真核生物 和 原核生物 的特点,细胞开始分裂时 核膜 不消失,核内染色体搭在核膜上,分裂时核膜在中部向内收缩形成凹陷的槽,槽内 细胞质 出现由 微管 按同一方向排列的类似于 纺锤丝 的构造,调节核膜和染色体,分离为子 细胞核 ,最终分裂成两个子细胞(甲藻)。
(2) 眼虫 营分裂生殖时,核进行有丝分裂,分裂过程中核膜并不消失,随着 细胞 核中部收缩分离成两个子核,然后细胞由前向后纵裂为二(纵二分裂),其中一个带有原来的一根鞭毛,另一个又长出一根新鞭毛,从而形成两个眼虫。
(3) 阿米巴虫 长到一定大小时,进行分裂繁殖,是典型的有丝分裂, 核膜 消失,随着细胞核中部收缩, 染色体 分配到子核中,接着胞质一分为二,将细胞分裂成两个子代个体。
3以核的 无丝分裂 和有丝分裂方式营无性分裂生殖
这种方式最典型的代表就是 草履虫 , 草履虫 原生动物界 纤毛门 ,细胞内有大小两种类型的核,即大核和小核,小核是生殖核,大核是营养核,在草履虫进行无性繁殖时,小核进行核内有丝分裂,大核则行无丝分裂,接着虫体从中部横缢分成2个新个体。
植物细胞通过分裂进行繁殖。繁殖是生物或 细胞 形成新个体或新细胞的过程。植物细胞的分裂包括无丝分裂、有丝分裂和 减数分裂 和细胞的自由形成等不同的方式。
有丝分裂
有丝分裂又称为间接分裂,它是一种最普遍,是常见的分裂方式。有丝分裂为连续分裂,一般分为核分裂和胞质分裂。
1、核分裂(时间长): 核分裂是一个连续的过程,为了叙述的方便,人为地把核分裂划分为前期、中期、后期以及末期四个时期。有丝分裂各期的特点如下(以植物细胞为例):
间期:分为G1,S,G2,主要进行 脱氧核糖核酸 复制和相关 蛋白质 合成, 核膜 核仁 逐渐消失。
前期:核内的 染色质 凝缩成 染色体 , 核仁 解体彻底消失, 核膜 破裂以及 纺锤体 开始形成。
中期:中期是 染色体 排列到赤道板上,纺锤体完全形成时期。
后期:后期是各个染色体的两条染色 单体 分开,在 纺锤丝 的牵引下,分别由 赤道 移向 细胞 两极的时期。
末期:为形成二子核和胞质分裂的时期。染色体分解,核仁、核膜出现,赤道板位置形成细胞板,将来形成新的 细胞壁 。赤道板上堆积的纺锤丝,称为成膜体。
动物细胞与植物细胞相似,不同的是动物细胞是有 中心体 发出星 射线 形成纺锤体,植物细胞是从两级直接发出纺锤丝。有丝分裂末期动物细胞细胞膜向内凹陷,形成两个子细胞,植物细胞是在赤道板(虚拟想象)位置形成细胞板,将细胞分成两个子细胞。
2、 细胞质 分裂(时间短): 核分裂后期, 染色体 接近两极时,细胞质分裂开始。在两个子核之间的连续丝中增加了许多短的 纺锤丝 ,形成一个密集着纺锤丝的桶状区域,称之为成膜体。 微管 的数量增加,成膜体中有来自 高尔基体 和 内质网 的泡囊(含多糖类物质),沿着微管指引方向,聚集,融合,释放出多核物质,构成 细胞 板,从中间开始向周围扩展,直至与母 细胞壁 相连,成为胞间层——初生壁,新质膜由泡囊的被膜融合而成。新细胞壁形成后,把两个新形成的 细胞核 和它们周围的 细胞质 分隔成为两个子细胞。
3、有丝分裂的特点: 通过细胞分裂使每一个母细胞分裂成两个基本相同的子细胞,子细胞 染色体 数目、形状、大小一样,每一染色 单体 所含的遗传信息与母细胞基本相同,使子细胞从母细胞获得大致相同的遗传信息。使物种保持比较稳定的染色体组型和遗传的稳定性。
减数分裂
有性生殖 要通过两性 配子 的结合,形成合子,再由合子发育成新个体。生殖细胞中的染色体数目是体细胞中的一半。(否则生物每繁殖一代,体细胞中的染色体数目就会增加一倍)。既然在形成生殖 细胞 ——精子或 卵细胞 时,染色体数目要减少一半,则原细胞必须经过减数分裂。
(一)精子形成
精子的形成部位: 睾丸 (精巢)的曲细精管中。在精巢中,通过有丝分裂产生了大量的原始生殖细胞,也就是 精原细胞 。根据有丝分裂的特征,可知精原细胞的 染色体 数目与体细胞染色体数目是相同的。在精原细胞时期,进行了 染色体 复制。当 雄性 动物性成熟后,睾丸里的一部分精原细胞就开始进行 减数分裂 ,经过减数分裂后,形成精细胞,精细胞经过 变性 形成男性 配子 ——精子
精原细胞在减数分裂过程中连续进行了两次分裂
1间前
1间后(复制)
1前期( 联会 ,形成四分体)
1中期1后期
1末期2间期
2前期2中期
2后期2末期
3变形期
第一次分裂四分体分离,染色体数目减半;
第一次分裂的前期, 细胞 中的 同源染色体 两两配对,叫联会。所谓的同源染色体,指 减数分裂 时配对的两条染色体,形状和大小一般都相同,一个来自父方,一个来自母方。联会后,染色体进一步螺旋化变粗,逐渐在 光学显微镜 下可见每个染色体都含有两个姐妹染色单体,由一个着丝点相连,每对同源染色体则含有四个姐妹染色单体,叫四分体。把四分体时期和 联会 时比较,由于染色体复制在 精原细胞 时就发生了,因此,它们所含的染色 单体 、 脱氧核糖核酸 数目都是相同的,不同的主要是染色体的 尾旋 化程度不同,联会时染色体螺旋化程度低,染色体细,在光学显微镜下还看不清染色单体,因此,没有在图上表示出来。四分体时期, 染色体 螺旋化程度高,染色体变粗了,可在 光学显微镜 下清楚地看到每一个染色体有两个单体。
在细胞分裂的同时,细胞内的 同源染色体 彼此分离,结果一个初级精母细胞便分裂成两个次级精母细胞,而此时细胞内的染色体数目也减少了一半,细胞内不再存在同源染色体。减数第一次分裂结束。
减数第二次分裂是从次级精母 细胞 开始的,细胞未经 染色体 的复制,直接进入第二次分裂。在细胞第二次分裂过程中,染色体的行为和前面所学的有丝分裂过程中染色体的行为非常相似,细胞内染色体的着丝点排列在 赤道 板这一位置后,接着进行分裂,于是两条姐妹染色单体分离,分别移向细胞两极。与此同时,细胞分裂,结果生成了精子细胞。精子细胞经过变形后成为精子,两个次级精母细胞最后生成了四个精子, 减数分裂 结束。
随后,各个四分体排列在细胞中央,同源 染色体 好像手拉手似地排成两排, 纺锤丝 收缩,牵引染色体向两极移动,导致四分体平分为二, 联会 的同源染色体分开,但此时着丝点并未分开,每一染色体上仍有两条染色 单体 。接着发生细胞分裂,一个初级精母细胞分裂成两个次级精母细胞,而每个次级精母细胞中的染色体数目就只有初级精母细胞的一半了,初级精母细胞有4条染色体,而次级精母细胞只有两条染色体,染色体数目减半的原因是同源染色体分开,在次级精母细胞中已没有同源染色体了。
联会的 同源 染色体 分开,说明染色体具有一定的独立性,由于两个同源染色体在 细胞 中央的排列位置是随机的,可以互相交换,因此,就决定了同源的两个染色体各移向哪一极也是随机的,这样,不同对的染色体之间就可以自由组合。这是将来要学的基因的自由组合规律的细胞学基础。
第二次分裂的基本过程与有丝分裂相似:中期,染色体的着丝点排成一排,后期,着丝点一分为二,两个姐妹染色 单体 成为两个染色体,在 纺锤丝 的牵引下,移向两极,接着,细胞分裂,两个次级精母细胞分裂成4个精子细胞, 减数分裂 完成。
精子 细胞 再经过变形,形成精子,在这个过程中,丢掉了精子细胞的大部分 细胞质 ,带上重要的物质—— 细胞核 内的 染色体 ,轻装上阵,并形成了一个长长的尾,便于游动。
(二) 卵细胞 形成
卵细胞在 卵巢 中形成,其过程与精子形成过程基本相同,但也有区别。 相同点: 染色体 复制一次,都有 联会 和四分体时期,经过第一次分裂, 同源染色体 分开,染色体数目减少一半,在第二次分裂过程中,有着丝点的分裂,最后形成的卵细胞,它的染色体数目也比 卵原细胞 减少了一半。 不同点: 每次分裂都形成一大两小三个 细胞 ,小的叫 极体 ,极体以后都要退化,只剩下一个卵细胞,而一个 精原细胞 是形成4个精子;卵细胞形成后,不需要经过变形,而精子要经过变形才能形成。卵 细胞 : 细胞体 形较大,呈球形,不能游动;含卵黄多,营养物质丰富,保证 受精卵 后发育成新个体。精子:细胞体形较小,有鞭毛,能游动,其特点是保证受精作用的实现;卵细胞的第二次 减数分裂 中期是在受精作用完成时才开始发生。
受精作用——精子与卵细胞结合成为合子的过程
精子的头部进入卵细胞,精子与卵细胞的 细胞核 结合在一起,因此,合子中 染色体 数目又恢复到原来的体细胞的数目,其中一半来自精子(父方),一半来自卵细胞(母方)。从 同源染色体 的角度看,精子和卵 细胞 中的同源染色体都是成单存在,但精子带有其中的一条,卵细胞带有其中的另一条, 受精卵 后,这两条同源染色体到了一个细胞中,它们就成对存在了,所以,关于同源染色体的概念说,一条来自父方,一条来自母方,就是这个意思。
减数分裂 使染色体数目减半,受精作用使染色体数目又恢复到原来的数目,从而使生物遗传后代染色体数目保持恒定。
二分裂
细菌可以以无性或者遗传重组二种方式繁殖,最主要的方式是以二分裂这种无性繁殖的方式:一个细菌 细胞壁 横向分裂,形成两个子代细胞。
除细菌以外,二分裂也是 原生动物界 最普遍的一种无性生殖.一般是有丝分裂,分裂时 细胞核 先由一个分为二个, 染色体 均等的分布在两个子核中,随后 细胞质 也分别包围两个细胞核,形成两个大小、形状 相等 的子体,二分裂可以是纵裂,如 眼虫 ;也可以是横裂,如 草履虫 ;或者是斜分裂,如角藻。
细菌没有 核膜 ,只有一个大型的环状 脱氧核糖核酸 分子,细菌细胞分裂时,DNA分子附着在细胞膜上并复制为二,然后随着细胞膜的延长,复制而成的两个DNA分子彼此分开;同时, 细胞 中部的细胞膜和 细胞壁 向内生长,形成隔膜,将细胞质分成两半,形成两个子细胞,这个过程就被称为细菌的二分裂。 无丝分裂 则是发现最早的一种 真核生物 的分裂方式,在 真核生物 中普遍存在,而且不仅在体细胞中,甚至在 配子 中都能进行无丝分裂。由于其核分裂的过程不出现 染色体 和 纺锤丝 ,胞质分裂后的 遗传物质 不一定能够平均分配给子 细胞 ,与有丝分裂有很大区别,故称无丝分裂。无丝分裂的过程大致可划分为4个时期:第一期核内 染色质 复制倍增,核及 核仁 体积增大,核仁及核仁组织中心分裂。第二期以核仁及核仁组织中心为分裂制动中心,以核仁与 核膜 周染色质相联系的染色质丝为牵引带,分别牵引着新复制的染色质和原有的染色质。新复制的染色质在对侧核仁组织中心发出的染色质丝的牵引下,离开核膜移动到核的 赤道 面上。第三期核拉长成哑铃型,中央部分缢缩变细。第四期核膜内陷加深,最终缢裂成为两个完整的子 细胞核 ;接着,整个 细胞 从中部缢裂成两部分,形成两个子细胞。由此我们不难看出: 无丝分裂 和二分裂有着本质的区别,二分裂指的是 原核生物 进行的一种最原始的 细胞增殖 方式,而无丝分裂是 真核生物 独特的细胞增殖方式,通过这种分裂,可同时形成多个核;且分裂时细胞核仍可执行其生理功能。
以高等动物为例, 受精卵 卵裂 进行到一定时间细胞增多,形成了一个内部有腔的球状胚,这个时期的胚叫 囊胚 。这时期的胚其特点是中央有一空腔,叫囊胚腔。胚继续发育形成 原肠胚 。由于动物极一端的 细胞 分裂较快,新产生的细胞便向植物极方向推移、使植物极一端的细胞向囊胚腔陷入,囊胚腔缩小,内陷的细胞不仅构成了 胚胎 的 内胚层 ,而且围成了一个新的腔叫原肠腔。在内外 细胞 层之间分化出了一个新的细胞层,叫做 中胚层 ,这时期的胚就叫原肠胚。 原肠胚的特点是: 具有原肠腔和外、中、内三个 胚层 。原肠胚的外胚层由 包被 胚胎表面的动物极一端的细胞构成,内胚层由陷入囊胚腔的细胞构成,中胚层位于内、外胚层之间,这三个胚层继续发育,经过组织分化、器官形成,最后形成一个完整的幼体。
外胚层: 形成 神经系统 的各个器官,包括脑、 脊髓 和神经、眼的 网膜 、虹膜上皮、内耳上皮、以及皮肤的表皮和皮肤的附属结构。
内胚层 :形成 消化道 (咽、食道、胃、肠等)和 呼吸道 (喉、 气管 、 支气管 等)的上皮,肺、肝、胰和咽部分衍生的腺体( 甲状腺 ,副甲状腺、 胸腺 等)以及 泌尿系统 的 膀胱 、 尿道 和附属腺体的上皮等。
中胚层 :主要形成各种肌肉、骨胳、 结缔组织 以及皮肤的真皮, 循环系统 (心脏、血管和血液)、排泄系统(肾、 输尿管 )、 生殖系统 ( 生殖腺 、生殖管道及附腺等)、气管和消化道的管壁、 体腔 膜等。
细胞分化 在胚胎期达到最大限度。
干 细胞 (ES)
是一类具有自我更新和分化潜能的细胞。它包括 胚胎干细胞 和 成体干细胞 。 干细胞 的发育受多种内在机制和微环境因素的影响。人类胚胎干细胞已可成功地在体外培养。最新研究发现,成体干细胞可以横向分化为其他类型的细胞和组织,为干细胞的广泛应用提供了基础。
在 胚胎 的发生发育中,单个 受精卵 可以分裂发育为多细胞的组织或器官。在成年动物中,正常的生理代谢或病理损伤也会引起组织或器官的修复再生。胚胎的分化形成和成年组织的再生是 干细胞 进一步分化的结果。胚胎干 细胞 是全能的,具有分化为几乎全部组织和器官的能力。
到了个体发育的一定阶段甚至成体,仍有一部分细胞负责组织的更新和修复,诸如血液、肠道粘膜上皮、皮肤表皮等。这些细胞便是一般所指的特定组织的 干细胞 ,又称为多能性细胞。
随着 细胞生物学 的发展,人们现已发现,栽些成体组织不但能再生,而且可以衍生成与其来源不同的细胞类型。例如 肌细胞 在一定的环境下可以成为有增殖能力的 骨髓 细胞;相反地,血液“ 前体细胞 ”(即未完全成熟的 血细胞 )也可变成肌肉细胞,甚至长出肝或脑 细胞 来。
ES虽好,但其来源有限。ES多取自人工流产的极早期 胚胎 或是培植 试管婴儿 时剩余的胚胎。然而现已有科学家证实ES可以在体外即实验室的试管中培养与繁殖,并且可以使ES细胞增殖、定向分化并形成 多巴胺 能性 细胞 ,而这正是治疗 帕金森病 所亟需的 神经元 。
起开关作用的 蛋白质 名为“GATA”。研究人员利用 基因工程 方法使老鼠 胚胎干细胞 的“GATA”含量增加,结果胚胎干细胞变成了在孕育生命阶段起重要作用的其他细胞。研究人员还同时发现,除了蛋白质“GATA”,还有其他物质也起到开关作用,它们相互合作,共同决定胚胎干细胞的命运。
研究人员计划通过基因技术找到所有“开关”,这样胚胎干细胞就会按人的意志生成各种组织。操作好这些“开关”,可能使普通 干细胞 变成真正的“万能细胞”。
干细胞尤其是胚胎干细胞的识别、分离、增殖、定向分化将成为 细胞 生物学以及整个 生命科学 的主攻热点。
一个新的有趣的发现是,生命细胞活着时左旋,死亡后即右旋,一切病毒细菌和死亡的物质却只会右旋不会左旋。这是什么原因?这是否与 宇宙 本来就是左右不对称有关( 地球 的自转、 公转 仍然是左旋的,十大 行星 几乎都是左旋的,宇宙大黑洞也是左旋的,中微子现也认为是左旋的)。看来衰老问题联系到更广阔的研究领域。
植物组织培养愈伤组织
花药 培养anther culture用植物组织培养技术,把发育到一定阶段的花药,通过无菌操作技术,接种在人工 培养基 上,通过 植物激素 改变花药内花粉粒的发育程序,诱导其分化,并连续进行有丝分裂,形成 细胞 团,进而形成一团无定型的无分化的 薄壁组织 ——愈伤组织,再分化成胚状体,随后改变激素的比例使愈伤组织分化形成完整的植株。
亦称愈合组织或创伤组织。植物体局部受伤后,在伤口表面形成的具有分生能力和保护作用的活的薄壁 细胞 群。愈伤组织的外层细胞常可木质化或形成周皮,对其表层的细胞起保护作用。在植物嫁接中愈伤组织促使砧木与 接穗 紧密结合,植物 插能从愈伤组织分化出不定根和不定芽;在组织和 细胞培养 时,条件适宜也能长出愈伤组织。利用愈伤组织诱导形成新植株已广泛应用于植物的无性繁殖(即人造种子)。
植物组织培养中愈伤组织的形成和 形态发生 (植物体的结构层次1课时)
在植物组织培养中,主要目标是诱导愈伤组织形成和形态发生变化,使一个离体的细胞、一块组织或一个器官的 细胞 ,通过脱分化形成愈伤组织,并由愈伤组织再分化形成植物体。
愈伤组织的形成从一块外植体形成典型的愈伤组织, 大致要经历三个时期: 起动期、分裂期和形成期。
起动期是指细胞准备进行分裂的时期。用于接种的外植体的细胞,通常都是成熟细胞,处在静止状态。起动期是通过一些刺激因素(如机械损伤、改变光照强度、增加氧等)和激素的诱导作用,使外植体细胞的合成代谢活动加强,迅速进行 蛋白质 和 核酸 的合成。机械损伤能诱导植物体细胞开始分裂,如伤口上会出现愈伤组织。在植物组织培养中沿用了愈伤组织这一名词,但是植物组织培养中诱导外植体 细胞 分裂形成的愈伤组织,大都不是损伤的结果。外源的生长素类物质对诱导细胞开始分裂效果很好,因此生长素类物质在植物组织培养中得到了广泛应用,常用的有2,4— 二氯苯氧乙酸 、 1-萘乙酸 、 吲 乙酸和 细胞分裂素 等。
分裂期是指外植体细胞经过诱导以后脱分化,不断分裂、增生子细胞的过程。处于分裂期的愈伤组织的特点是:细胞分裂快,结构疏松,颜色浅而透明。
外植体的脱分化因植物种类、器官来源及其生理状况的不同而有很大差别。例如,烟草、 胡萝卜 等植物的脱分化比较容易, 禾本科 的脱分化比较难;花的脱分化比较容易,茎、叶的脱分化比较难;幼嫩组织的脱分化比较容易,成熟的老组织脱分化比较难。
分化期是指在分裂期的末期,细胞内开始出现一系列形态和生理上的变化,从而使愈伤组织内产生不同形态和功能的 细胞 。这些细胞类型有薄壁细胞、分生细胞、 色素细胞 、 纤维细胞 ,等等。
外植体的细胞经过起动、分裂和分化等一系列变化,形成了无序结构的愈伤组织。如果在原来的 培养基 上继续培养愈伤组织,会由于培养基中营养不足或有毒代谢物的积累,导致愈伤组织停止生长,甚至老化变黑、死亡。如果要让愈伤组织继续生长增殖,必须定期地(如2~4周)将它们分成小块,接种到新鲜的培养基上,这样愈伤组织就可以长期保持旺盛的生长。
愈伤组织的 形态发生 方式 经过起动、分裂和分化期产生的愈伤组织,其中虽然发生了 细胞分化 ,但是并没有器官发生。只有满足某些条件,愈伤组织的细胞才会发生再分化,产生芽和根,进而发育成完整植株。愈伤组织的形态发生方式主要有不定芽方式和胚状体方式两种。不定芽方式是在某些条件下,愈伤组织中的分生细胞发生分化,形成不同的器官原基,再逐渐形成芽和根。胚状体方式是由愈伤组织细胞诱导分化出具有 小麦胚芽 、胚根、 胚轴 的胚状结构,进而长成完整植株。这种由愈伤组织中的薄壁细胞不经过 有性生殖 过程,直接产生类似于胚的结构,叫做胚状体。
不定芽方式和胚状体方式是植物组织培养中最常见和最重要的两种方式。胚状体方式比不定芽方式有更多的优点,如胚状体产生的数量比不定芽多,胚状体可以制成人工种子,等等。
肝 细胞 分裂
肝脏是人体一个重要的消化器官,因其在损伤的情况下有强大的再生修复能力而一直受到医学家们的普遍关注。认为参与肝脏修复的细胞可能有三个来源:一是通过 肝细胞 自身的有丝分裂来弥补死亡的肝细胞,这在正常的肝细胞代谢及轻度的肝脏损伤中起主要作用;二是在比较较严重的肝损情况下,肝脏的 干细胞 被激活并向肝细胞分化以修复肝脏;最近的研究显示 骨髓 中的造血干细胞也具有向肝细胞分化能力,提示可作为肝脏细胞修复第三个潜在来源1。
影响因素
自然情况下:
内因: 细胞周期 受到一系列基因、酶和 蛋白质 等内在因素的精确调控。不同的组织基因选择性表达会造成差异。
外因:主要受一些外界信号的刺激,有 细胞因子 (如肽类 生长因子 )、激素和细胞外基质等。
1.肽类生长因子:主要通过 旁分泌 方式作用于靶细胞;同时也存在着自分泌,当两种方式均分泌不足时会抑制增殖与分化。
2.激素:只作用于特定靶细胞促进其生长与分化。
3.细胞外基质:应其特定细胞的增殖与分化。主要通过与细胞表面整联蛋白作用激活相关酶,启动相关信号。它对 干细胞 的增殖分化具有诱导作用。在发育和创伤组织中, 透明质酸 合成旺盛,促进细胞的增殖与迁移,抑制 细胞分化 。当增殖到一定程度时透明质酸会 水解 。
又如 胚胎 时期,下调刺激信号的水平,抑制 细胞周期 引擎会抑制细胞分裂。在肌肉发生过程中,属于TGF-β超家族的肌肉抑制素是肌肉生长的负调控因子。
非自然情况下, 射线 、低温﹑ 化学药剂 、病毒等环境因素对细胞分裂的影响是通过内因起作用的,即通过导致 基因突变 或影响酶的活性而影响细胞分裂。
分裂新形式
美国威斯康辛大学卡邦癌症中心发现了一种人类 细胞 分裂的新形式,并称之为“核分裂”(klerokinesis)。这种新分裂形式是一种对错误细胞分裂的天然补救机制,能预防某些 细胞 步入“癌”途。
研究小组给人类细胞复制出了多倍 染色体 ,以模拟癌症。他们用一种常规 物质 阻止了胞质分裂,结果发现分裂并未显出异常。
他们进一步观察了人类细胞是怎样恢复正常染色体 倍数 的。从一个细胞变成两个核开始观察,吃惊地发现细胞没经过有丝分裂,而是直接由一个细胞变成了两个 细胞 。每个新细胞都遗传了一个完整无缺的 细胞核 ,包含一套完整染色体。分裂发生的时间出乎预料,是在延迟生长阶段,而不是在有丝分裂结束时。他们还做了大量额外实验,以确定这种分裂和正常的 细胞 分裂形式“胞质分裂”不同。
他们还发现,有90%的子细胞恢复为正常的 联会 染色体 。在一个生物经过的所有细胞分裂周期中,每次的胞质分裂偶尔也会失败。这种新分裂是一种补救机制,让细胞能从故障中恢复正常。
影响因素
能够影响细胞分裂的因素很多,而且极为复杂,目前还没达到对其全面认识的水平。
1.细胞的表面积与体积之比以及 细胞核 与 细胞质 体积之间的平衡:细胞通过它的表面不断地与周围环境或邻近 细胞 进行物质交换,这么它就必须有足够的表面积,否则它的代谢作用就很难进行。但细胞的体积由于生长而逐渐增大时,表面积与体积的比例就会变得越来越小,物质交换适应不了细胞的需要,这可以引起 细胞 的分裂,以恢复适宜的比例。同样的,细胞核中的遗传信息指引和控制范围有限,细胞核对太大范围的细胞质的调控作用就会相对减少。曾做过这样的实验:当人工培养的 阿米巴虫 快要分裂的时候,把它的 细胞质 切去一大块,这个变形虫就不再分裂。等它长大起来又要分裂的时候又切去一块,它也不再分裂。但如果让其继续生长,体积达到一定大小时,它又会分裂起来。
2.抑素
3. cAMP
4.激素
5.接触抑制(contact 性抑制 )
以及其它种种因素
发展演变
在地球生命演化的早期,为何会出现出细胞分裂的特性?有学者提出了 细胞 分裂的 光合起源假说 。首先,细胞本质上必须是一个独立的半开放体系,细胞膜允许物质的进出—营养物质的吸收以及代谢物的输出,这是生命个体进化的基础。这样,细胞膜就必须具有选择性的通透性,允许一些 小分子 化合物(如养分)的进出,但是,大的分子肯定是难以自由通行的。
脂双层膜正好具有了这样的选择通透性:水、 丙三醇 、 色氨酸 、一个普通的 蛋白质 以及钠离子在卵 磷脂 膜中的相对 渗透性 分别为10、10、10、1和1,这就是说,双层磷脂膜对大分子和带电离子是不通透的,而小的非带电分子有较高的通透性,因此,这样的 半透膜 建立了对不同类型(如 极性 、大小)分子选择性摄取或释放的体系,而生物大分子若在 囊泡 内形成,则能在囊泡内部很好地保存并行使生命功能。 带电粒子 不能自由穿越脂双层这一点十分重要,因为如果没有这一特性,H就不能形成跨 膜电位 ,也就不能用于 ATP 的合成,更不会有现在生命系统的存在!
接下来,如果在前 细胞 体中发生了有机物质的合成,就会出现新的问题。在一个有限的前细胞体中如果发生 光合作用 驱动的 有机化合物 合成,就必然会导致有机物质在细胞体中的不断增加,也必然会导致细胞的破裂,或许正是这种反反复复的细胞破裂过程(脂质的 化学 特性决定了它们在 水溶液 中能自发形成脂双层的球形结构,这是这种过程能不断重复的重要基础)后来演化出生命最重要的机制之一——细胞分裂。因此,能进行光合作用的原始细菌(最初可能没有产氧能力)应该是最先出现的单细胞生物。
或者简单地说,为了进行有机物质的合成, 细胞 膜必须对物质的进出有选择性,特别是它必须保证养分的进入和一部分废物的排出。但是,这也不能解决所有问题,譬如,它如何来处置 光合作用 生产的 有机化合物 的堆积问题呢?可以设想有三种可能的途径:1)细胞不断增大。但事实上,这是不可能的,因为对漂浮于水中的原始细胞来说,细胞的增大就会由于 沉降 的加速而使它们快速葬身海底的风险聚增;2)细胞将合成的有机物迅速分解,排出体外;3)随着有机物的堆积,细胞一分为二,不断重复新的合成—分裂之过程。显然,生命选择了第3种方案。
这种策略似乎与现生细胞体积的 周期性 变化相吻合:细胞分裂形成的新细胞,最初体积较小,只有母细胞的一半,但它们能迅速合成新 原生质 ,细胞随之增大,到母 细胞 一般大小时,便可继续分裂,如此循环往复。利用光能不断合成 有机化合物 的一个结果就是,要求细胞体积不断增大,如果偶然出现分裂的细胞,而且有一部分存活下来,而且逐渐被记忆(遗传)下来,就能形成细胞分裂。这是一个重要的进化事件,因为能够具有物种特性的生命在本质上必须是一个能 自我复制 的系统。