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单独一个体细胞如何成为一个完整的植物?
Gretchen Vogel
一种植物要想存活并繁殖要求它具有非凡的适应性. 它要能把根伸展到能接触水源, 要能长出叶片接触阳光, 要能避免捕食者的袭击, 也要能找到它的配偶. 作为补偿, 植物进化出一些修复机制和繁殖策略来使它们能够在没有精子和卵子存在的情况下繁殖. 有些植物可以通过根,茎,球茎来繁殖, 而另外一些植物更加厉害, 它们可以由单一体细胞产生胚胎.例如,大多数桔科植物的未受精的配偶子附近的组织也可以发育出胚胎组织--没有哪种动物拥有这种能力! 再有, 温室植物Bryophyllum 也可以在叶片的边缘发育出胚胎组织, 如同宙斯生他的女儿雅典娜一样. 
大约50年前, 科学家就已经可以在实验室里用胡萝卜来观察其胚胎形成的过程. 从此人们就用这种体细胞胚胎形成方法(组织培养)来繁殖了数十种植物, 例如, 咖啡,magnolias, 芒果 和玫瑰. 甚至一家加拿大公司利用组织培养技术种植了整整一大片杉树. 但是如同克隆动物的研究人员一样, 植物组织培养的研究人员也不了解如何精确控制胚胎形成的过程.(1) 相关研究需要了解一个细胞是如何在发育的过程中停止分化以及植物如何在已分化的细胞中保持其细胞全能性.
科学家甚至不了解哪些细胞可以完成胚胎形成. 尽管早期的研究认为所有的植物细胞都可以发育成为胚胎组织, 新的实验表明只有一部分细胞可以转化成为胚胎, 而且在转化成胚胎之前的细胞是什么样的还是个谜. 研究人员对胚胎形成的过程进行录像(2), 但没有看到任何明显的形态变化表明哪个细胞会发芽. 对其相关的一些基因表达的研究也没有结果.
图..单个细胞的威力. 从单个桔树体细胞发育出的胚芽
研究人员确实对哪些分子可能与这个过程相关有些概念. 在实验室里, 杀虫剂2,4-二氯酚乙酸(2,4-D)可以促进培养细胞伸展,形成新细胞壁,分化并形成胚胎组织. 该杀虫剂是植物激素生长素的人工合成类似物. 生长素可以控制植物对光线,重力和果实成熟的反应. 因为在导管顶端靠近叶片边缘处的胚胎会接触到更高含量的生长素, 所以生长素可能对自然状态下的胚胎形成也很重要(3). 近期的研究表明, 在Arabidopsis有些正常的叶片细胞中过多或者过少的某些基因的表达可以诱发该叶片细胞的胚胎形成.
研究无性胚胎形成使得科学家了解植物使用什么样的细胞控制机制来保持可控生长的同时又保留其分化的全能性. 发育生物学者非常想了解动植物细胞之间这种控制机制的差异. 事实上, 某些控制植物体细胞胚胎形成的机制可能与动物细胞克隆和肢体再生非常相似.
在实践中, 科学家希望能够利用组织培养技术来繁殖谷类植物, 例如还需要正常授粉的玉蜀黍. 这样可以更快的进行新品种的繁殖和杂交育种--这正是农场主和消费者所期盼的.
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有些地方原文说得很不清楚,我稍微加了一点.
不知道science 找什么人写的这篇文章, 科普都科普得不够明白.
(1) 基本上现在任何一种植物都可以拥组织培养技术繁殖, 这可与动物细胞克隆不一样, 下面说”只有一部分细胞可以转化成为胚胎” 我不同意. 我原来国内老板说给他任何植物的叶片,他都可以让它长出苗子.哈哈. 上面举例说dozens of , 其实几百种都有了. 用根,用茎, 用叶, 多了去了.
(2) 还想看出来? 分子水平的东西想用眼睛看? 不明白他们想看什么.
(3) 废话, 生长素是植物里面最重要的激素, 几乎在每个生物过程都有作用, 还要举这个例子干什么?
不爱班主悬赏，那在下就当勇夫啦。
文中所说是”并非所有类型的植物细胞都可做组织培养“，你说的是”任何植物都可做组织培养“，二者不是一回事。比如导管细胞很明显的就不能培养。你国内的老板举的例子也是”任何植物的叶片“，如果是”任何植物的维管束“恐怕就不行了。
”看“是看的细胞分裂，胚胎形成和发育，并非看分子水平比如基因调控的运作。
生长素包括数种，天然的是IAA,人工合成的有文中说的2，4－Ｄ和ＮＡＡ，它们的生理效能虽然相似，但如何进入细胞，调节基因，在植物中如何分配，都是不一样的。生长素的效用广泛，并不能取代它在植物胚胎发育中需要被研究的事实，因为很多具体的信息尚不清楚。举这个例子，也是为了好懂罢了。如果把所有新旧的植物激素都扯上如赤霉素，脱落酸，BA，茉莉酸，就不能在短短一页纸里讲完了，虽然我相信这些激素对植物胚胎的发育的影响正有人在做。
隔行如隔山
我也注意到原文中是指的"并非所有类型的植物细胞都可做组织培养", 我也是这样翻译的. 但是我想这种说法会给读者以误导, 所以想澄清一下. 不然大家会觉得植物人工繁殖也是困难.当然我们不指望所有植物细胞都可以保留其植物全能性. 如果指望用维管束来进行组织培养, 就如同用动物血管来克隆一样了.但事实是, 大多数植物器官都可以被诱导并分化成一个新植株.
植物克隆早就不是新鲜事了.我们生活中经常会碰到人工繁殖的植物, 例如北美店里现在很便宜的蝴蝶兰,10年前在日本会卖到10万日元或更多,现在这里10美元就可以了.这就是组织培养的功劳了.没有组织培养,蝴蝶兰只能是高"贵"的兰花,荷兰的郁金香繁殖育种就更不用说了.另外,利用植物组织培养来进行药物生产,转化也是非常吸引人的.
关于"看", 应该就是看的细胞分裂，胚胎形成和发育.但原文中说"但没有看到任何明显的形态变化表明哪个细胞会发芽".本来一堆被诱导后的细胞看起来都是基本一样的, 你说他们花功夫去"看"哪个细胞形成胚胎,发芽, 有多大意义呢?最后还是要到分子水平上去了解胚胎形成需要哪些必要条件.
感觉原文中有些说法是试图和动物克隆相比, 但植物克隆技术比动物克隆技术成熟了不知道多少倍.在植物组织培养中当然有很多很多不了解的地方.但原文与其举例生长素如何, 还不如说直接说有很多植物激素的生理作用需要进一步研究呢.至于这些激素在胚胎形成的过程的作用当然就是不言而喻的了.
常用的是把叶片切成小块，诱导以2,4-D为主的激素cocktail（具体的我已经忘了），组织细胞会反分化为cell mass，从cell mass又分化出胚芽，胚轴，胚根。我想他们观察的是：大家都是一团cell mass，为什么有些会特地成为胚芽，胚轴，胚根，有些还是mass呢？他们的观察就是想找出细胞是如何承担分化使命的。这种体胚发生过程主要是2,4-D，或ＮＡＡ,天然的生长素IAA的效应弱得多。所以2,4-D在植物的体胚发生中有着非常独特的效应。
植物克隆其实是植物的体胚培养。不要说从体细胞培养整棵植物是小菜一碟，就是从花粉培养单倍体植物也已经做到了。我记得拟南芥的花粉单倍体植物比正常的要矮小，还有些什么性状不记得了，好几年前读的文献了。动物体的克隆如今能做到的是把体细胞的细胞核抽取出来，放到移除了细胞核的卵母细胞中去，这个卵母细胞可以使已分化的细胞核重新进入未分化状态。因此在克隆羊以前，人们认为植物细胞具有全能性，而动物细胞分化后就不再具有了。
胚芽，胚轴，胚根. 但我想,那些设计实验的人,他们期望看到什么呢? 看到哪些细胞长出眼睛,哪些长出牙,哪些长出腿?
具体看到哪些细胞变化了我认为并没有什么意义, 总有细胞在这个细胞团中分化,具体哪个无所谓.关键是要知道为什么这个细胞在细胞团中分化成了哪些具体的器官, 这肯定涉及分子水平的调控, 用录像的技术恐怕本来就看不出什么道道来.实验这么做只能是好玩而已.看看什么时候细胞长出个小牙,长出个小腿...
但是我也没有看到这个实验的具体设计,估计应该不仅仅是录像而已. 但science 这篇文章的作者这么说就让我觉得这个实验没有什么意义了.唉, 现在science的文章也就那么回事了.感觉不象原来那么值得学习了. 大家都去science发文章啊..^_^
读楼主的文章，有一点没有看明白：
植物的叶片（或其他部位）的细胞发育成胚胎，是自然界中就有的现象，还是人工干涉的结果。
我们知道大多数植物可以通过插枝繁殖，甚至有些喜水的植物，剪一枝子下来，泡在水里就能发芽。植物剪掉一个树枝还能在重新长出，这点动物，特别是哺乳动物是望尘莫及的。
但是把叶片细胞发育成胚胎，而不一样了。如果是自然界就有的现象，那么太神奇了，很少见。如果是人工干涉的结果，就不太稀奇了吧，现在人体干细跑研究的也很多啊。