[转帖]植物发育与生殖的研究：进展和展望

植物发育与生殖的研究：进展和展望

1　高等植物发育的特点
　　随着分子生物学和遗传学的发展，发育生物学已重新成为生物学中最为活跃的研究领域之一。高等植物的发育有其一系列自身的特点。首先，植物的生长发育是一个开放系统，由种子萌发形成幼苗，在其生活史的各个阶段不断地形成新的器官。而动物在胚胎发育阶段已基本完成了器官的分化过程。第二，植物的营养生长转向生殖发育是植物生长到一定阶段后才完成的，对于多种植物这一过程受到光、温等外界环境因子的调控。第三，植物细胞在一定外界条件刺激下（包括离体培养）表现出高度的细胞全能性，即可以重新开始分裂并形成一个完整个体的能力。植物细胞全能性这一特性为植物生物工程中很多技术的发展提供了理论依据和实验基础。最后，由于植物的根固着于土壤中而使之不能像动物一样随意移动，这又决定了植物必须对环境条件的变化作出多种反应，以利于其生长发育过程的完成。植物界的生物多样性不仅表现在物种之间的千差万别，而且由于植物生长发育环境的不同，即使是同一物种其形态也可以相差极大。这种发育的可塑性显然有助于植物适应各种环境的变化。
　　地球上的植物提供人类约90%的能量，80%的蛋白质，食物中约有90% 来源于陆生植物。人类用于作为食品及各种原料的植物，多数是用其种子、果实、花、茎、叶或特定的营养器官（如块茎、块根、鳞茎、球茎等变态器官），这些均是植物特定发育阶段的产物。因此，在植物发育研究中关于营养器官的生长发育、花诱导、花器官发生（包括性别分化、雄性不育等）、细胞的全能性、果实和种子的形成以及植物激素在植物生长发育中的控制作用等方面的知识，也构成了人们寻找有效控制作物生长发育、开花结实、提高作物生产能力及改善品质的新思路、新手段的理论基础。本文将重点介绍在顶端分生组织、开花诱导和花器官的发育、受精和胚胎发生等方面的研究进展，并对存在的问题进行讨论。

2　顶端分生组织
　　顶端分生组织是在植物胚胎发育中，在胚的纵轴向两端分别形成的特殊区域，它们在生长发育过程中可以连续不断地生长，分别称之为茎端分生组织和根端分生组织。在某种意义上说，植物的分生组织细胞相当于动物的“干细胞”（stem cell）。顶端分生组织通过调节细胞增殖和分化的进程，使其细胞按特定的方式不断分裂和分化的结果，一方面维持其自身作为顶端分生组织，另一方面形成植物的各种器官及发育成特定的形态。
　　植物的茎端分生组织（SAM）具有特定的组织结构，通常可以明显地区分出不同的细胞层（从外到内由3层细胞L1～3组成）及分区（顶端的中央区和周边的侧生分生组织与“肋状”分生组织）。由拟南芥菜（Arabidopsis thaliana）的wus突变体的分析可见，在胚胎阶段即已建立了中央区和周边区［1］，即球形胚的顶端区域分隔成中央区，由之成为茎端分生组织；而周边区域的细胞分化成子叶。当因顶端分生组织的活动，而把其周边的细胞逐步向下推向远离顶端的地方时，后者即形成器官和组织原基，而开始分化过程。STM（shoot meristemless）基因的突变导致胚胎发生过程中不能形成茎端分生组织。由拟南芥菜克隆的STM基因及其推导的编码蛋白的氨基酸序列说明STM基因是编码Homedomain类的KN基因家族的一员，很可能是通过转录调控而影响SAM的形成。STM基因在整个发育过程中涉及茎端分生组织的结构建成。茎端分生组织的中央区的细胞分裂活性通常较低。显然，STM基因在维持SAM中央区域细胞处于未分化状态具有重要的作用。STM基因作用于WUS和ZLL基因的上游，后两基因为分生组织细胞获得相应的功能所需［2,3］。茎端和花分生组织的中央区域未分化细胞的数目在突变体clv1和clv3中增加，从而使顶端分生组织的大小明显增加，说明CLV基因的作用与STM相反，对SAM的中央区域细胞的未分化状态这一特征起负调控作用［4］。CLV1编码膜结合的受体激酶，由此推测它可能通过蛋白质的磷酸化而影响STM基因产物的转录调控作用［5］。而转基因植物已为KAPP（kinase associated protein phosphatase）对CLV1起负调控作用提供了证据［6］，TFL基因的突变则导致在中央区域细胞进行分化时，SAM的活性即告终止。由此可以认为分化是一个中央区域细胞受阻遏的发育选择(repressed developmental option)过程［2］。
　　由茎端分生组织分化出新叶原基的过程与胚胎发育中子叶形成相似。在stm突变体中，子叶和叶形成过程受到的影响相似也说明了这一点。通常在茎端分生组织起源的多数侧生器官均有腋生分生组织形成。在这方面，器官原基的形成与茎端分生组织状态的维持之间的相互关系是人们注意的重点。由拟南芥菜的双突变体cuc1∶cuc2 （cup_shaped cotyledon）形成的幼苗具有并合的子叶，并没有茎端分生组织。当在培养中诱导形成苗时，产生的花萼及雄蕊也是并合的，可见CUC1和CUC2基因对于形成分离的器官原基是必需的。CUC2基因已经克隆［7］，其编码蛋白质的氨基酸与矮牵牛（Petunia hybrida）的nam突变体的同源性达56%，后一突变体的形态学特征与拟南芥菜的相似，即也具并合的子叶，无茎端分生组织［8］。已发现若干基因与叶的形态有关，如拟南芥菜的angustifolia和rotundifolia突变体，玉米的narrow sheath突变体等。在叶中表达分生组织基因也会导致叶形态的改变，如在拟南芥菜使KNAT1基因过量表达，会使形成的叶片边缘明显成为裙摺状，在烟草（Nicotiana tabacum）和拟南芥菜中过量表达类kn-1基因也导致在叶上形成分生组织。由玉米中克隆的同源异型基因kn-1基因以及由拟南芥菜中克隆的KNAT1基因仅在SAM中表达，但在叶原基中不表达，这已使这类基因成为在早期鉴定叶原基细胞的最好标记［9］。然而，已发现番茄复叶的发育中涉及类kn-1基因的表达。在番茄(Lycopersicon esculentum)中过量表达kn-1基因，导致增加番茄叶的开裂程度，产生的叶片可具有多达1000个小叶［10］。生长素的极性运输在胚胎发生中对子叶分化发育的作用，已为利用生长素极性运输抑制剂处理芥菜幼胚以及拟南芥菜的生长素运输突变体pin1所证实［7］。进而，我们利用烟草、景天树(Crassula arboresions)、二月兰(Orychophragmus violaceus)等植物的叶外植体建立的芽分化试验，以及烟草、青菜(Brassica chinensis)种子的萌发试验中，均已证明在培养基中加入生长素运输抑制剂导致形成喇叭状叶或联体叶［11，12］。所有这些也说明叶片与子叶形态发生上的相似性，它们都受到生长素极性运输的调控。新近德国Palme博士的研究小组已由拟南芥菜中克隆了多个PIN基因，其编码的蛋白具有典型的膜蛋白结构［9］，结合原位定位的结果使他们认为PIN1蛋白即是一种生长素的极性运输体（polar transporter）［13，14］。
　　根尖分生组织的活动与茎端不同。在根端具有起缓冲保护作用的结构——根冠，所以根尖分生组织事实上是一种近顶端的分生组织。在被子植物中，根在横切面上由外及里的每一层细胞均可追溯到由根尖分生组织形成的不同原始细胞，如表皮_根冠原（在单子叶植物中通常有单独的根冠原）、皮层原、中柱原等，在纵切面上即可见清楚的一列列排列整齐的细胞，每一列细胞均起始于一个原始细胞的分裂，靠顶端的一个子细胞仍保持为原始细胞，远离顶端的一个子细胞经几次分裂后，即进一步分化形成相应的组织。这些原始细胞围绕在由几个不分裂的顶端细胞周围，这些不分裂的顶端细胞组成一个所谓的“静止中心” QC (quiescent center)。在拟南芥菜中，QC由4个细胞组成。通过大量突变体及其组织细胞学的研究，已揭示QC细胞维持其周围的原始细胞作为“干细胞”的功能，控制着它们的分裂，以及随后子细胞的分化。没有具有功能的QC的存在，组织原细胞的状态即不能维持。显然，根尖分生组织中QC细胞与其周围的各类组织原细胞之间的信息物质的运输及作用，以及与从成熟的正在分化的细胞来的信息之间的平衡，在根的形态建成过程中具有重要的作用。根的侧生器官侧根的形成并不起源于根尖分生组织的活动，而是通常由离根尖一定距离的中柱鞘产生的。侧根的这种内起源特性与茎干的侧生器官的外起源特性明显不同。根系的形成受到土壤中各种理化因素的影响。在拟南芥菜中已发现根系生长的差异明显受NO-3的影响，在富含NO-3的土壤中侧根伸长明显增强，而对主根的生长影响不大。其有关的基因ANR1已为Zhang和Forde［15］克隆，并证实也是一种拟南芥菜的MADS盒基因，用转基因植物已证明它在拟南芥菜根发育的可塑性方面起有决定性作用。根尖分生组织的结构相对较为简单，根尖分生组织及根的形态发生也已成为发育分子生物学的一个很好的研究系统［16,17］。
　　顶端分生组织细胞的分裂和分化受到其所在位置的明显影响。实验证明用激光处理杀死特定的细胞后其相邻的细胞可以取代原有的细胞位置而获得相应的功能。茎尖分生组织可以看成是一团在早期胚胎发育中形成的，并从周围分化的组织中接受模式（pattern）形成信息的分裂细胞；而根尖分生组织则可以看作是一团缺乏内在模式形成信息的分裂细胞［18］。无疑，在顶端分生组织的活动中，也受到整体植物其他器官的影响。作为一个整体，植物激素以及代谢产物运输的调控起着重要的作用。随着越来越多的顶端分生组织的突变体以及相应基因的克隆，无疑会加深人们对顶端分生组织的活动及其调控的认识，而这是植物整个形态发生的基础。

3　开花诱导
　　高等植物经过一段时期的营养生长后，在合适的外界条件下（其中重要的有日照长度、光质及温度），即转向生殖发育（reproductive development），开始花器官的分化形成。植物的开花状态可以逆转，说明涉及转向开花的基因及过程对于生殖发育的启动及维持均是重要的。长期以来，植物生理学家利用不同的植物及组织培养成花系统，已在光周期诱导、春化作用、激素和代谢产物在开花过程中的生理作用等方面进行了大量研究，在此基础上, Bernier［19］提出了开花诱导的“多因子模型”（multifactorial model）,根据此模型，植物在启动开花之前，体内的各种有关的生长调节物质和代谢产物作为成花的促进因子或抑制因子，必须在特定的时间，达到合适的浓度，它们之间的相互作用最终才导致茎尖分生组织（或侧芽的分生组织）由营养生长锥转向生殖生长。由拟南芥菜［20］、豌豆（Pisum sativum）［21］和谷类［22］等植物开花时间的遗传分析支持这种开花的多因子调控的假说。
　　利用拟南芥菜的突变体已定位了约80个位点影响开花时间，其中一些基因促进开花，另一些抑制开花；一些基因促进开花的作用并不受生长条件的影响，而另一些则明显受环境因素的作用［23, 24］。通常可将参与开花诱导的基因分成两类：与开花时间有关的基因（flowering time gene）和分生组织特征基因(meristem_identify gene)。前一类基因的突变会使突变体的开花时间提早或延迟，这类基因中促进开花的包括：CONSTANS (CO)、 LUMINIDEPENDENS (LD)、FCA、 ELF3等，抑制开花的如EMF1。后一类基因决定新形成的原基的发育方向，是继续营养生长的发育方式，还是转向花的发育，这类基因如TERMINAL FLOWER (TFL)1和 TFL2、CLF、LEAFY (LFY)、 APETALA1 (AP1)和AP2、CAULIFLOWER (CAL)等。根据影响开花时间的突变体对环境因子（春化和光周期）的反应，结合遗传分析，在拟南芥菜中已确立至少存在4条途径影响开花时间，其中两条是调控植物本身的发育状态，即（1）开花抑制途径（floral repression pathway），此途径中有关的基因的功能是在植物发育到一定大小或年龄之前抑制开花（如TFL1、CLF、WLC、EMF等）；（2）自主促进途径(autonomous promotion pathway)，其有关的基因随植物的发育，起着拮抗上述抑制开花的作用（如LD、FCA、FVE、FPA等）。另两条途径受环境因子的影响，即光周期促进途径（photoperiodic promotion pathway）及春化促进途径(vernalization promotion pathway)(参看文献［25］)。
　　胚胎花基因（EMF）在阻遏开花中具有重要的作用，其突变体emf1和emf2表现出没有明显的营养生长阶段。对于TFL1基因，根据其与金鱼草(Anthirrhinum majus)的相应的基因CEN的相似性，以及突变体tfl1开花提前，可以认为TFL1基因抑制在顶端花的形成，推迟由营养生长向生殖发育的转变。过量表达TFL1明显延长营养生长及花序生长阶段也支持这一观点［26］。TFL1所起的推迟开花的功能可能是通过阻遏自主促进途径中促进开花基因（如FCA、FVE和FPA）的作用而表现出来的。而CLF和WLC基因是通过阻遏某些花分生组织特征基因而推迟开花的。在clf突变体中AG基因在叶片、花序、茎和花中异位表达，而AG和AP3在wlc突变体中异位表达，说明CLF和WLC是抑制花分生组织特征基因在营养组织中的表达［25, 27］。
　　拟南芥菜CO的突变体在非诱导的短日照条件下正常，但在长日照下开花延迟，而FCA基因的功能不受日照长短的影响。在mRNA水平上也反应出同样的情况，CO mRNA的量在长日照下比短日照下高得多，而FCA和另一也不受日照长度影响的基因LD的mRNA不受日照长度的影响。Simon等［28］用转基因技术在co突变体中表达由CO与鼠的糖皮质激素受体（glucocorticoid receptor）的配体结合域的基因片段组成的融合基因（35S∶∶CO∶GR）。人工合成的糖皮质激素DEX（dexamethasone）处理这一转基因植物即可诱导导入的CO基因表达，并研究它对分生组织特征基因表达的影响。结果表明CO的表达即可迅速诱导LFY和TFL1基因的转录，后二基因的转录在野生型拟南芥菜中为长日光周期所诱导。利用在不同时间DEX处理，即可诱导转基因植物在不同的时间开花，这至少用模式植物证明了通过基因工程技术调控植物的开花时间是可能的。现已知CO和LD基因编码转录因子，而FCA编码的是RNA结合蛋白，预示这三个基因可能直接作用于控制花形成的目标基因。
　　自从Garner和Allard在20年代用烟草和大豆(Glycine max)所做的经典实验中证实光周期在开花中的作用以来，植物发育生理方面的大量研究早已证明光在植物由营养生长转向生殖发育过程中的作用与两种光受体有关，即光敏色素（红光_远红光受体）和隐色素（cryptochrome，蓝光_紫外光A受体）。至今，已在不同植物中分离克隆出多种光敏色素蛋白的基因，如拟南芥菜中即有PHYA～PHYE 5种，在番茄中也有5种：PHYA、PHYB1、PHYB2、PHYE和PHYF。在这些光敏色素中，研究得最多的是光敏色素A和B。通过突变体和转基因植物的研究表明它们在光形态发生中确有重要作用。在长日植物拟南芥菜和豌豆中，缺失PHYA导致在长日照条件下开花比野生型延迟。已有报道称PHYA在转基因拟南芥菜中过量表达导致在短日照条件下开花提前［29］，但这种情况在其他植物中并未观察到。缺失PHYB在拟南芥菜、高粱（Sorghum vulgare）等多种植物中引起早花，致使一些研究者提出通过操纵PHYB基因的表达，如导入反义PHYB基因，有可能使作物缩短生长期［30］。Halliday等［31］将燕麦的PHYA、拟南芥菜的PHYB和PHYC基因导入日中性和短日的烟草品系，结果表明异源的PHY基因的表达增强了用短日照（30 min白光）打断长夜对延迟开花的作用，此研究也首次证明了PHYC的生物活性。发现蓝绿藻的光敏色素具有光调组氨酸激酶活性［32］，使人们相信高等植物的光敏色素很可能从远古时代的原核生物的组氨酸激酶演化而来，而在文献中植物的光敏色素又似可显现丝氨酸激酶的活性，反映出植物的光敏色素看来并非组氨酸激酶家族的典型成员［33］。光敏色素在调控植物生长发育的信号传导过程中的生理生化作用仍有待进一步研究。在拟南芥菜中已发现有两种隐色素(CRY1和CRY2)。拟南芥菜的隐色素突变体cry2的研究表明它也是一种晚花突变体。新近，Guo等［34］在与拟南芥菜的其他晚花突变体作比较研究时已发现在fha突变体中未检测到CRY2蛋白，两者均定位于拟南芥菜的第一染色体的同一区段。并发现CRY2是CO基因的正调节因子，在长日照条件下，CO mRNA在cry2突变体中要比相应的野生型至少低3倍。分析cry2和phyB突变体开花对不同光波光照的反应也说明cry2和phyB对开花的调控作用正好相反。
　　虽然在40年前Zeevaart［35］即证实在光周期诱导中，开花诱导的信号在叶片中产生，并需通过韧皮部运输到茎端发生作用，使之形成花，不少研究者试图分离这一诱导物，但至今对其生化性质仍不清楚。单子叶植物毒麦（Lolium temulentum）的Ceres品系只需一个长日照诱导处理即可开花。从长日照诱导后的毒麦植株上分离茎尖培养发现，诱导后第一天切下的茎尖在培养中需加入GA3才能诱导使之开花，而第二天切下的则无需外加GA3。据此，McDaniel和Hartnett［36］认为光周期对于毒麦的开花诱导是一可分为两步的过程，即在叶中形成的第一个信号物到达茎端后诱导使之成为成花决定状态(florally determined state)；然后，第二个信号物，即GA促进成花决定状态的表达。Kania等［37］已从拟南芥菜克隆FPF1基因(flowering promoting factor 1)，此基因在长日植物白芥(Sinapis alba)和拟南芥菜中，在光周期开花诱导后很快在顶端分生组织中表达，先仅在分生组织的周边区表达，而后在花分生组织和形成次生花序的腋生分生组织中表达。此基因编码一个12.6 kD蛋白，研究表明它的功能涉及依赖GA的信息传导过程，以及参与在转向开花过程中顶端分生组织对GA的反应。利用玉米茎尖培养发现不管切取茎尖前植物已有多少片叶子，离体茎尖在形成花之前必须重新形成一定数目的叶片。然而，如果在切取茎尖时带有4～6个幼小的叶原基，即可克服这种发育程序的重新设置，说明在幼叶中的一些信号影响SAM的发育［38］。玉米的id1突变体表现出从营养生长向生殖生长的转变过程出现故障，在正常生长季节内不能开花。当生长期延长最终形成花序时也表现出营养生长的特征。新近，ID1基因已经克隆，证实是一个锌指蛋白，表明它可能是一种转录因子。ID1基因主要在幼叶中表达，而在SAM中不表达，说明ID1基因在开花诱导中的作用涉及在幼叶中形成的一种可运转的信号分子，后者影响SAM转向生殖发育［39］。
　　很多植物需要经过低温处理（如越冬作物）才能诱导或加速开花，这一过程通常称之为春化作用。与光周期诱导开花过程不同，春化本身（低温诱导）并不诱导开花，而只是使植物处于准备开花状态。Burn等［40］提出春化引起DNA的去甲基化，这使在GA生物合成中重要的异贝壳杉烯酸羟化酶基因得以表达。一些实验已表明DNA的甲基化确在确定或维持分生组织的不同发育状态起作用。虽然导入甲基转移酶的反义基因的转基因植物表现发育上的异常以及早花，去甲基化在春化中的作用仍不很清楚，因为在这些转反义基因的转基因植物中明显的去甲基化并没有导致转基因植物及其后代不需春化［41］。遗传学研究已表明，在小麦中至少有4个基因控制春化过程。在拟南芥菜中也已得到多个对春化敏感的突变体（如vrn1和vrn2）。对这些突变体的研究以及最终克隆这些基因无疑将对了解春化过程中的分子机理具有重要意义［23，42］。种康等［43,44］从经低温诱导的冬小麦cDNA文库中筛选得到了两个对春化处理特异的cDNA克隆ver203和ver17。为了研究ver203的功能，将其反义基因导入小麦，结果发现在326株春化过的反义转基因小麦中有6株抽穗明显受到抑制［45］。该基因3′端cDNA克隆核苷酸序列检索表明，它与茉莉酸诱导基因有部分同源，推测它可能参与茉莉酸的信号传导途径［46］。
　　正常花的形成需要分生组织特征基因（如LFY，AP1等）的表达。LFY基因在新形成的花原基中表达很早，说明它对于诱导花形成是必需的。这也为转基因植物所证实：LFY基因在35S启动子驱动下，转基因拟南芥菜所有的侧芽全部转变为花，主茎的顶端转变为一不正常的顶花［47］。在一些情况中，转基因植物在形成3片真叶后即形成花，但这类植物通常不育，不能正常繁殖。用同一嵌合基因（35S∶∶LFY）导入烟草和杂种杨（Populus tremula×tremuloides）后使这些植物提早开花。特别对于杨树，通常8～10年后才开花，但转基因杨在经6～7个月的营养生长后即形成顶花以及单个的腋生雄花，但花药未能开裂。这一结果说明LFY的活性在亲缘关系很远的植物之间是相当保守的，同时也表明通过导入LFY基因，有可能调控开花的时间。有意思的是，仅是拟南芥菜的LFY基因在营养生长阶段有相当广泛的表达，而金鱼草中的同源基因FLO则并非如此。在形成分生组织过程中的负调控基因TFL1也表现出类似的区别：拟南芥菜TFL1基因的表达不限于生殖发育阶段，它在营养生长阶段也表达，以延迟开花，而金鱼草的同源基因在营养生长阶段并不表达。如前所述，LFY和TFL1均是受到CO的诱导而迅速被激活的基因，而AP1的转录则要晚得多。据此说明AP1可能是LFY基因的一个下游效应子，而用35S∶∶AP1转化拟南芥菜获得的转基因植物的表型与35S∶∶LFY相似也是一个佐证。由于35S∶∶AP1拟南芥菜在一些方面又与tfl1单基因突变体或tfl1/tfl2双突变体的表型相似，也认为至少35S∶∶AP1在开始时的影响可能是由于抑制了TFL1基因所引起的［48］。但是，AP1与LFY不同，将35S∶∶AP1导入杂种杨，并没有得到LFY相似的结果，说明LFY和AP1在诱导开花方面还是有所差异，当然也可能是LFY的作用在不同物种之间比AP1更为保守所致。

5　植物的受精作用与胚胎发生
　　俄国植物学家S. G. Nawaschin发现双受精现象已整整100年了，这是植物胚胎学史上的一个重大里程碑。在双受精现象发现100年以来的研究历程中，可以认为在前50多年，应用光学显微镜的观察，阐明双受精在被子植物中的普遍性，对涉及受精的雄性、雌性配子体与雌、雄性配子，及其融合过程中的基本特性、变异性和多样性，积累了丰富的宝贵基础资料。Maheshwari［57］对这些资料作了全面的总结。自50年代到现在的近50年中，从以有性生殖过程作为研究对象的植物胚胎学与细胞生物学和分子生物学等学科结合，演进为生殖生物学。在这一阶段，受精作用作为有性生殖的中心环节，由于应用电子显微镜、显微荧光术、细胞化学和分子生物学作为手段，超越了早期局限于形态学的范畴，在受精作用中有关结构与功能关系的深入研究中，发现了不少新的现象。有关精卵识别以及受精过程方面研究的详细进展，可参看胡适宜最近的综述［58］。特别是80年代中期以来，开展了性细胞分离技术的研究并开辟了植物体外受精系统的实验研究领域，已取得了不少有意义的结果［58～61］。离体受精的突破有其学术思想背景与实验技术前提。随着雌、雄配子分离技术的成熟，研究者预见到配子离体融合指日可待，提出了开展这一研究的设想。Kranz等［62～64］将前人多方面的成果加以综合，在玉米上进行体外受精首先取得了突破，并进一步使人工合子发育成可育植株。显然，他们所进行的离体受精之成功依赖于雌雄配子分离、单对原生质体融合和微培养等技术的成熟和发展。利用体外受精系统的研究策略，已成为当今被子植物双受精研究众所瞩目的焦点。新的研究策略必将加快对受精作用机理的认识，许多未能回答的问题有望不久在新的水平上得到答案。诸如精子异型性的分子基础是什么、配子如何识别、什么机制阻止多精入卵，以及导致卵活化的信号传导过程是如何串联的等等。另一方面，随着性细胞体外操作技术的改进和完善，预期植物性细胞工程的研究高潮即将来临（参看杨弘远和周嫦最近的综述［59］）。
　　在受精作用发生之前的传粉，以及随后花粉管在花柱中的生长是确保正常情况下受精过程发生的先决条件。在这一过程中，花粉与柱头，以及生长的花粉管与花柱细胞之间的信号的相互作用对于调节柱头对花粉的识别，花粉管在柱头中的正常生长，以及将精子送入胚珠，起着很重要的作用［65］。在这方面，自交不亲和性为研究这种识别现象提供了很好的实验系统。在高等植物中，已知有70科约250属植物中存在自交不亲和（SI）现象，这是植物防止近亲繁殖的一种天然遗传屏障。自交不亲和性又可分为孢子体自交不亲和（如芸苔属等）和配子体自交不亲和（如茄科植物金鱼草等）两类。目前的研究集中于雌蕊和花粉的自交不亲和基因。在自交不亲和的芸苔属植物中，已克隆了两个S位点柱头专一性的基因SLG（编码一胞外糖蛋白）和SRK（编码一位于膜上的S受体激酶）［66］。在自交不亲和烟草中，已发现花粉管的生长为S-核酸酶（S-RNase）所抑制，而RNase随不同S位点而异［67，68］。近年对花粉本身涉及SI的组分的研究，主要通过分析相应的突变体，或是通过纯化与SLG和SRK结合的蛋白进行，但至今仍没有确切的结果［69］。
　　精卵细胞融合形成的合子，可以作为植物生活史的起点，随后的生长分化均起始于这一原始细胞。合子的第一次分裂通常是不等分裂，形成一个顶端细胞及一个基细胞。以模式植物拟南芥菜为例，较小的顶端细胞分裂形成胚体的大部分，而较大的基细胞分裂主要形成胚柄及根的一部分。在很多高等植物中，由于受到周围的母体组织和细胞的影响，胚囊、卵细胞和合子显然均是极性化了的。在胚珠中的合点_珠孔轴向通常决定了胚胎中顶_基向纵轴的形成。由此可见，由母体组织来的信息在合子胚胎发生中可能起重要的作用，可惜对此类信息的性质仍不清楚。由于操作墨角藻（Fucus vesiculosu，一种褐藻）的合子和胚胎的方便，已使之成为研究胚胎发育早期极性建立的一个很好的实验系统。因外界环境因子梯度（如单侧光，或两侧光强不同）的作用而建立的极性有一个从受精后开始阶段的不稳定（4～10 h）到逐步稳定（10～14 h）的过程，最后建立的极性在形态上表现出来（14～18 h）。这最终导致胚胎最初的2个细胞的分化，背光的形成假根，向光的形成原植体。在此过程中已发现一系列细胞生物学上的变化，如见到的第一个稳定的不对称现象是在假根端首先积累F_肌动蛋白。合子胞质中Ca2+的浓度梯度对于维持假根的顶端生长也十分重要，如使胞内的Ca2+浓度梯度消失，则假根的形成受到抑制［70，71］。另外，利用激光技术对墨角藻二细胞期胚胎进行显微操作的实验也证实细胞壁在维持这种两极的生长方式中具有重要的作用［72］。在培养的胡萝卜（Daucus carota）细胞的体细胞胚胎发生中也已发现细胞壁分子的作用［73］。墨角藻极性的研究对了解其他植物中极性的建立和维持也有重要的意义。本世纪以来进行的大量细胞胚胎学及生理生化方面的研究已为在分子和细胞水平上研究胚胎发生过程积累了大量的重要资料。近年来，由于配子分离、配子融合及人工培养合子的成功，已使人们可以在离体条件下观察受精过程中发生的变化，并用分离的卵细胞和离体受精的合子建立cDNA文库，来研究受精和早期胚胎发生过程中的基因表达（参看文献［59, 74］）。此外，由于从拟南芥菜中已筛选到无需受精过程即形成胚的突变体fis［75］，以及同样无需受精即形成胚乳的突变体fie［76］，这将有助于研究启动原胚及胚乳形成的分子机理，在无融合生殖研究方面也有很大的意义。
　　利用突变体来研究胚胎发生的分子机理已成为当前研究胚胎发生分子生物学的主流，即所谓的遗传剖析法（genetic dissection）［77］。至今从拟南芥菜、豌豆、水稻、玉米中分离到一批与胚胎发育有关的突变体，其中拟南芥菜就有300多个，水稻也有180多个。然而，在研究过的拟南芥菜胚胎发育突变体中，不少基因涉及到的是基本的细胞功能，所以可能并不起直接的调控作用。另一类基因在胚胎发育的模式形成中起重要作用，但其作用并非专一发生于胚胎发生过程中，如GN、KNOLLE基因。再有一类基因，如STM和SCARECROW，在茎尖和根尖分生组织的功能中起着关键的作用，所以它们也不仅在胚胎发生过程中需要。原位杂交的结果表明STM mRNA在野生型胚形成SAM之前即已出现，并仅在那些将形成胚的SAM的细胞中积累，在其周围的区域形成子叶原基［3］。与STM基因相反，ANT在形成子叶原基的部位表达［78］。ANT基因也为花的发育所需要，它事实上在花器官的原基、子叶和叶中表达。还有一大类基因主要是在胚胎成熟过程中表达的，其功能即限于胚胎发育的后期，如ABI3。
　　在已克隆的基因中，仅GN基因影响到胚胎的顶_基极性。gn突变体的合子第一次分裂不再是不等分裂，结果形成的顶端细胞和基细胞大小相似，最后形成胚胎的顶_基轴向的样式（apical-basal pattern）发生变化，无根和下胚轴，子叶的形态也发生改变（变短、加厚，不少情况中子叶连成筒状）。GN基因已经克隆，并发现此基因在幼苗和成熟组织中也表达，其功能不限于影响细胞分裂的方向和次数，还影响细胞的伸长及胞间的连结［79］。此基因的序列与酵母的两个蛋白Gea1p和Gea2p有同源性，这些蛋白在酵母中参与内质网和高尔基体之间囊泡的运输，所以推测GN蛋白也参与囊泡的定向运输，还可能与胚胎的顶_基轴向极性的稳定有关［22］。在拟南芥菜中已克隆ATML1（Arabidopsis thaliana meristem layer 1）基因，它属于一类新的同源异型基因，已观察到其mRNA仅在合子第一次不对称分裂后形成的顶端细胞中积累，而在基细胞中则没有。ATML1在八细胞胚期的每个细胞中均表达。以后随切向分裂，其表达仅限于原表皮层。发育到鱼雷胚，ATML1 mRNA 消失，但在成熟胚的茎端分生组织的L1层细胞中又重新出现。可以认为对于调控细胞特化和模式形成过程所必需的位置信息（positional information）的形态发生边界的建立，ATML1基因具有重要的作用。同时，它也为植物胚胎发生的早期过程提供了一个很好的分子标记［80］。Knolle基因突变干扰拟南芥菜早期胚胎发育过程中原表皮与内部的细胞之间分化，这一情况与不完全的细胞分裂有关，该基因的克隆表明它编码一syntaxin类蛋白，后者为细胞板形成所必需［81］。拟南芥菜的LEC1 (LEAFY COTYLEDON 1)基因为子叶的特化以及胚胎成熟所需。克隆的LEC1基因表明它编码一转录因子同源物（CCAAT盒结合因子HAP3亚基），并发现其在胚胎发育的早期即高表达。用转基因植物异位表达的结果导致在体细胞中胚胎特异基因的表达，并产生类似胚胎的结构，说明LEC1是胚胎发育的一种重要调控因子，它活化为胚胎发生以及细胞分化所必需基因的表达［82］。
　　胚胎发育中的形态建成是指胚胎发生过程中器官和器官原基的形成过程，这可看作伴随细胞分裂在胚胎中产生的一系列区域或功能上的分化过程。Meyer等［83］曾把植物胚胎在纵向上区分成3个区域：上区包括子叶、上胚轴和顶端生长点；中区包括下胚轴；下区包括根生长点和根冠。他们认为这3个区域分别由不同的基因控制。相关的拟南芥菜突变体已经发现，如GURKE（GK）基因突变，使茎尖分生组织和子叶缺失，顶端成为一团无组织结构的绿色细胞，失去顶端的结构。MONOPTEROS（MP）基因突变导致胚根和下胚轴同时缺失。但这些基因的确切功能仍有待相应基因的克隆。新近，MP基因的克隆表明该基因编码一具转录因子特征的蛋白，根据其结构以及表达的特性，此基因很可能通过对生长素应答来调控植物细胞的轴向生长特性，从而影响胚胎发育的模式形成以及维管组织的发育［84］。
　　胡萝卜的体细胞胚胎发生系统为人们提供了不少证据说明在体细胞胚胎发生的早期过程中信息分子的重要作用，如Nod因子（含有N-acetylglucoseamine的脂多糖）和释放到培养基中的内切几丁质酶EP3均能使胡萝卜温度敏感型ts11的停止在球形期的体细胞胚进一步发育［85，86］。由胡萝卜的细胞培养物克隆了SERK基因，其蛋白质的氨基酸序列相当于含Leucine-rich repeat的受体激酶。说明该基因的作用发生在胚胎发生的很早时期的信息传递途径中［87］。观察表明体细胞胚由表达SERK基因的细胞形成，该基因表达在球形胚期后即停止。而在植物中，该基因仅在合子胚到球形胚期早期表达。
　　对于早期胚胎的分化发育，导致细胞分化的有关调控细胞分裂及其方向、细胞间的信息交换的基因显然起着重要的作用。问题在于，如果一个基因的突变对形态发生产生了很大的影响，此时如果没有对此过程的各个方面有一定的了解，很难根据表型的变化去推断此基因是如何发挥其功能的。在植物胚胎发育的分子机理的研究方面，正是如此。