高中生命科學研究人才培育 植物的生殖 大綱 植物的世代交替 植物生殖器官發育 減數分裂 中央研究院植物暨微生物學研究所王中茹 March 4, 2017 Email: rwang@gate.sinica.edu.tw 植物的雙重受精 育種與基改 有性生殖 動植物有性生殖 2n 減數分裂 減數分裂 2n 1n 1n 2n 陸生植物 被子植物 裸子植物 植物的世代交替 蕨類 矽藻 1
蘚苔類世代交替 ( 地錢或苔類 ) https://youtu.be/jcwyanmm QE 蕨類植物的世代交替 孢子體世代 (2n) 孢子體世代 (2n) 配子體世代 (n) 配子體世代 (n) 高等植物的世代交替 種子 胞子 孢子體世代 (2n) 孢子體 世代交替演化的可能原因 合子 受精 減數分裂 大小孢子 1. 植物不能動, 無法主動找其他個體進行有性生殖 2. 有性生殖增加遺傳多樣性, 有利於族群演化 3. 植物需要擴大生存空間 4. 隨著演化, 目前的高等植物 ( 開花植物 ) 配子體世代越來越式微 配子 配子體 配子體世代 (n) 花的構造 開花的調控 1930 年 包含雌蕊 雄蕊 花瓣 萼片, 含有此四類構造的花稱為完全花 雌蕊 : 由柱頭 花柱 子房構成, 子房內有胚珠 雄蕊 : 由花藥 花絲構成, 花藥內有花粉囊 植物會利用葉片或其他組織偵測環境的變化以產生開花素 (florigen) 及開花拮抗素 (anti-florigen) 來調控花芽的形成 http://ipmb.sinica.edu.tw/ipmb_site1/?q=node/100 9&language=zh hant http://163.30.125.7/~science/na_teach/ch06/6_43.htm 2
植物生殖器官發育 ( 花藥與胚珠 ) 花藥發育 花粉母細胞 花絲 http://romertangi.blogspot.tw/2012/10/flower introduction.html http://www.studyblue.com/notes/note/ DNA proliferation is monitored by EdU incorporation The mitosis to meiosis transition of male germ cells 5 ethynyl 2 deoxyuridine (EdU) Anther > 0.7 0.8 1 1 1.2 >1.2 (mm) EdU PI 120 100 Asynchronous mitosis Pause G0/G1 Synchronous S phase Meiotic prophase I > 0.7 0.8 1 1 1.2 >1.2 Incubate with anthers EdU / PI (%) 80 60 40 20 The pattern is consistent with 2, 8, 24 or 48 hours labeling. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Anther length (mm) Working model 胚珠 - 胚囊的發育 am1 No Meiosis Wild-type Asynchronous mitosis G1 pause Synchronous meiosis 胚珠 Skip Pause mac1 Asynchrono us Meiosis 大花粉母細胞 (Lily) 胚囊 http://botit.botany.wisc.edu/ 3
高等植物的世代交替 孢子體世代 (2n) 孢子體 減數分裂 MI MII 種子 胞子 合子 受精 減數分裂 大小孢子 有絲分裂 M 配子 配子體 配子體世代 (n) 孟德爾定律之一 ( 分離律 ) 染色體重新組合 ( 孟德爾定律之二 --- 獨立分配 ) 遺傳因子在一般生物細胞中是成對存在的, 產生生殖細胞時, 成對的遺傳因子會發生分離, 分別進入不同的生殖細胞中 減數分裂的特性 1. 只有生殖細胞行減數分裂 2. 減數分裂結果, 子細胞染色體數目減半, 染色體發生互換 3. 一次染色體複製, 兩次細胞分裂 4. 所有的有性生殖生物都必須, 以穩定染色體數目 5. 提供遺傳重組 染色體互換重組 4
同源染色體配對 DNA 雙骨斷裂修復機制 -> 製造互換 ( 同源染色體配對基礎 ) 重組互換 配對 聯會 Leptotene 減數分裂第一前期 : 細絲期 Early zygotene 減數分裂第一前期 : 偶絲期 ( 合絲期 ) chromatids nucleolus 1. 顯微鏡下看到細長染色體 2. 核仁變大, 可能與 protein RNA 合成有關 3. 染色體末端開始聚集在核膜上 4. 雙骨 DNA 發生斷裂 Double strand DNA 1. 染色體末端聚集, 形成花束構造 2. 同源染色體開始配對 ( 互換的開始 ) 3. DNA 雙骨斷裂為餌, 去尋找同源序列 Double strand DNA breaks (DSBs) knob Early zygotene 減數分裂第一前期 : 偶絲期 ( 合絲期 ) Early zygotene 減數分裂第一前期 : 偶絲期 ( 合絲期 ) 3 end ssdna 3 end ssdna 3 ~500 RAD51 3 RAD51, DMC1 5
Zygotene 減數分裂第一前期 : 偶絲期 ( 合絲期 ) Zygotene 減數分裂第一前期 : 偶絲期 ( 合絲期 ) ssdna invades to homologous chromosomes Recombination intermediates RAD51, DMC1 Pachytene 粗絲期 聯會 Axial element Central element Synaptonemal complex (SC) Pachytene 粗絲期 1. 一旦找到同源染色體, 開始聯會, 形成聯會複合體 Double Holliday junction NE CE Synaptonemal complex 聯會 Axial element Central element Synaptonemal complex (SC) Pachytene 粗絲期 減數分裂第一前期 : 雙絲期 1. 同源染色體完成配對 2. 正進行同源染色體互換, 以產生基因重組 3. 染色體繼續加粗縮短 1. 同源染色體重組完成 2. 聯會複合體瓦解 3. 可見互換交叉, 由互換交叉將同源染色體拉在一起 Crossover 互換交叉 chiasma 6
Diakinesis 肥厚期 同源染色體配對 1. 染色體較前更為粗短, 可見明顯配對好的兩價體 ( 二同源染色體 ) 2. 於本期結束時, 核仁和核膜亦隨之消失 配對 重組互換 聯會 10 bivalents with ~20 COs Meiosis DNA replication Reductional division Equational division Maize ( 玉米 ) as a great model for meiosis Great cytology 1. Large, well defined meiotic chromosomes 2. Easy to identify meiotic stages cytologically Great genetics 1. Powerful forward genetic screens 2. Reverse genetic approaches: knockout mutagenesis and point mutation system 3. Maize genome sequence is available DeltaVision deconvolution microscope Super resolution microscope Lateral Elements of Synaptonemal Complex visualized by 3D SIM antibody against the lateral element component REC8/AFD1 antibody staining) 7
突變 bivalents vs. univalents at metaphase I 高等植物的世代交替 種子 胞子 孢子體世代 (2n) 孢子體 合子 受精 減數分裂 大小孢子 wild type 10 bivalents meiotic mutant (dsy2) 20 univalents 配子 配子體 配子體世代 (n) 花粉發育 Various pollens By Dennis Kunkel 胚囊發育 http://www.blog.gurukpo.com/female gametophyte embryo sac http://www.tutorvista.com/content/biology/biology iv/floweringplants reproduction/sexual reproduction.php http://www.tutorvista.com/content/biology/biology iv/floweringplants reproduction/sexual reproduction.php 8
雙重受精 Pollination and fertilization guidance 1. 當花粉粒經由授粉作用傳到雌蕊的柱頭上後, 由營養細胞生出花粉管, 此時管內的生殖細胞分裂為二個精細胞 2. 花粉管向子房內的胚珠延伸, 穿入胚囊, 花粉管前端破裂, 其中一個精細胞與卵結合, 形成受精卵 (2n), 然後發育為胚, 胚將發育成幼苗 3. 另一個精細胞與二個極核結合形成三倍體 (3n) 的胚乳核, 然後發育為胚乳, 可儲存養分, 以供種子萌發所需 此種受精現象稱為雙重受精, 是被子植物有性生殖的重要特徵 4. 授粉完成後, 胚珠外層的珠被發育為種皮 胚 胚乳與種皮共同構成種子 5. 種子的形成, 可以使胚受到周密的保護 6. 適當環境中, 種子萌發胚可發育成新植株, 包括 : 胚芽 胚軸 胚根及子葉 7. 大多數雙子葉植物的種子發育過程中, 胚乳所含養分轉移至子葉, 使種子具有兩片肥厚的子葉, 缺乏胚乳, 如豌豆與落花生 8. 大多數單子葉植物的成熟種子內有胚乳與一片較薄的子葉, 養分儲存於胚乳中 雜種優勢 Heterosis (hybrid vigor) 雜種優勢 Heterosis Heterosis (hybrid vigor) Not only plants, animals also have heterosis effect Maize hybrid was first used in 1930s, and the yield of maize has increased six fold. 9
Problem of F1 seeds 透過無融合生殖 (apomixis) 可以固定 F1 的雜種優勢 Apomixis ( 無融合生殖 ) Sexual reproduction in higher plants 類似動物的孤雌生殖 在植物中, 可以在 400 多種植物中自然發生 種子直接由植物的雌性生殖器官 ( 胚珠 ), 在不經過減數分裂和授粉的情形下形成 下一代的遺傳組成和母本完全一樣 種化和育種 Domestication and breeding 玉米的祖先 七千到一萬年前, 在中南美的人由大芻草育種而來 育種 : 人為選拔基因 新組合 -> 篩選 -> 育種 10
Genetic modification of crop plants Traditional breeding GMO (genetic modified organisms)? The real differences between traditional breeding and genetic engineering 1. occurs in the labs 2. Donor genes can be derived from any organisms 3. Donor genes can be synthetic genes Bt corn, golden rice 世界人口 Over tenth and thousands of years, no naturally occurring rice mutant has arisen that accumulate beta carotene in its grains. 百萬公噸 全球玉米產量 (1961-2014) 全球玉米價格 (2000-2012) 1,200 1,000 800 600 http://faostat3.fao.org 400 200 61 0 1961 1968 1975 1982 1989 1996 2003 2010 http://faostat3.fao.org 作物改良 11