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植物性细胞、受精及胚胎发生离体操作系统的创建与实验生物学研究
来源:伟德betvicror官网--时间:2010-10-09 14:18:11 阅读量:

获奖名称:2004年国家自然科学二等奖
获 奖 人:杨弘远 周嫦 孙蒙祥 赵洁
获奖单位: 武汉大学

项目简介:
  受精与胚胎发生是植物生殖生物学与发育生物学的重要研究内容,但由于被子植物的这一过程隐藏于层层孢子体组织(子房、胚珠)与配子体组织(胚囊)之内,所以传统方法主要是依靠切片技术对被固定杀死的组织内所发生的变化进行描述性的研究。虽然植物实验胚胎学数十年来已能采用离体操作技术对植物有性生殖过程进行实验性的研究,然而受制于实验对象的数量少、体积。绕涫嵌灾芪ё橹母叨纫览敌,在受精与早期胚胎发生这一环节的实验研究一直难以进行,直到20世纪90年代以后才得以兴起。杨弘远院士领导的课题组从事植物生殖的实验研究已有近30年历史。20世纪80年代中后期,认识到实验胚胎学的发展趋势是器官、组织操作向细胞、原生质体操作的水平提升,同时加强研究的多学科性与综合性,从而提出了植物实验生殖生物学与生殖细胞工程的研究思路。18年来,按照这个思路,本项目创建了植物受精与早期胚胎发生的新的离体操作技术,开展了有关的细胞生物学与分子生物学研究,形成了有特色并跻身国际同类研究前沿行列的研究体系:
  1. 创建了在聚乙二醇(PEG)微滴中诱导单对精、卵细胞融合的技术。离体受精要求在一对雌、雄细胞之间进行融合。这方面国外已有"微电融合"的成功先例。他们起初试图引进这一专用设备未果,不得不另辟蹊径。最后终于建立了在PEG(聚乙二醇)微滴中诱导单对原生质体技术,以烟草为模式植物首次在双子叶植物中实现了离体受精。该技术立足于将现有PEG诱导原生质体群体融合的常规方法加以微量化、精确化,并具有不依赖昂贵进口设备的优点,以后为欧美研究者采用。他们进而研究了离体受精过程的连续的生活动态,并就防止多精入卵机制、细胞体积与融合关系、融合模式等问题提出了新见解。
  2. 建立了单个受精卵培养与转化技术。受精卵培养要求培养技术的微量化,他们吸取国外"微室培养"的成功经验,同时自行摸索匹配的饲养细胞,取得了由单个受精卵培养再生植株的成功。在此基础上又提出合子转化的任务。合子数量少,体积。庵挥懈霰鹗笛槭也捎孟晕⒆⑸渫庠椿蚪泻献幼,但技术难度大,效率很差,我们自行研制了一种简易装置安装于电激仪中,使常规的电激技术适应了微量细胞的操作,兼有合子不易流失和电激后易于培养的优点。
  3. 创建了花粉原生质体与体细胞原生质体融合、脱外壁花粉离体授粉、脱外壁小孢子培养等技术。利用上述独特的实验系统探讨了花粉发育生物学问题,并论证了花粉原生质体与脱外壁花粉与完整花粉相比在外源基因导入方面的优越性。进一步通过花粉原生质体和脱外壁花粉实验表明:脱壁花粉同样能通过孢子体发育启动胚胎发生以至再生孢子体植株;在一定条件下也能进行配子体发育萌发花粉管实现受精,从而证实了他们早先提出的花粉原生质体两条发育途径的设想。
  4. 开展了胚胎发生早期基因分离的研究,以不同发育时期的幼胚为起始材料,通过RT-PCR、构建cDNA文库、差异筛选、差异显示等程序,分离出在烟草、水稻幼胚特定发育时期中表达的基因。建立了单胚RT-PCR和单细胞RT-PCR技术。
  5. 研究了植物激素、钙、钙调素等在水稻、烟草受精与胚胎发生过程中的时空分布,揭示了若干有意义的现象。发现由柱头经花柱到珠孔的整个花粉管生长轨道是富含钙的质外体系统;助细胞在授粉前后钙含量出现规律性变化;还发现受精过程中胚囊内质外体中出现可能与雄配子运输有关的钙调素区带。在此基础上提出了雌蕊与胚囊中存在几类质外体系统及其在受精过程中的功能的整体观点。
  本项研究先后受到国家自然科学基金"八五"重大项目与"九五"重点项目以及欧盟国际合作项目的资助,先后注入了20多名教师、研究生、博士后等研究人员的心血,共发表学术论文113篇,其中56篇被SCI收录。阶段性研究成果获1987年国家教委科技进步一等奖,2003年湖北省自然科学一等奖;总体研究成果获2004年国家自然科学二等奖。


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