第二十二章 胚胎形成：植物结构的起源
陆地植物组成了一个称为有胚植物embryophytes的单系群——有胚的植物[译者注：傻逼英文]。将其于其水中的藻类姐妹区分开的是其在受精后发育出配子体。合子的命运在不同的类群之间显著不同。举个例子，在非维管植物种，合子经历有丝分裂形成多细胞二倍体。
和细胞分化以产生解剖学和功能上不同的组织（组织发生）。植物基本结构的一个基本特征是在茎尖和根轴的尖端存在顶端分生组织，这是维持不确定的营养生长模式的关键（见第 18 章）。胚胎的发育还具有复杂的生理变化，使胚胎能够承受长时间的代谢活动减少（休眠）并识别和响应环境信号，这些信号使植物恢复生长（发芽）（见第 17 章）。我们的主要重点是被子植物的胚胎发生，被子植物是农业和生态主导地位方面最重要的种子植物群。
22.1 单子叶植物和真双子叶植物的胚胎发生
我们首先比较被子植物的两个主要群体——单子叶植物和真双子叶植物的胚胎发生，分别以玉米 (corn; Zea mays) 和拟南芥为代表。接下来，我们考虑引导胚胎复杂生长和分化模式的信号，包括位置依赖性线索的重要性。我们通过讨论将位置依赖性线索转化为有组织的生长模式的分子和遗传机制来结束我们对植物胚胎发生的调查。可以在 WEB ESSAY 18.1 中找到植物胚胎发生历史的概述。
单子叶植物和真双子叶植物的胚胎发生不同，但也有共同的特征
解剖学比较揭示了不同种子植物群的胚胎发生模式存在差异，例如单子叶植物和真双子叶植物之间的差异，以及无花裸子植物和开花被子植物之间的差异。被子植物胚胎发生在具有两个子叶（embryonic leaves，cotyledons）的真双子叶植物中比在具有一个子叶的单子叶植物中更可预测。裸子植物的胚胎发生比真双子叶植物或单子叶植物更难以预测，来自同一裸子植物物种的胚胎能够表现出一系列子叶数量。但重要的是，胚胎发生的核心要素在几乎所有种子植物物种中都是共同的，可能反映了共同的发育过程。
在开花植物中，拟南芥（真双子叶植物）和玉米（单子叶植物）提供了两种胚胎发生的例子，它们在细节上有所不同，但在主要生长轴的建立方面具有某些共同的基本特征。在这两个物种中，发育和生理事件都遵循相同的顺序。在这两种植物中，组织和器官的形成方式相似。然而，单子叶植物和真双子叶植物的胚胎发生也存在重大差异。例如，拟南芥的茎尖分生组织在胚胎发生过程中处于非活动状态，而玉米的胚胎发生过程中会形成几片小叶子。此外，虽然拟南芥是一组植物的代表，其中胚胎细胞分裂似乎受到严格控制，并且在个体之间几乎保持不变，但玉米表现出一种表面上不太有序的细胞分裂模式。因此，玉米和拟南芥代表了胚胎发育光谱的两个极端，从相对复杂和难以预测到相对简单和更可预测。
我们在这里简要描述玉米胚胎发生，并详细描述拟南芥胚胎发生，后者目前了解得更多。
玉米胚胎发生 禾本科（Poaceae 或 Gramineae）是一个庞大且几乎无处不在的科，玉米是其中的一员，代表了一类特殊的单子叶植物，根据一种解释，单个子叶似乎在功能上分为两个结构，即盾片scutellum和胚芽鞘coleoptile。盾片是一种吸收器官，在发芽过程中从胚乳中吸收糖分，而胚芽鞘形成管状鞘，保护新生的初生叶免受土壤的机械损伤。产生这些特殊单子叶结构的细胞分裂模式必然比形成大多数真双子叶植物的两个子叶所需的细胞分裂模式更复杂，但更可预测[译者注：？？]。尽管细胞分裂模式缺乏明显的规律性，但仍可以用六个形态学定义的发育阶段来描述玉米的胚胎发生（图 22.1）：
1. 合子阶段。此阶段始于单倍体卵子和精子融合形成合子（图 22.1 中未显示）（参见第 21 章）。受精卵经历极化生长，然后进行不对称横向分裂，形成一个小的顶端细胞和一个细长的基细胞（见图 22.1A）。
2. 球形阶段。在顶端细胞和基细胞形成后，一系列可变的细胞分裂形成一个多层球形胚胎，由胚胎本身和较大的多细胞胚柄组成（见图 22.1B）。
3. 过渡阶段。在早期过渡阶段，盾片出现在胚的内侧（相对于未来的种皮）。到晚期过渡阶段，未来的茎尖分生组织出现在胚的外侧，相对于未来的种皮。（图 22.1 中未显示过渡阶段。）
4. 胚芽鞘阶段。此阶段的标志是形成独特的胚芽鞘、盾片、茎尖分生组织、根尖分生组织、胚根（胚根）和胚根鞘，胚根鞘是覆盖胚根尖端的保护鞘（见图 22.1C）。
5. 叶原基阶段。茎尖分生组织在胚芽鞘内开始长出几片叶子（见图 22.1D）。
6. 成熟阶段。在胚胎发生的最后阶段（见图 22.1E），成熟相关基因的表达先于休眠的开始。
拟南芥胚胎发生 胚胎相对较小，由极少量细胞组成，这是拟南芥所属十字花科（卷心菜科）的共同特征。也许由于这种“极简主义”的胚胎发生方式，个体之间在细胞分裂的模式和时间上几乎没有差异。这种有序的细胞分裂模式使我们能够详细研究胚胎发生过程中发生的事件及其调控。拟南芥的胚胎发生分为五个主要阶段，每个阶段都与胚胎的形状有关：
1. 合子阶段。二倍体生命周期的第一阶段始于单倍体卵子和精子融合形成单细胞合子。与玉米一样，该细胞的极化生长，随后是不对称的横向分裂，产生一个小的顶端细胞和一个细长的基细胞（图 22.2A）。
2.球形胚阶段。顶端细胞经历一系列分裂（图 22.2B-D），产生一个球形的八细胞（octant）球状胚，表现出径向对称性（见图 22.2C）。额外的细胞分裂增加了球状胚中的细胞数量（见图 22.2D）并产生了外层，即原表皮，后来成为表皮。在下一个细胞分裂周期中，内细胞再次分裂以产生内维管束和外基本组织前体，从而完成细胞层径向模式的建立。随着球状胚的生长，芽和根分生组织在两端开始。
3. 心形胚阶段。当胚胎生长时，未来芽顶端分生组织的两侧发生两个区域的集中细胞分裂，形成两个子叶，使胚胎具有双侧对称性（图 22.2E 和 F）。
4. 鱼雷胚阶段。细胞伸长和细胞分化过程发生在整个胚胎轴上。子叶的近轴和远轴组织之间的明显区别变得明显（图 22.2G）。在此阶段结束时，胚胎弯曲以填充种子腔。
5. 成熟阶段。在胚胎发生结束时，胚胎和种子失水并在进入休眠状态时变得代谢不活跃（第 17 章讨论）。储存化合物在成熟阶段在细胞中积累（图 22.2H）。
拟南芥和玉米的胚胎发生比较表明了胚胎大小、形状、细胞数量和分裂模式的差异。尽管存在这些差异，但仍出现了几个可以推广到所有种子植物的共同主题。也许其中最基本的与极性有关。从单细胞合子开始，胚胎逐渐沿着两条轴极化：顶端-基部轴，位于胚芽和根的尖端之间，以及垂直于顶端-基轴的径向轴，从植物中心向外延伸（图 22.3）。在以下章节中，我们将考虑如何建立这些轴，并讨论特定的分子过程如何指导它们的发育。
22.2 顶端-基极性的建立
我们对顶端-基极性的大部分讨论集中在拟南芥上，它不仅是分子和遗传研究的有力模型，而且在其胚胎发育的早期阶段表现出简单且高度定型的细胞分裂。通过观察这种简单模式的变化，我们可以更容易地识别生理和遗传因素影响胚胎发育的因素。图 22.4 中提供了拟南芥最早细胞分裂的图形图解描述，为以下讨论提供了方便的指南。（有关更简单的藻类合子中极性建立的讨论，请参阅 WEB 主题 22.1。）
顶端-基底极性在胚胎发生早期建立
种子植物的一个特征是组织和器官以沿着从SAM伸到RAM的轴线的保守顺序排列。这种顶端-基轴的早期表现在合子本身中，它延长了大约三倍，细胞内组成变得极化。合子的顶端是致密的细胞质，而基端则包含一个大的中央液泡。当合子不对称分裂时，这些细胞质密度的差异就会被捕获，从而产生一个短的、细胞质密集的顶端细胞和一个较长的、液泡化的基细胞（见图 22.1A、22.2A 和 22.4）。
第一次细胞分裂是胚胎发生的关键步骤，因为它决定了植物的极轴。许多（但不是全部）开花植物中都观察到了类似的不对称分裂。在拟南芥中，合子的极性（包括顶端核和基底液泡）反映了受精前卵细胞的极性。直观地，人们可能会由此得出结论，胚胎的极性直接遗传自未受精的卵细胞，但事实并非如此。相反，卵细胞的极性在精子受精后会破坏，随后会重新建立。
可以使用活体成像研究合子极化
已经通过对转基因拟南芥系进行活体成像研究了合子极化的过程，其中某些细胞结构被荧光标记（图 22.5）。极化在受精后不久即可看到，与合子伸长紧密相关，涉及细胞骨架、细胞核和液泡在细胞两端的不同分配。
合子分裂产生的两个细胞不仅大小不同，而且随后的发育命运也不同。几乎整个胚胎以及最终成熟的植物，都来自较小的顶端细胞，它首先经历两次纵向分裂，然后经历一组横向分裂（产生与顶端-基底轴成直角的新细胞壁）以产生八细胞的球形胚。
基底细胞的发育潜力更有限。一系列横向分裂产生丝状的suspensor，将胚胎附着在母体植物的维管系统上。只有最上面的分裂产物，即hypophysis，才会被纳入成熟胚胎。通过进一步的细胞分裂，hypophysis参与形成根尖分生组织的重要部分，包括小柱和相关的根冠组织，以及静止中心（见图 22.4），我们在第 18 章中详细讨论过。
在组成八分球形胚胎的细胞中，除了位置之外，几乎没有什么可以区分上层和下层细胞的外观。然后，全体八个细胞平周分裂（新细胞壁形成，与组织表面平行）（图 22.6），形成一个新的细胞层，称为protoderm，最终形成表皮。随着胚胎体积的增加，protoderm的细胞垂周分裂（新细胞壁形成，与组织表面垂直），以增加这个单细胞厚的组织的面积。到早期球状阶段，上层和下层细胞的命运开始出现明显差异（见图 22.4）：
● 由顶端四细胞衍生的顶端区域产生子叶和茎尖分生组织。
● 源自基部四细胞的中间区域，形成下胚轴（胚茎）、根和根分生组织的顶端区域。
● hypophysis源自胚柄最上部细胞，形成根分生组织的其余部分。
从单个顶端细胞进展为具有多个组织层的年轻球形胚胎的有序事件序列需要几次定向细胞分裂。这些细胞分裂平面受哪些“规则”支配？支撑这些分裂平面的细胞机制又是什么？
通过对拟南芥早期胚胎形状和分裂平面的分析，人们得出了这样的假设：细胞在最小化分隔两个子细胞的新横壁的表面积的平面上分裂。使用三维显微成像和计算分析对这一假设进行了检验，结果表明，最小表面积规则确实适用于前三轮分裂（1 → 2、2 → 4 和 4 → 8 个细胞）（图 22.7）。然而，在第四轮分裂（8 → 16 个细胞）时，模式突然发生变化。图 22.7 中的顶部图像显示了一个八细胞拟南芥胚胎中的四个细胞。如果细胞按照最小表面积规则分裂，它们将在每个细胞中心的背斜面上铺设新的横壁，从而产生两个体积相等的子细胞。由此产生的假设球形胚胎（图 22.7 中的右下侧）将仅由一层大致相等体积的径向排列的胚胎细胞组成。然而，正常的 16 细胞拟南芥胚胎并不是这样的。
相反，八细胞胚胎的细胞在平周方向不对称地（即偏离中心）形成横壁，从而产生由两个不同细胞层组成的 16 细胞胚胎。请注意，在这种情况下，两个子细胞的体积不同，并且违反了横壁的最小表面积规则。不对称分裂产生的子细胞在成熟植物中通常具有不同的发育命运。在这种情况下，外细胞层或原表皮会发育成表皮，而内细胞会形成基本组织和维管组织。
胚胎细胞分裂的前三轮的对称模式遵循最小表面积规则，可以被认为是默认途径。这就提出了一个问题：为什么胚胎在第四轮分裂中偏离了这条路径。据推测，某种遗传决定的机制介入改变了这种模式。正如我们将在本章后面看到的那样，激素生长素在早期胚胎发生过程中向不对称细胞分裂转变的过程中起着信号分子的作用。（有关更简单的藻类受精卵中极性建立的讨论，请参阅 WEB 主题 22.1。）
22.3 指导胚胎发生的机制
拟南芥在早期胚胎发生过程中可重复的细胞分裂模式可能表明，固定的细胞分裂序列对于这一发育阶段至关重要。细胞分裂模式的绝对一致性意味着胚胎内单个细胞的命运在发育的早期就已固定或确定；一旦它们的命运确定下来，这些细胞就会致力于固定的发展程序。这种依赖于谱系的机制可以比作根据自包含性原则从一组标准零件组装出一个结构。
尽管在动物发育过程中已经记录了许多谱系依赖机制的例子，但仅凭这种类型的模型还不足以解释植物胚胎发生的几个一般特征。首先，假设类似的机制在控制植物物种的胚胎发育方面起作用，谱系依赖机制很难与许多其他植物物种（包括水稻，甚至是拟南芥的近亲）在胚胎发生过程中通常看到的更可变的细胞分裂模式相协调。其次，即使对于拟南芥，也可以通过使用灵敏的命运映射技术跟踪单个细胞的命运，看到正常胚胎发生过程中细胞分裂行为的一些有限变化（图 22.8）。最后，可以考虑某些拟南芥突变体提供的极端例子，这些突变体具有明显不同的细胞分裂模式，但仍保留形成基本胚胎结构的能力（图 22.9）。植物发育程序似乎在细胞分裂模式变化方面具有一定程度的稳健性。从这个角度来看，或多或少可预测的拟南芥幼苗中观察到的不同细胞分裂模式可能仅仅反映了其胚胎的小尺寸，这对早期细胞分裂的极性和可能位置设置了物理限制。因此，植物胚胎发生似乎涉及多种机制，包括那些不完全依赖于固定细胞分裂序列的机制。
细胞间信号传导过程在指导位置依赖性发育中起关键作用
鉴于胚胎的形态发生可以适应不同的细胞分裂模式，依赖于决定细胞命运的位置依赖机制的发育过程似乎可能发挥重要作用。这种机制将通过调节细胞的行为来发挥作用，这种调节方式反映了细胞在发育胚胎中的位置，而不是它们的谱系（祖先）。这种机制可以解释等效形式如何通过不同的细胞分裂模式产生。这种位置依赖性决定过程可以预期具有三种一般类型的功能元素：
1. 必须有线索来表示发育结构内的独特位置。
2. 单个细胞必须有能力评估它们相对于位置线索的位置。
3. 细胞必须能够以适当的方式对位置线索作出反应。
这些基本要求将注意力集中在信号传导过程运作的细胞环境中。信号在空间和时间上的传播如何受到细胞的物理构成及其与周围组织的关系的影响？诸如膜和细胞壁之类的物理特征是否仅仅代表了细胞间通讯的障碍，还是它们是使信号输出能够响应额外输入而受到调节的机制不可或缺的一部分？在以下小节中，我们将考虑几个例子，说明遗传定义的信号传导过程如何促进胚胎发育。
早期胚胎发育过程中的细胞间通讯可能受胞间连丝的调节
可能以类似于社会群体中的个体的方式，发育中的胚胎中的单个细胞显示出一系列功能，这些功能可用于在通信过程中启用、限制和转换信息。早期胚胎的一个显著特点是细胞壁对某些大分子在细胞间移动的影响相对较小。对完整植物的研究表明，大型人工染料和荧光标记的蛋白质分子可以在整个胚胎中从一个细胞移动到另一个细胞（图 22.10），可能是通过胞间连丝提供的细胞质桥。随着发育的进展，这些分子的运动变得更加受尺寸限制和空间限制，这表明胞间连丝调节的信息流对后期发育阶段变得更加重要，也许是为了实现区域化的组织发生模式。矛盾的是，在这些早期发育阶段，某些相对较小的分子（包括广泛使用的植物激素生长素）的运动似乎受到更多限制。我们将看到，这种受调节的细胞间分子运动在各种发育过程中起着至关重要的作用，包括胚胎轴向结构的建立。
突变体分析已经确定了对胚胎组织至关重要的信号传导过程的基因
已经分析了各种类型的突变体，以深入了解有助于建立胚胎基本极性的过程。其中许多过程会影响可能有助于信号转导某些方面的蛋白质。拟南芥突变体的遗传分析已经确定了发育成可行胚胎所需的基因。图 22.11 中显示的所有胚胎都已停止发育，并将在图中所示的阶段流产，远早于心脏阶段。虽然在此类致死性突变体中观察到的缺陷表明突变基因是胚胎发育存活或进展所必需的，但不能断定该基因直接参与调节发育过程。事实上，许多影响发育的突变都是间接影响的，要么通过改变细胞结构，要么通过修改基本代谢功能所需基因的表达。
通过筛选有缺陷的幼苗，分离出了几种在胚胎模式形成中起作用的基因。与致死性突变体不同，幼苗缺陷突变体能够发育成成熟的种子并发芽，这表明基本代谢活动相对完整。然而，这类突变体在发芽并在幼苗阶段进行检查时显示出异常组织。此类突变体中的正常顶端-基部模式被破坏，导致茎端分生组织、根端分生组织或两者缺失。这些功能丧失突变体中出现的缺陷的性质表明，相应的基因是建立正常顶端基极所必需的（图 22.12）。这些基因中的几个的克隆已导致对其分子功能的深入了解，总结如下。由于我们在这里讨论的重点是突变体的形态，我们使用其同名突变体的名称来识别每个基因（参见第 3 章中对基因名称和命名系统的讨论）。
● GURKE (GK)（见图 22.12C），以突变体的黄瓜状形状命名，其中子叶和茎端分生组织减少或缺失，编码乙酰辅酶 A 羧化酶。由于乙酰辅酶 A 羧化酶是极长链脂肪酸 (VLCFA) 和鞘脂正确合成所必需的，这些分子或它们的衍生物似乎对胚胎顶端部分的正确模式化至关重要。
● MONOPTEROS (MP)（见图 22.12B 和 C）是正常形成根和下胚轴等基部元素以及维管组织所必需的，它编码生长素反应因子 (ARF)。ARF 调节对生长素的反应基因表达，突变体的缺陷可以被认为是由于未能正确响应生长素而引起的。
● FACKEL (FK)（见图 22.12C）最初被认为是下胚轴形成所必需的。突变体表现出复杂的模式形成缺陷，包括畸形的子叶、短的下胚轴和根，以及通常多个芽和根分生组织。FK 编码一种固醇 C-14 还原酶，表明固醇对于胚胎发生过程中的模式形成至关重要。
● GNOM (GN)（见图 22.12C）编码一种鸟嘌呤核苷酸交换因子 (GEF)，该因子在内膜运输中起作用。这种 GEF 是生长素定向运输所必需的，因为它有助于 PIN 生长素流出蛋白在膜中的极性分布。因此，突变对胚胎发育的影响部分是由于生长素无法正确分布。
这一小群突变体突出了特定信号传导过程对胚胎发生的潜在重要性。虽然还不清楚 GK 和 FK 突变如何导致特征性胚胎模式缺陷，但这两个基因编码的蛋白质的预测生化活性与某种形式的脂质介导信号的破坏一致。同样，GN 和 MP 都可以与信号传导过程相关联，这两个过程都以生长素为特征。鉴于有关生长素依赖性反应的大量背景信息，我们接下来将更详细地考虑生长素的重要性以及 GN 和 MP 的具体作用，包括它们如何有助于生长素依赖性地建立发育胚胎的顶端-基底轴。
22.4 胚胎发生过程中的生长素信号传导
如第 4 章和第 18 章所述，激素生长素协调植物的许多生长和发育过程，并在胚胎发生过程中产生深远的影响。生长素和生长素信号传导活性的分布都已使用荧光报告构建体进行映射，这些构建体可以报告活性生长素的存在（基于 DII 域的报告子，例如 DII-VENUS）或响应生长素的转录激活（基于 DR5 启动子的报告子）。使用这些工具可以清楚地看到，在整个胚胎发生过程中，细胞都显示出动态的生长素积累和响应模式（图 22.13）。在两细胞阶段，顶端细胞比基底细胞表现出更活跃的生长素反应，而在球状阶段，hypophysis和胚胎下部域中的细胞表现出更高水平的生长素活性。事实上，胚胎发生的许多阶段，如胚根（胚根）的形成、子叶的形成和维管组织的分化，都与局部生长素活性的增加密切相关。
生长素积累的空间模式调节关键的发育事件
遗传学研究已证实，局部生长素积累的增加与它们相关的发育事件有因果关系。抑制生长素生物合成的基因突变（由于生物合成基因缺陷）或生长素反应（由于受体缺陷、不可降解的 Aux/IAA 抑制剂或 ARF 缺陷）专门阻断与局部生长素活性增加相关的胚胎发育阶段。
这些突变体的表型包括无法形成根或子叶，以及无法正确指定维管组织和基本组织。如果生长素积累的空间模式为胚胎中的模式形成提供了模板，那么哪些过程决定了生长素积累的位置？
生长素积累的空间模式源于局部生物合成和运输的结合。负责生长素生物合成的基因在特定特定细胞成为生长素来源。然而，这些细胞并不是唯一表现出生长素信号活性的细胞，这种差异可以通过胚胎内的极性生长素运输来解释。例如，拟南芥的 pin1 突变体缺乏生长素的极性运输，在胚胎发育过程中经常表现出异常，如融合子叶（图 22.14），这与生长素运输在胚胎发育过程中的作用一致。PIN 蛋白作为生长素流出载体（见第 4 章），在拟南芥胚胎中表达突出。它们位于运输细胞基端的质膜上（与生长素运输的化学渗透模型一致），表明生长素运输的路径明确，从生物合成位点到作用位点。因此，生长素充当一种移动的细胞间信号，控制胚胎的形态发生。请注意，目标细胞的生长素反应因细胞在胚胎内的位置而明显不同。因此，胚胎顶端域中的细胞通过启动子叶来响应生长素，而基部域中的细胞通过形成胚根来响应。
GNOM 蛋白建立了 PIN 生长素外排蛋白的极性分布
PIN 蛋白是生长素转运的限速蛋白，它们对极化膜域的不对称靶向决定了生长素转运的路径。PIN 蛋白定位的动态特性的核心是它们通过囊泡通过以 GNOM 蛋白存在为特征的内膜区进行运输。 GNOM 蛋白建立了生长素流出蛋白的极性分布，毫不奇怪，gnom 突变体具有严重的发育缺陷（见图 22.12A 和 C）。通过使用生长素运输抑制剂，可以模仿，或phenocopied， gnom 突变体表型的许多方面，这与 GNOM 是正常生长素运输所必需的想法一致。
当对 GNOM 基因进行测序时，发现其预测的蛋白质类似于鸟嘌呤核苷酸交换因子 (GEF)。GEF 促进囊泡的细胞内运动，囊泡将特定蛋白质运送到细胞内的目标位置。通过实验证明 GNOM 的 GEF 活性是 PIN 蛋白极化定位所必需的，这解释了 GNOM 如何促进极性生长素运输。 GNOM 突变会破坏 PIN 蛋白的正常极化分布。在用 Brefeldin A（一种 GEF 活性抑制剂）处理的细胞中观察到 PIN 定位的破坏，但在含有 Brefeldin A 无法结合的改变形式的 GNOM 的细胞中则未观察到这种破坏。gnom 突变体中胚胎发育模式的改变反映了 PIN 活性的破坏，这一观点得到了直接破坏编码 PIN 蛋白的基因所导致的类似发育缺陷的支持。
MONOPTEROS 编码一种由生长素激活的转录因子
MONOPTEROS 基因的克隆（见图 22.12B 和 C）表明，它编码一种称为生长素反应因子 (ARF) 的蛋白质家族的成员，这意味着它参与了生长素依赖性过程。在存在生长素的情况下，ARF 调节与生长素反应相关的特定基因的转录。在没有生长素的情况下，这些蛋白质的活性通过与特定抑制剂（称为 Aux/IAA 蛋白）的物理关联而受到抑制。当生长素触发这些抑制剂的靶向降解时，就会发生生长素依赖性反应，从而使 ARF 能够控制其目标基因（参见第 4 章）。
有几条证据支持 MONOPTEROS 至少介导一部分生长素反应的观点。 monopteros 突变体胚胎不仅缺乏下胚轴和胚根（见图 22.12B 和 C），而且在维管模式方面也存在缺陷，类似于人为干扰生长素水平或运输时观察到的缺陷，这表明 MONOPTEROS 很可能调节指导生长素依赖性微观组织发育的基因。单独的遗传研究证实，MONOPTEROS 活性受生长素调节。这些研究集中于 bodenlos (bdl) 突变体，它与 monopteros 突变体一样，缺乏胚胎的基底区域。这种相似性表明这两个基因可能在功能上相关。BDL 的分子克隆表明它编码了许多 Aux/IAA 抑制蛋白之一。正常形式的 BDL 与 MONOPTEROS 结合以抑制 MONOPTEROS 活性，但这种抑制可以通过生长素诱导的 BDL 降解来缓解。生化研究表明，突变形式的 BDL 对生长素诱导的降解具有抗性，因此会继续与 MONOPTEROS 结合，抑制其活性并产生与 monopteros 相似的表型。
综上所述，GNOM 和 MONOPTEROS 可以被视为更复杂机制的一部分生长素的运动及其引起的反应有助于引导顶端-基底轴的建立。该机制的总体输出是激活一组基因，这些基因触发各种模式元素或细胞类型的建立。使用突变体的分子遗传学研究结合全基因组转录分析已经确定了几个这样的靶基因。鉴于生长素作用的位置依赖性，可以预期，由该途径激活的基因将根据细胞环境而变化。这些基因包含多种功能，包括转录因子TARGET OF MONOPTEROS 7（TMO7），它可以从一个细胞移动到另一个细胞并有助于根的形成，以及维管组织形成的调节器TMO5，我们将在本章后面讨论。
22.5 胚胎发生过程中的径向模式
除了发育胚胎的顶端-基轴上的细胞和组织之间的区别外，还可以看到沿垂直于顶端-基轴的径向轴的差异，从内部延伸到表面。在拟南芥中，沿径向轴的组织分化首先在球形胚胎中观察到（图 22.15），其中平周分裂将胚胎分成三个径向定义的区域。最外层细胞形成一个细胞厚的表面层，称为原表皮，最终分化为表皮。这一层之下是后来成为基本组织的细胞，而基本组织又分化为皮层（维管系统和表皮之间的基本组织），在根和下胚轴中还包括内皮层。最中心的区域是原形成层，它产生维管组织，包括根的中柱鞘。
正如我们在胚胎的顶端-基部模式中所看到的，精确定义的细胞分裂序列似乎对基本的放射状模式并不是必不可少的。在相关物种中可以看到与径向图案形成相关的细胞分裂模式的显著变化，并且基本图案元素仍然可以在细胞分裂模式紊乱的突变体中建立，这表明位置依赖机制发挥了重要作用。在以下小节中，我们将讨论解决这些机制性质的实验，为分子遗传分析的实用性提供更多示例。有关细胞分裂物理方面的进一步讨论，请参见 WEB ESSAY 18.1。
表皮在径向图案的边缘提供了界面和边界
[译注：原文似乎格式有误，在此将上一句话作为小标题而非正文处理]
胚胎径向轴的一个明显而独特的方面是由原表皮提供的，原表皮是一种可以通过其表面位置唯一定义的组织，最终产生表皮，表皮是介导植物与外界之间通讯的关键组织。原表皮层细胞起源于胚胎早期，具有一组暴露的细胞壁，理论上，这些细胞壁可以促进与外部环境的信号交换，或者在信号在胚胎内从一个细胞移动到另一个细胞时充当边界。无论哪种情况，原表皮层都会表现出独特的特性，使其有别于内部细胞层，从而为放射状图案化提供潜在的线索。例如，柑橘类植物的研究表明，从最早的合子阶段到成熟期，胚胎表面都存在角质层，这表明原表皮层细胞壁形成了沟通边界。一些研究还表明，表皮可以作为更多内部层生长的物理约束。
遗传学研究帮助我们了解了形成表皮独特特征的过程。例如，已确定两个基因，ARABIDOPSIS THALIANA MERISTEM LAYER 1 (ATML1) 和 PROTODERMAL FACTOR 2(PDF2)，在促进表层细胞的表皮特性方面具有重要作用。这两个基因都编码同源域转录因子，并从胚胎发生的早期阶段开始在胚胎的外部细胞中表达。这种表达对于建立正常的表皮特性似乎是必要的，因为功能丧失的突变植物具有异常的表皮，其中细胞表现出通常与叶肉细胞相关的特征（图 22.16）。相反，ATML1 在内部组织中的异位（在错误的位置）表达已被证明会诱导异常的表皮特征。总之，这些结果表明 ATML1 和相关的 PDF2 可能通过促进介导表皮特征发育的下游基因的活性来发挥作用.
维管柱的原形成层前体位于径向轴的中心
很容易想象，发育中的胚胎中心的独特几何特性将为沿径向轴形成组织模式提供进一步的潜在位置线索，而维管柱的维管组织最终占据最中心的位置。遗传和发育分析表明，这个过程是渐进的，平周分裂首先沿径向轴产生额外的细胞层，然后通过特定基因网络的活动形成特定的命运。例如，缺乏WOODEN LEG (WOL) 基因的拟南芥突变体无法经历一轮关键的细胞分裂，而这一轮细胞分裂通常会产生木质部和韧皮部的前体（图 22.17）。这种缺陷导致形成包含木质部但不包含韧皮部的维管系统。WOL（ CYTOKININ RESPONSE 1 [CRE1]）编码几种相关的细胞分裂素受体之一，表明这种激素参与了放射状模式元素的建立（见第 4 章）。然而，这些缺陷可以通过 fass（即通过制造 wol/fass 双突变体）来挽救，这会导致额外的细胞分裂轮次。因此，wol 中韧皮部的缺失似乎可能仅仅反映了适当定位的前体细胞层的缺失，而不是无法指定韧皮部细胞身份。
对细胞分裂的关键作用和形成维管组织模式的足够细胞数量的理解也来自对 MONOPTEROS 5 靶基因 (TMO5) 的研究。该基因由前面讨论过的依赖生长素的转录因子 MONOPTEROS 激活，因此代表局部生长素输出。TMO5 仅在球状胚中心的维管前体细胞中表达，并编码转录因子。TMO5 与第二个转录因子 LONESOME HIGHWAY (LHW) 形成异二聚体。这两个转录因子的过度表达共同诱导了额外的平周分裂，而任一因子的突变都会导致更少的平周分裂，这表明这些因子是维管组织细胞分裂的关键调节因子（图 22.18）。通过滴定 TMO5 和 LHW 的水平，研究人员可以控制维管组织中的细胞层数，从而发现维管元素（木质部和韧皮部）的数量与组织中的细胞总数成比例。 例如，只有正常细胞文件数量一半的突变体（在背斜和周斜产生）只产生一个韧皮部极而不是两个。 当突变体具有过量的细胞文件时，会产生多个（两个以上）韧皮部极。 一旦 TMO5 和 LHW 被生长素激活，它们就会通过局部促进第二种植物激素细胞分裂素的合成来发挥作用。 因此，这两种植物激素之间的相互作用决定了维管组织的大小，从而决定了其组成和结构。
皮层和内皮层细胞的分化涉及转录因子的细胞间移动
内皮层和皮层组织的发育提供了一个典型的例子，说明放射状图案化过程如何受相邻层之间传递的基因活性的调节。两个拟南芥基因，稻草人 (SCR) 和短根 (SHR)，都是正常形成皮层和内皮层细胞层所必需的。这两个基因编码的相似蛋白质序列使它们属于 GRAS 转录因子家族，该家族的名称来源于第一个已知成员，赤霉素不敏感 (GAI)、GA1-3 抑制因子 (RGA) 和 SCR。SCR 或 SHR 活性降低的突变体无法进行一轮细胞分裂，从而产生两个层，这两个层后来分化为独立的皮层和内皮层。任一基因突变都会阻止产生这些独立层的细胞分裂轮次（图 22.19）。在 scr 突变体中，剩下的单层同时表现出内皮层和皮层的特征，这表明突变体仍然能够表达这些特征，但无法将它们分离成离散的层。fass 能够恢复更正常的生长模式，这支持了这种解释。就像它拯救了 wol 一样，fass 似乎弥补了 scr 的分裂缺陷，从而提供了可以表达不同内皮层和皮层特征的独立层。突变体 shr 不仅表现出与 scr 类似的细胞分裂缺陷，而且无法阐述内皮层的典型细胞特征。 shr 中单个未分裂的层缺乏内胚层特征，例如
图 22.18 TMO5 和 LHW 控制拟南芥根中所有维度上的木质部和韧皮部细胞文件的数量。 (A 和 B) 交叉野生型 (A) 和 tmo5 tmo5 like1 (t5l1) 双突变体 (B) 成熟胚的切片。虚线内的区域是维管组织，突变体中的维管组织较小。 (C 和 D) 野生型 (C) 和 tmo5/t5l1 突变体 (D) 胚后根分生组织的横截面显示后者的维管细胞 (周围内皮层中的细胞以内皮层星号标记) 和韧皮部极 (箭头) 较少。 (E–G) 野生型 (E)、pRPS5A-TMO5（过表达 TMO5 的系 (F)）和 pRPS5A-LHW、pRPS5A-TMO5（过表达 LHW 和 TMO5 的系 (G)）根分生组织的横截面。与野生型相比，双过表达系具有更多的细胞文件和平周分裂。平周分裂产生的细胞对的示例用轮廓和箭头表示。内胚层细胞用星号标记。凯氏带，而是显示通常仅限于皮层的基因活性。这种对 SHR 基因活性的明显要求来指定内胚层特征令人费解，因为 SHR mRNA 的表达通常局限于更内部的原血管组织。涉及使用荧光标记蛋白的更详细分析已经解决了这一悖论，表明尽管 SHR mRNA 局限于维管柱，但其翻译产物并非如此。SHR 蛋白能够通过胞间连丝移动到相邻的更外层，在那里它具有几种活性，包括促进 SCR 的增强转录。在 SCR mRNA 翻译之后，SHR 与 SCR 蛋白形成异二聚体，以增强与内胚层发育程序相关的基因的转录（图 22.20）。SHR 蛋白对皮层和内胚层细胞分化的贡献提供了一个清晰的例子，说明特定转录因子的功能可能取决于它们在细胞层之间的移动。
拟南芥中的 ROOT（SHR）和 SCARECROW（SCR）基因在根发育过程中控制组织模式。在这里，SHR 和 SCR 的 mRNA 或蛋白质已通过共聚焦激光扫描显微镜定位。（A 和 B）SHR 表达。 (A) 在根系早期发育过程中，SHR 启动子活性仅限于中柱（使用 SHR 启动子绿色荧光蛋白 [GFP] 融合显示）。 (B) SHR 蛋白显示出独特的定位模式，包括中央中柱和相邻内皮细胞的细胞核（使用 SHR 启动子 + 编码区 + GFP 融合显示）。 (C 和 D) SCR 表达（使用 SCR 启动子-GFP 融合监测）。 (C) 在野生型根中，SCR 在静止中心、内皮细胞和皮层-内皮层初始细胞 (CEI) 中转录。 它不存在于皮层、维管柱或表皮中。 (D) SCR 的表达在 shr 突变根中显著降低，并且仅出现在具有内皮层和皮层特征的异常细胞层中。
22.6 根和茎尖分生组织的形成
胚胎发生的最重要结果可以说是成熟胚胎两端的顶端分生组织的形成。 这些茎和根的顶端分生组织是维持茎和根系统营养生长的初始细胞的家园。两种顶端分生组织中的任何一种都无法启动，这会导致 幼苗生长停滞，表明此步骤在植物发育中至关重要。
根的形成涉及 MONOPTEROS 和其他生长素调节的转录因子
正如我们在本章前面所看到的，缺乏胚根的突变体（例如，monopteros [mp] 和 bodenlos[bdl]）有助于阐明生长素在根形成中的作用。对受MONOPTEROS 调控的基因的分析导致了移动转录因子 TMO7 和维管组织调节因子 TMO5（本章前面讨论过）的发现，但单独使用其中任何一个都不足以指定根。事实上，基因分析已经确定了另外两个由生长素激活的转录因子，它们似乎负责胚根的形成。这两个转录因子属于 AP2/乙烯反应因子类，由 PLETHORA 1 (PLT1) 和 PLETHORA 2 (PLT2) 基因编码。二者均在球形胚胎下半部分的胚胎中被激活（图 22.21）。PLT 基因被破坏的突变体无法形成胚胎根。相反，PLT 在球形胚胎上半部分（或其他胚胎后组织）的异位表达足以在这些位置形成新根。总之，这些实验支持一种模型，其中生长素激活胚胎下半部分的一组基因（包括 PLT 基因），这些基因指示这些细胞采用根身份。
芽形成需要 HD-ZIP III、SHOOTMERISTEMLESS 和 WUSCHEL 基因
另一组转录因子在球状胚的上半部分被激活，它似乎介导整个芽域或芽顶端分生组织的建立。例如，属于 HD-ZIP III 类的一个小家族相关转录因子的成员在球状胚的上半部分中特异性表达。这些 HD-ZIP III 基因在胚的上半部分表达是胚中芽顶端分生组织形成所必需的，也是营养生长期间叶片的近轴-远轴极性所必需的（见第 18 章）。当在胚胎下半部分异位表达时，这些因子之一 PHABULOSA (PHB) 能够触发第二个芽域的形成 (图 22.22C)。这与在胚胎上半部分人工表达 PLT 蛋白时发生的情况相反 (图 22.22B)，这表明 HD-ZIP III 和 PLT 转录因子起拮抗作用。事实上，进一步的实验表明 HD-ZIP III 因子抑制 PLT 基因的表达 (图 22.22A)。编码转录因子的 SHOOT MERISTEMLESS (STM) 或WUSCHEL (WUS) 基因的突变会导致胚胎芽顶端分生组织的丧失。虽然这两个转录因子单独在其他组织中异位表达时都不能触发新茎尖分生组织的形成，但它们结合起来可以。STM 和 WUS 都在幼胚的顶端域中表达，似乎两者都是分生组织形成所必需的。由于这种相互作用，胚胎茎尖分生组织的位置可以通过两个基因表达重叠的区域精确定义。
植物可以在多种类型的细胞中启动胚胎发生
在本章中，我们讨论了胚胎发生，重点关注了种子发育的熟悉背景。然而，正如引言中指出的，胚胎发生过程在进化上比种子发育更古老，因为它也发生在非种子维管植物中，如蕨类植物和马尾草。即使在种子植物中，除合子外，还有多种其他细胞能够进行胚胎发生（图 22.23）。这些过程包括无性胚胎发生的自然形式，例如无融合生殖（来自胚珠内细胞的无性胚胎发生，即未成熟的种子）以及来自叶缘的体细胞胚胎发生（例如，在 Kalanchoe 中）（参见第 21 章）。在这两种情况下，合子以外的细胞都经过遗传编程以进行胚胎发生，并且可以形成通常在形态上（几乎）与有性、合子衍生的胚胎难以区分的胚胎。胚胎发生也可以人工诱导。例如，人工体细胞胚胎发生，即在激素处理后诱导胚胎从愈伤组织形成，通常用于植物繁殖。同样，小孢子暴露于诸如热之类的压力下，可导致某些植物物种形成胚胎。最后，种子内可发生替代性胚胎发生。胚柄细胞是受精卵第一次细胞分裂产生的基底细胞的后代，通常在几轮细胞分裂后处于静止状态。然而，如果胚胎受损，胚柄细胞可以恢复分裂并形成第二个胚胎。因此，在适当的触发下，许多类型的植物细胞都可以形成胚胎，证明了植物细胞巨大的发育潜力。