发育生物学(第二版)

绪论 发育（development）包括个体发育（ontogeny）和系统发育（phylogeny）。个体发育是自受精卵开始到形成成熟个体所经历的一系列变化过程；系统发育是同一起源的生物群的形成历史。发育生物学是从细胞水平和分子水平上研究生物个体发育机制的学科，它涉及基因如何控制胚胎细胞的行为、如何决定发育的模式以及胚胎的形态变化等重要问题，是生命科学的核心学科。 发育是生物界普遍存在的生物学现象，不同生物的发育既有差异，又具有相似性，因此，对包括动物、植物和微生物在内的生物的发育过程进行比较和综合，有助于了解生物之间在发育上的共同规律和特殊性，有助于把握和理解发育的生物学本质。 **节 发育的基本过程 尽管不同种类生物的发育差别很大，但是，它们的主要发育过程是相似的，多数生物都具有胚前发育、胚胎发育和胚后发育几个主要阶段。 一、动物的发育过程 动物的胚胎发育比较复杂，不同动物的胚胎发育情况也不尽相同，但是早期胚胎发育的几个主要阶段却是相同的。高等动物的发育过程包括胚前发育、胚胎发育和胚后发育几个主要阶段，其中胚胎发育包括受精、卵裂、囊胚、原肠胚、中胚层及体腔形成、胚层分化等主要阶段，而低等动物因进化地位的不同，其胚胎发育则缺少相应的后期几个阶段。 1. 胚前发育 由雌雄个体产生雌雄生殖细胞，雌性生殖细胞称为卵，雄性生殖细胞称为精子。卵细胞较大，里面一般含有大量的卵黄。根据卵黄多少可将卵分为少黄卵、中黄卵和多黄卵。卵黄相对多的一端称为植物极（vegetal pole），另一端称为动物极（animal pole）。精子个体小，能活动。 2. 胚胎发育 （1）受精（fertilization） 精子与卵结合形成受精卵，这个过程就是受精。 （2）卵裂（cleavage） 受精卵进行卵裂，它与一般细胞分裂的不同点在于每次分裂之后，新的细胞未长大，又继续进行分裂，因此分裂成的细胞越来越小。这些细胞也叫分裂球（blastomere）。由于不同类动物卵细胞内卵黄多少及其在卵内分布情况的不同，卵裂的方式也不同（图0-1）。 1）完全卵裂整个卵细胞都进行分裂，多见于少黄卵。卵黄少、分布均匀，形成的分裂球大小相等的叫等裂，如海胆、文昌鱼。如果卵黄在卵内分布不均匀，形成的分裂球大小不等的叫不等裂，如海绵动物、蛙类。 2）不完全卵裂多见于多黄卵。卵黄多，分裂受阻，受精卵只在不含卵黄的部位进行分裂。分裂区只限于胚盘处的称为盘状卵裂，如乌贼、鸡卵。分裂区只限于卵表面的称为表面卵裂，如昆虫卵。 （3）囊胚形成（blastulation） 卵裂的结果，分裂球形成中空的球状胚，称为囊胚（blastula）（图0-1）。囊胚中间的腔称为囊胚腔（blastocoel），囊胚壁的细胞层称为囊胚层（blastoderm）。 图0-1 卵裂和囊胚 （4）原肠胚形成（gastrulation） 囊胚进一步发育进入原肠胚形成阶段，此时胚胎分化出内、外两胚层和原肠腔。绝大多数多细胞动物除了内、外胚层之外，还进一步发育，在内外胚层之间形成中胚层（mesoderm）。在中胚层之间形成的腔称为真体腔。 （5）胚层分化与器官形成（germ layers differentiation and organogenesis） 动物体的组织、器官都是从内、中、外三胚层发育分化而来的。例如，内胚层分化为消化管的大部分上皮、肝、胰、呼吸器官、生殖与排泄器官的小部分；中胚层分化为肌肉、结缔组织（包括骨骼、血液等）、生殖与排泄器官的大部分；外胚层分化为皮肤上皮（包括上皮种种衍生物如皮肤腺、毛、角、爪等）、神经组织、感觉器官、消化管的两端。 3. 胚后发育 胚后发育是指个体出生或胚胎孵化后的生长与发育，主要包括生长、衰老与死亡，在部分动物中还存在变态、再生等特殊发育现象。 二、植物的发育过程 植物与动物发育的*大不同在于：动物的各种器官在胚胎期形成，出生后各种器官已基本齐全；而植物的胚胎只形成少数器官或器官的雏形，种子萌发后各种器官才陆续形成，细胞与组织的分化、器官的形成贯穿植物的一生。植物的发育过程也可分为胚前发育、胚胎发育和胚后发育三个主要阶段。 1. 胚前发育 胚前发育是指生殖细胞的发生过程，在低等植物中，单倍体个体可以直接形成配子；在高等植物中，单倍体的性细胞在二倍体的孢子体内发育成熟。 2. 胚胎发育 低等植物雌雄配子经结合形成合子，合子发育后经减数分裂再形成新的单倍体个体。高等植物的雄蕊的花粉进入雌蕊的柱头，通过双受精过程形成受精卵（合子）和胚乳。胚胎发育就是指从受精卵发育成胚胎的过程。苔藓、蕨类及种子植物为有胚植物，均具有胚胎发育。 苔藓植物的胚胎在配子体中发育，受精卵首先分裂为顶细胞和基细胞，*后发育成具孢蒴、蒴柄和基足的孢子体。 蕨类植物的受精卵也是首先分裂产生顶细胞和基细胞，顶细胞进一步发育为胚的主体，基细胞发育成胚柄。胚体在四细胞期或八细胞期开始分化为具有茎、叶、根及基足的孢子体。 裸子植物胚胎发生早期阶段具游离核，胚胎中各种器官和组织已开始分化。 被子植物中，双子叶植物与单子叶植物的成熟胚差别很大，但胚胎发育早期却很相似。受精卵*初都是分裂为顶细胞和基细胞，顶细胞形成胚体，基细胞形成胚柄。胚胎发育可以分为不同时期，如双子叶胚胎发育包括原胚期、心形期和成熟期。 3. 胚后发育 胚胎完全形成之后，遇到合适条件即开始生长，从胚根长出新根，从胚芽长出茎和叶，苗端分生组织开始分化花原基，向有性生殖过渡。 第二节 发育的基本机制 由一个单细胞受精卵发育为一个多细胞的生物，是生物界*为复杂的过程，也是发育生物学*具魅力和挑战性的地方。对复杂多样的生物发育来说，只有很少的原理是所有生物或多数生物都可以遵循的，但是，这些少数的普遍原理却是极为重要的，它不仅帮助我们理解发育的本质问题，也可以进一步指导我们进行发育生物学的新探索。 发育通常包括5种主要的机制：细胞分裂、细胞分化、图式形成、形态发生、生长。 一、细胞分裂 细胞分裂（cell division）是胚胎发育的基础，细胞分化、图式形成、形态发生、生长都是在细胞分裂的基础上完成的。生物通过减数分裂形成生殖细胞，受精以后受精卵接着进行细胞分裂，形成一群小的细胞，这种分裂称为卵裂。 二、细胞分化 个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后在形态、结构和功能上形成稳定性差异，从而产生不同类群细胞的过程称为细胞分化（cell differentiation）。细胞分化是发育的核心与基础，在多细胞生物的个体发育中，通过细胞分裂增加细胞数量，通过细胞分化增加细胞类型，进而由不同类型的细胞构成不同的组织与器官，执行不同的生理功能。不同类型的体细胞在形态、结构和功能上尽管千差万别，但细胞的基因组确是恒定的，与合子含有相同的遗传信息，细胞之间的差异源于基因的差异表达。细胞分化过程也就是基因选择性表达的过程。 三、图式形成 图式形成（pattern formation）是指胚胎通过细胞活动的空间和时间样式的建立，使结构得到高度有序的发育。 图式的形成首先是要铺开总体的躯体蓝图（body plan），也就是确立胚胎的主轴，从而决定身体的前后端和背腹面。在所有多细胞生物中，至少存在一个主要的体轴。在动物中，这个主轴是指从头部到尾部的前后轴；在植物中，这个主轴是从茎尖到根部。许多动物还具有背腹轴，背腹轴垂直于前后轴，可以把它们看作是身体的坐标系。 在动物中，图式形成的另一个阶段是细胞在不同胚层中的分配。外胚层、中胚层和内胚层的细胞获得不同的特性，从而形成细胞分化的空间样式，如四肢发育中皮肤、肌肉和软骨组织的排列，神经系统中神经细胞的排列。 四、形态发生 形态发生（morphogenesis）阶段，胚胎在三维结构上发生了明显的变化，原肠胚形成是形态变化*剧烈的时期。所有具有三胚层的动物的胚胎都要发生原肠胚形成。在原肠胚形成过程中，形成消化道，主要的躯体蓝图显现出来，通过原肠胚形成，胚胎外部细胞移到内部。在海胆等动物中，经过原肠胚形成，胚胎由中空球状的囊胚转化为具有贯穿身体中线的消化道的原肠胚。 动物胚胎的形态发生与多种细胞的活动相关，如细胞信号转导、细胞形态变化、细胞迁移、细胞增殖和细胞凋亡等。 五、生长 在早期胚胎发育中，只有很少的生长（growth），*基本的模式往往只在数毫米长的胚胎上形成。中后期胚胎的生长可以不同的方式实现，如细胞的扩增、细胞体积的增加、细胞外物质的积累等。器官和身体不同部位的生长速率的差异可以产生身体整体外形的变化。 上述5种发育作用机制彼此之间绝不是相互独立的，一般来说，可以认为早期发育中的图式形成使细胞之间产生差异，从而导致了胚胎形态的改变、细胞的分化和生长。但是，在任何实际的发育系统中，这些事件发生的顺序将会有许多的变化。 第三节 研究发育生物学的模式生物 尽管已经对多种生物的发育进行了研究，但是关于发育机制的知识却来自少数几种生物，我们可以将这些少数生物称为研究发育问题的模式生物（model organism）。 模式生物的选择，部分是由于历史的原因。一旦一种生物被研究后，人们在此基础上继续研究比选择另一种生物再从头开始更有助于研究的进行和深入。由于海胆和青蛙的胚胎容易得到，且青蛙胚胎的体积较大足以满足实验操作的需要，它们成为*早用于胚胎研究的实验动物。在脊椎动物中，爪蟾、小鼠、鸡以及后来引起注意的斑马鱼是主要的模型生物。在无脊椎动物中，果蝇和线虫成为近年来人们青睐的模式生物，主要是由于对它们发育的遗传控制机制了解比较多，同时，它们易于被人为地进行遗传改变。 作为研究发育的材料，每种模式生物都有它的优势和劣势。例如鸡胚作为研究脊椎动物发育模式材料的优势在于容易得到受精卵，胚胎可以很好地承受实验性显微手术操作，它可以从蛋中取出培养。但它也有劣势，对鸡胚发育的遗传基础了解很少。然而，我们对小鼠发育的遗传基础了解就较多，尽管它的胚胎整个过程都是在体内，给研究带来很多困难。小鼠是研究包括人类在内的哺乳动物发育的*佳实验模型。斑马鱼是较晚被选作发育模式生物的，它易于大量培养，胚胎透明，它的细胞分裂和组织运动肉眼可见，易于追踪观察，它在发育基因的研究中具有很大的潜力。 对果蝇的遗传学研究从20世纪就开始了，但是对它的发育遗传的研究却是在分子生物学技术发展起来以后。线虫被用作发育模型生物主要是由于它的身体结构非常简单，组成它的胚胎的细胞数目低于1000，再加上它的细胞谱系比较稳定，胚胎透明，所以，很容易逐个细胞地观察它的胚胎发育过程，每一个细胞都可以循着细胞分裂的线索在合子中找到祖先。另外，线虫易于进行遗传分析和遗传修饰。 在植物中，一种小型的十字花科植物拟南芥在开花植物的发育研究尤其是发育的分子机制研究中扮演越来越重要的角色。 一、植物发育的模式生物 拟南芥（Arabidopsis thaliana）在植物发育研究中的地位类似于动物发育研究中的果蝇，它非常适于进行遗传学研究。 拟南芥的每朵花由4片花瓣和4片萼片组成，在花瓣里边有6条雄蕊，由含有胚珠的两心皮构成的子房位于中央，每一个胚珠含有一个卵。受精后，胚胎在胚珠中发育，形成成熟的种子大概需要两周。种子萌发后3～4周形成花芽，整个生命周期为6～8周。在胚珠中，受精卵四周为胚乳（endosperm），它为受精卵的发育提供营养（图0-2）。 图0-2 拟南芥的生