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体細胞胚発生は、単一の体細胞から植物胚を誘導する人工的なプロセスである。[ 1 ]体細胞胚は、通常は胚の発生に関与しない植物細胞、すなわち通常の植物組織から形成される。体細胞胚の周囲には胚乳や種皮は形成されない。
適切な供給源組織から得られた細胞を培養して、カルスと呼ばれる未分化の細胞塊を形成します。組織培養培地中の植物成長調節物質（PGR）を操作することでカルスの形成を誘導し、その後、胚を誘導してカルスを形成させることができます。カルスまたは胚の形成を誘導するために必要なさまざまな植物成長調節物質の比率は、植物の種類によって異なります。[ 2 ]体細胞胚は主に、植物成長調節物質を含む固体または液体の栄養培地を使用して、実験室研究のためにin vitroで生産されます。使用される主なPGRはオーキシンですが、サイトカイニンも少量存在する場合があります。[ 3 ]シュートと根は単極性ですが、体細胞胚は双極性であるため、複数の培地タイプで培養することなく完全な植物を形成できます。体細胞胚発生は、植物の発達過程で起こる生理学的および生化学的イベントのモデルとして機能し、バイオテクノロジーの進歩にも貢献してきました。[ 4 ]体細胞胚発生の最初の記録は、1958年にスチュワードら、1959年にライナートがニンジン細胞懸濁培養で行ったものである。[ 5 ] [ 6 ]
体細胞胚発生は、直接的および間接的な2つの方法で起こると説明されている。[ 7 ]直接胚発生は、外植片からカルスを形成せずに外植片組織から直接胚を開始し、同一のクローンを作成する場合に起こる。
間接胚発生は、外植片が未分化または部分的に分化した細胞（カルスと呼ばれることが多い）を生成し、それが維持されるか、葉、茎、根などの成熟した植物組織に分化するときに起こります。2,4-ジクロロフェノキシ酢酸（2,4-D）、6-ベンジルアミノプリン（BAP）、ジベレリン酸（GA）は、イチゴ（ Fragaria ananassa）の間接体細胞胚の発生に使用されています[ 8 ]。
体細胞胚発生による植物再生は、胚発生培養の開始、胚発生培養の増殖、体細胞胚の早熟、体細胞胚の成熟、および非特異的培地での植物の発達という 5 つのステップで起こります。開始と増殖は、局所的な分裂組織細胞の分化を誘導するオーキシンが豊富な培地で起こります。一般的に使用されるオーキシンは2,4-Dです。オーキシンが少ない、または含まれていない培地に移されると、これらの細胞は成熟した胚に発達することができます。体細胞胚の発芽は、機能的な根端と茎頂を持つほど十分に成熟したときにのみ起こります。[ 3 ]
体細胞胚における細胞分化を制御する因子とメカニズムは比較的不明瞭である。植物組織培養によって分泌され、培養培地中に存在する特定の化合物は、細胞分裂と形態変化の調整に必要であることが示されている。[ 9 ]これらの化合物は、Chung ら[ 10 ]によって、さまざまな多糖類、アミノ酸、成長調節物質、ビタミン、低分子量化合物、ポリペプチドとして同定されている。体細胞胚の形成に影響を与えたり制御したりすることが知られているいくつかのシグナル伝達分子が発見されており、細胞外タンパク質、アラビノガラクタンタンパク質、リポキトオリゴ糖などが含まれる。温度と光も体細胞胚の成熟に影響を与える可能性がある。
このプロセスの応用例としては、遺伝的に均一な植物材料のクローン増殖、ウイルスの除去、遺伝子形質転換のための組織源の提供、プロトプラストと呼ばれる単一細胞からの完全な植物の生成、合成種子技術の開発などが挙げられる。[ 1 ]
体細胞胚発生法の開発により、商業的に重要な樹種、すなわち主に裸子植物（ホワイトスプルースを含む）の木本植物の種子貯蔵タンパク質（SSP）に関する研究が始まった。この研究分野では、SSPは、胚発生の可能性と、接合子胚と生化学的に類似した体細胞胚を生成する胚発生システムの能力を決定するためのマーカーとして使用されている（Flinn et al. 1991、Beardmore et al. 1997）。[ 13 ] [ 14 ]
Grossnickleら（1992）[ 15 ]は、苗床での育成中および圃場への植栽直前の苗木品質評価プログラムを通じて、トウヒの実生と成木を比較した。最初の生育期の前半では、実生のシュートの高さ、根元直径、および乾燥重量は成木よりも高い割合で増加したが、その後はシュートの成長はすべての植物で同様であった。生育期の終わりまでに、実生は成木よりも70%高く、根元直径もシュートの乾燥重量も大きかった。根の乾燥重量は、生育期の初期には成木よりも実生の方が急速に増加した。
秋の順化期間中、休眠打破指数と耐凍性の向上パターンは、実生と若木の両方で同様であった。根の成長能力は秋の順化期間中に減少した後増加し、その増加は実生の方が大きかった。
植え付け直前の苗の品質評価では、以下のことが明らかになった。夜明け前のシュート水ポテンシャルの低下に伴い、実生に比べて胚芽の方が水利用効率が高かった。実生と胚芽は、根の温度が高い場合と低い場合の両方で、水の移動能力が同程度であった。根の温度が低い場合、純光合成と針葉導管の値は実生の方が胚芽よりも高かった。根の温度が22℃の場合、実生の方が胚芽よりも根の成長が大きかったが、根の温度が7.5℃ の場合、すべての植物の根の成長は低かった。
グロスニクルとメジャー（1992）は、植林地に移植された内陸スプルース313Bスタイロブロック実生と苗木の成長と生存率を調べた。[ 16 ]実生と苗木の両方について、飽和浸透圧（ψ sat）と膨圧喪失点（ψ tip）は、植栽直前のそれぞれ-1.82 MPaと-2.22 MPaの低値から、活発なシュート伸長中にそれぞれ-1.09 MPaと-1.21 MPaの季節的高値まで上昇した。その後、実生と苗木（ψ sat）と（ψ tip）は、生育期の終わりにそれぞれ-2.00 MPaと-2.45 MPaまで低下した。これは、生育地の温度が着実に低下し、高さの成長が停止した時期と一致していた。一般的に、実生と幼苗は生育期間を通してψ satとψ tipの値が類似しており、最大弾性率、シンプラスティック分率、膨圧喪失点における相対含水率の季節的パターンの変化も同様であった。
GrossnickleとMajor（1992）[ 16 ]は、実生と若木の1年生と当年生の針葉は、水蒸気圧不足の増加に伴い針葉導管が同様に低下することを発見した。当年生の針葉の正味光合成（P n ）の水蒸気圧不足（VPD）と光合成有効放射（PAR）に対する応答曲面モデルは、若木はVPDが3.0 kPa未満、PARが1000 μmol m −2 s −1を超える場合にP nが15%高いことを示した。実生と若木の1年生と当年生の針葉は、水利用効率のパターンが類似していた。
生育期間を通して、実生と若木のシュート成長率はほぼ同じであった。実生は、植え付け時と生育期間終了時の両方において、シュート系が若木よりも大きかった。また、生育期間を通して、実生は若木よりも根の発達が大きかったが、生育期間終了時の根とシュートの比率は、実生と若木の生存率がそれぞれ96%と99%であった時点で、両系統でほぼ同じであった。
形態学的および分子マーカーの確立による体細胞胚の形成の理解は、運命地図の構築にとって重要である。運命地図は、さらなる研究と実験を構築するための基礎となる。運命地図を構築するには、同期細胞分裂とタイムラプス追跡の2つの方法がある。同期細胞分裂には細胞周期を変化させる化学物質と遠心分離が関与するため、後者の方が一般的に安定して機能する。[ 17 ]
被子植物の胚発生はいくつかの段階に分かれています。接合子は非対称に分裂し、小さな頂端細胞と大きな基底細胞を形成します。組織パターンは球状期に形成され、その後胚は子葉期に移行します。[ 18 ]単子葉植物と双子葉植物では胚発生が異なります。双子葉植物は球状期、ハート形期、魚雷期を経ますが、単子葉植物は球状期、小楯状期、鞘葉期を経ます。[ 19 ]
多くの培養系では、 2,4-ジクロロフェノキシ酢酸に継続的に曝露することで体細胞胚発生を誘導および維持します。アブシジン酸は、実生で体細胞胚発生を誘導することが報告されています。カルス形成後、低オーキシンまたはホルモンフリー培地で培養すると、体細胞胚の成長と根の形成が促進されます。単子葉植物では、胚形成能力は通常、胚形成または分裂組織起源の組織に限定されます。単子葉植物の体細胞は急速に分化し、その後、有糸分裂および形態形成能力を失います。同じ種の異なる遺伝子型間での胚形成カルス成長におけるオーキシン感受性の違いは、オーキシン応答がいかに多様であるかを示しています。[ 20 ]
ニンジンDaucus carota は、発生経路と分子メカニズムに関して最初に最もよく理解された種です。[ 17 ] Toonen ら (1994) によるタイムラプス追跡では、コンピテント細胞の形態は形状と細胞質密度に基づいて変化する可能性があることが示されました。胚懸濁液から 5 種類の細胞が特定されました。球状細胞質に富む細胞、球状液胞細胞、楕円形液胞細胞、細長い液胞細胞、および不規則な形状の細胞です。各タイプの細胞は、特定の幾何学的対称性で増殖しました。それらは、対称、非対称、および異常な形状の細胞クラスターに発達し、最終的に異なる頻度で胚を形成しました。[ 21 ]これは、組織化された成長極性が体細胞胚発生で常に存在するわけではないことを示しています。[ 17 ]
裸子植物 の胚発生は3 つの段階で起こります。前胚発生には、胚柄伸長前のすべての段階が含まれます。初期胚発生には、胚柄伸長後、根端分裂組織発達前のすべての段階が含まれます。後期胚発生には、根端分裂組織と茎端分裂組織の発達が含まれます。 [ 18 ]ノルウェーマツPicea abies のタイムラプス追跡により、単一の細胞質に富む細胞も液胞化した細胞も胚に発達しないことが明らかになりました。未組織化細胞と、液胞化した細胞の隣にある細胞質に富む細胞で構成される胚の中間段階である前胚発生塊 (PEM) は、オーキシンとサイトカイニンによって刺激されます。オーキシンとサイトカイニンを徐々に除去し、アブシジン酸(ABA)を導入すると、胚が形成されます。[ 17 ]体細胞胚発生は、栄養繁殖する針葉樹クローンの大量生産や遺伝資源の凍結保存に利用することが検討されてきた。しかし、この技術を針葉樹の再植林や育種に利用することはまだ初期段階にある。[ 22 ] [ 23 ]
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