体细胞胚胎发生(somatic embryogenesis)是体细胞向胚胎发生途径转变的发育再建(developmental reprogramming)过程，是植物发育过程中的独特现象，也是细胞全能性(totipotency)的有力证据和经典示例。体细胞胚胎发生现象被看作是开展生物学理论研究的良好模型。研究棉花体细胞胚胎发生对于阐明植物发育的分子机理，促进作物的遗传工程改良，无论在基础理论还是在实际应用价值上都具有极其重要的意义。1．比较研究了棉花体细胞胚胎发生过程中的细胞学和内源生化因子动态变化。首先，通过形态特征从棉花组织培养中鉴定出了有效胚性能力的细胞系，从而建立有效的再生体系。在细胞水平，结合细胞培养技术应用流式细胞仪鉴定了棉花体细胞脱分化、再分化过程中两次染色体解旋的细胞学特征标记。同时，对体胚发生内源激素动态测定表明，细胞内源生长素IAA及生长素与分裂素比值的急剧增加是非胚性细胞向胚性细胞转变的一个显著的生化特征。研究表明，两次染色体解旋的细胞学活动同内源激素的动态变化有着共同的规律和特点，是紧密联系的，是棉花整个体细胞胚胎发生过程中脱分化、再分化的细胞学和生化基础。2．实现了体胚发生重要基因资源的成功挖掘，并全面分析了棉花体细胞胚胎发生过程中的转录表达谱，揭示了体细胞胚胎发生的分子基础。为了分离参与体细胞胚胎发生过程有关的基因，采用SSH技术分离了在胚性愈伤组织和各时期胚状体中差异表达的ESTs。进一步经过两套差异筛选程序和反向Northern blot分析，最终分离鉴定获得了671个差异表达的cDNA片段，代表了242个非冗余基因(unigenes)，囊括了以往植物界在本领域研究中分离的体细胞胚胎发生相关的大部分基因，而且一半以上的基因没有在以前的体细胞胚胎发生研究中报道过。其中大约1／3胚胎发生有关基因是在GenBank中不存在的未知新基因。尤其重要和感兴趣的是分离鉴定了很多转录调控因子和细胞信号转导基因，它们很可能在启动体细胞胚胎发生过程中起重要作用。又通过cDNA array技术系统地对体细胞胚胎发生差异表达的相关基因进行了表达谱分析，涉及了体胚分化发育整个过程，包括胚性细胞分化前后及随后胚胎发育的典型时期(球前原胚、球形胚、心形胚、鱼雷胚、子叶胚)。揭示了这一发育过程中存在的几类不同基因类群及其特异的表达模式(expression patterns)，全面阐明了这一独特的生物发育过程中的基因特异和有序表达的特点。通过Northern杂交和RT-PCR进一步验证了不同类型的基因类群(gene group)在胚胎发育的不同时期特异表达模式。3．研究了棉花合子胚形态发育进程，鉴定了各个发育时期的合子胚，构建了六个与棉花生殖发育相关的差减文库。包括配子、合子胚、胚乳发育特异表达cDNA文库及体胚与合子胚发育差异表达cDNA文库。重点比较了合子胚发育起始与体细胞胚发育早期(胚性起始)相关基因表达谱特点，研究了两者发育起始在基因转录表达水平上所存在的分子基础共性和差异。通过鉴定差异表达基因并结合生物信息学分析表明：在细胞成分、生物过程、分子功能和可能参与的代谢途径方面，体胚和合子胚发育的相关基因的表达都具有非常相似的规律，整体基因表达和代谢过程都存在极大的相似性。即两者具有相似的形态发育过程和分子基础，也证明了体细胞胚的确可以作为合子胚发育研究的良好实验模型。当然，比较也发现两者的基因表达也存在一些不同的地方，两者有着各自特异的功能基因表达和生物代谢过程。4．借助模式植物拟南芥基因组挖掘预测了生长素应答基因，对其进行了基因组注释及功能分类、Gene Ontology等相关生物信息学分析。通过检索相关文献和数据库，评估了这一系列假想的生长素应答基因。大概有65.2％的候选基因能够被证实。该结果和研究数据能够大大降低基因组中候选生长素应答基因的数目并为很多未知基因提供注释。更为挖掘新的体细胞胚胎发生相关激素应答基因提供了基础。5．体细胞胚胎发生过程是一个多因子参与的表达调控复杂而又协同有序互作的分子网络整体。为了寻找和预测新的体细胞胚胎发生相关基因，更深的挖掘和理解这一生物过程，我们利用鉴定的体胚发生相关基因和生物信息学相结合的方法构建了富含体胚发生相关因子的分子调控互作网络，预测了很多生物调控路径。通过检索体胚发生文献和数据库，对这一结果进行了评估。很多的实验证据证明了这一方法和结果的有效性。通过构建基因网络，发现细胞死亡(cell death)和细胞分裂增殖(cell proliferation)是参与体细胞胚胎发生这个独特生物过程的两个显著过程，是体胚发生这一复杂而有序生物过程的核心标志。可以解释为：两者相互协调又相互制约的关系很可能决定了体细胞在胚胎发生过程中的命运。不同激素之间的复杂的互作和动态平衡关系是体胚发生中的另一个显著特征，而且它们以不同的调控方式作用于细胞分裂和细胞死亡这两个过程。这就表明体胚发生调控网络包含了极其复杂的分子调控关系和生物过程。这一草图为以后的胚胎发生分子机制和系统生物学(system biology)研究提供了基础平台和参考资料。6．分离克隆了一系列体细胞胚胎发生相关候选基因的全长cDNA和部分基因启动子，通过高通量的功能验证手段研究了这些重要基因的表达、功能和亚细胞定位信息。利用gateway系列载体(重组技术)大量构建了超量表达载体和RNAi载体，对前面实验鉴定和构建的基因网络草图中发掘的重要标记基因其进行了功能验证。一些候选基因在功能验证实验中表现了明显的预期功能表型。进一步对系列基因的启动子表达特点和细胞瞬时表达的目标蛋白亚细胞定位进行了系统研究。研究这些候选基因对于阐明体胚发生相关的细胞命运决定和分化调控等分子机制有着重要意义。