2_发育生物学基本原理.ppt

红松的雌球花
红松种子
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湿地松的雄球花
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红皮云杉
华山松
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云南松
樟子松
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大孢子叶的结构
种子
A scale has two ovules
雌球花：珠鳞
大孢子叶模式图
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小孢子叶结构
雄球花（小孢子叶和小孢子囊）
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裸子植物
裸子植物：能产生种子，但种子
裸露的高等植物。
裸子植物 被子植物
种子植物
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裸子植物门的主要特征 1. 孢子体发达 营养器官：根、茎、叶 繁殖器官：花（球花）、果（球果）和种子
南洋杉
水杉
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红松
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裸子植物门的主要特征 1. 孢子体发达 营养器官：根、茎、叶 繁殖器官：花（球花）、果（球果）和种子
2、在孢子体的形态建成过程中，出现了多细胞的、具有特定 结构的茎端分生组织，通过茎端分生组织的活动，形成了完成 生活周期所必需的不同类型的侧生器官(如不同类型的营养性 叶和大小孢子叶)； 3、在裸子植物生活史中，其孢子体的形态建成的复杂性大大 增加。除了由茎端分生组织所形成的侧生器官类型增加之外， 还有茎的形成、根系的形成以及根和茎的次生生长等。
同形世代交替
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苔藓类是一类结构比较简单、体形比较小、生长在潮湿
地区的陆地植物，属于最低等的高等植物。植物无花，无 种子，以孢子繁殖。在全世界约有23,000种苔藓植物,中国 约有2800多种。苔藓植物门包括苔纲（Hepaticae）、藓纲 （Musci）和角苔纲（Anthocerotae）。苔纲包含至少 330 属，约 8000 种苔类植物；藓纲包含近 700 属，约 15000 种藓类植物；角苔纲有 4 属，近 100 种角苔类植物。

主要优点 1. 体积小（2mm）， 易于繁
殖； 2. 产卵力强； 3. 性成熟短； 4. 易于遗传操作：
如诱变； 5. 基因组序列已全
部测出 (Science, Mar. 24, 2000)。 (120Mb encodes 13,601 proteins)
摩尔根：孟德尔遗传 学的伟大继承者，果 蝇之父
发育生物学中模式生物
各种模式动物各有优点，其研究成果 不仅可以揭示特定物种的特点，还有 助于揭示动物发育的一些普遍规律和 机制。
模式生物应具备特点
其生理特征能够代表生物界的某一大类群; 容易获得并易于在实验室内饲养、繁殖； 容易进行实验操作，特别是遗传学分析。
长久以来在进化支流的港湾中休憩的小生命——酵母 、线虫、果蝇、海胆、斑马鱼、非洲爪蟾、小鼠、拟 南芥，获得了前所未有的青睐。
克隆大鼠
长人耳的老鼠
1995年，Massachusetts 的研 究者们让一只老鼠长上了人的 耳朵。他们在一个可生物降解 的人耳形状的模子表面接种上 人软骨组织细胞，然后将模子 移植到裸鼠身上（裸鼠因为存 在天然的免疫系统缺陷，而不 会对模子产生免疫排斥反应） 。人软骨组织细胞从小鼠的血 液中得到营养，不断生长并填 满模子，最终造出了一个“耳 朵”。科学家们希望将来能够 用这种技术设计出能够用于替 换人的器官或组织。
1890年后，海胆更在受精和早期胚胎发育的研究中起 了重要 作用。同种海胆精卵表面分子的特异性识别、 精子顶体反应、卵皮质反应等现象的发现， 为受精生 物学奠定了最初的基础。
2、Caenorhabditis elegans:
Worm model
主要优点 1. 易于养殖：成虫
体长1mm，易冷 冻保存； 2. 性成熟短：2.5-3 天，两种成虫； 3. 细胞数量少，谱 系清楚； 4. 易于诱变； 5. 基因组序列已全部测 出 (Science, Dec. 11, 1998)。(97MB encodes 19,099 proteins.)

基因编辑技术
类器官培养技术
运用CRISPR/Cas9等基因编辑工具，对生 物体的基因组进行精确修饰，研究基因功 能和调控机制。
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通过模拟体内微环境，培养具有类似器官结 构和功能的类器官，用于疾病模拟、药物筛 选和再生医学等领域。
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未来发展趋势预测
跨学科交叉融合
发育生物学将与遗传学、细胞生物学、生 物医学工程等学科交叉融合，共同推动生
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02
细胞分裂、分化与胚胎发育
Chapter
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细胞周期与有丝分裂
细胞周期
指连续分裂的细胞从一次分裂完 成时开始，到下一次分裂完成时 为止所经历的全过程，包含DNA 合成前期、DNA合成期、DNA
合成后期和有丝分裂期。
有丝分裂
一种真核细胞分裂产生体细胞的 过程，特点是有纺锤体染色体出 现，子染色体被平均分配到子细
02
配子形成
在减数分裂过程中，染色体只复制一次，而细胞分裂两次。减数分裂的
结果是，成熟生殖细胞中的染色体数目比原始生殖细胞减少一半。
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03
配子的种类
根据染色体的组合不同，可以产生不同种类的配子，增加了后代的遗传
多样性。
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胚胎发育过程及调控机制
胚胎发育过程
从受精卵开始，经过卵裂、桑葚胚、 囊胚、原肠胚与组织器官形成等阶段 ，最终发育成为完整的胎儿。
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课程目标与要求
01
掌握发育生物学的 基本概念、原理和 研究方法
02
了解发育生物学的 最新研究进展和前 沿动态
03
能够运用所学知识 分析和解决发育生 物学领域的实际问 题

《发育生物学》ppt课 件
目录
Contents
• 发育生物学简介 • 发育过程 • 基因与发育 • 发育中的细胞与分子机制 • 发育生物学应用 • 未来展望与挑战
01 发育生物学简介
定义与重要性
定义
发育生物学是一门研究生物体从受精 卵到成体的生长、发育、分化的过程 及其机制的科学。
重要性
发育生物学对于理解生物体的生长、 发育过程以及疾病的发生、发展机制 具有重要意义，为疾病诊断、治疗和 预防提供了理论基础。
05 发育生物学应用
疾病研究
肿瘤发生机制
研究肿瘤细胞发育过程 中的异常变化，为肿瘤 的诊断和治疗提供理论 基础。
神经退行性疾病
探讨神经细胞发育和退 化的机制，为阿尔茨海 默病、帕金森病等神经 退行性疾病的防治提供 思路。
代谢性疾病
研究代谢相关细胞的发 育和功能，为肥胖、糖 尿病等代谢性疾病的防 治提供依据。
器官形成
器官发生
在胚胎发育过程中，不同 组织通过复杂的分子调控 机制形成各种器官，如心 脏、肺、肾等。
形态发生
器官形成过程中涉及复杂 的形态发生过程，如细胞 增殖、迁移、排列和凋亡 等。
组织结构与功能
形成的器官具有特定的组 织结构和功能，满足生物 体生长发育的需要。
生长与成熟
生长与发育
生物体的生长与发育是一个连续 的过程，受到多种激素和生长因
转录调控
转录调控主要涉及转录因子的作 用，通过与DNA的结合来调控基
因的表达。
表观遗传学
表观遗传学研究基因表达的表观 遗传修饰，如DNA甲基化、组蛋 白乙酰化等，对发育过程的影响
。
表观遗传学
表观遗传学概述
表观遗传学研究基因表达的表观遗传修饰，如DNA甲基化、组蛋 白乙酰化等，对发育过程的影响。

二、发育的细胞共性事件
动植物的发育从细胞水平，共性事件主要包括有： 动植物的发育从细胞水平，共性事件主要包括有： (1) 细胞分裂：满足了细胞的快速增殖和发育进程； 细胞分裂：满足了细胞的快速增殖和发育进程； (2) 细胞分化：为机体细胞的多样性提供了保证； 细胞分化：为机体细胞的多样性提供了保证； (3) 模式形成：使细胞分化按一定的时、空顺序发生 模式形成：使细胞分化按一定的时、 体的统一性； 体的统一性； (4) 细胞迁移：为器官发生提供了细胞来源； 细胞迁移：为器官发生提供了细胞来源； (5) 细胞凋亡：抑制癌变细胞或受损细胞的增殖并及 细胞凋亡： 时清除。 时清除。
6. 发育生物学的学科基础 胚胎学 分子生物学 生物化学 发育生物免疫学
进化生物学
解剖学
7.发育生物学的应用前景 发育生物学的应用前景 人类学：人口质量、人类健康；如人类基因组 计划。 农业：农作物品种改良、家畜新品种培育；如 水稻基因组计划、家畜胚胎切割技术。 医学：肿瘤、艾滋病、畸形发生机制。
第一章
绪 论
第一节 研究对象、任务 研究对象、 及其与其它学科的关系
1. 发育的概念 发育的概念(development ) ：发育指生命现象的发展， 发育指生命现象的发展， 是一个有机体从其生命开始到成熟的变化， 是一个有机体从其生命开始到成熟的变化，是生物 有机体的自我构建和自我组织的过程。 有机体的自我构建和自我组织的过程。 2. 发育生物学 发育生物学(development biology)是应用现代生物学 是应用现代生物学 技术研究生物发育本质的科学。 技术研究生物发育本质的科学。主要研究多细胞生 物体从生殖细胞的发生、受精、胚胎发育、生长、 物体从生殖细胞的发生、受精、胚胎发育、生长、 衰老和死亡，即生物个体发育(ontogeny)中生命过程 衰老和死亡，即生物个体发育 中生命过程 发展的机制。同时， 发展的机制。同时，也研究生物种群系统发生 (systematics development)的机制。 的机制。 的机制

古生物学和比较解剖学为发育生物学提供了基础，如胚胎发育的相似性。
随着基因组学、蛋白质组学和生物信息学等技术的发展，发育生物学的研究更加深入和全面。
02
发育生物学基础知识
细胞分化
细胞分化是发育生物学中的基本过程，指同一来源的细胞逐渐产生形态、结构和功能上的差异。细胞分化是胚胎发育和器官形成的基础。
实验数据是研究的基础，数据分析的目的是从数据中提取有意义的信息，包括描述性统计、推论性统计和可视化分析等。
实验设计与数据分析
数据分析
实验设计
分子生物学技术
基因表达分析
利用分子生物学技术检测基因在不同发育阶段的表达情况，包括基因转录和蛋白质翻译水平。
蛋白质组学技术
通过蛋白质组学技术分析发育过程中蛋白质的表达、修饰和功能，揭示蛋白质与发育过程的关系。
内分泌调节
营养与环境因素
遗传因素
生长与成熟的调节
母体的营养状况、环境因素等也会影响胎儿的生长和发育。
基因等遗传因素对胎儿的生长和发育也有重要影响。
激素等内分泌因素对胎儿的生长和发育起着重要的调节作用。
04
发育异常与疾病
遗传性疾病的发育起源
总结词：遗传性疾病的发育起源是指某些遗传性疾病在胚胎发育过程中出现异常，导致器官或系统的功能缺陷。
生物信息学方法
06
未来展望与研究方向
CRISPR-Cas9等基因编辑技术为治疗遗传性疾病和癌症等疾病提供了新的可能，未来有望通过编辑人类基因来治疗各种疾病。
基因编辑技术
利用基因编辑技术，可以纠正导致疾病的基因突变，或者增强人体对疾病的抵抗力，提高治疗效果和生存率。
疾病治疗
基因编辑与人类疾病治疗
VS
利用遗传工程技术对特定基因进行敲除或敲入，研究其在发育过程中的作用。

受精卵在受精后数小时内开始基因组 激活，转录和翻译新的蛋白质，为胚 胎发育提供基础。
受精过程中的信号转导
精子与卵子结合后，触发一系列信号 转导事件，包括钙离子波动、蛋白激 酶激活等，最终导致卵子激活和受精 。
辅助生殖技术应用
人工授精
体外受精与胚胎移植
将处理过的精子直接注入女性生殖道内， 使精子和卵子自然结合，达到受孕目的。
07
发育生物学实验技术与方法
显微操作技术在发育生物学中应用
显微注射技术
将外源基因、mRNA、蛋白质等 直接注入到受精卵或早期胚胎中 ，研究基因功能或制备转基因动
物。
显微切割技术
利用显微操作仪对早期胚胎进行精 确切割，研究胚胎发育过程中的细 胞命运和分化机制。
显微成像技术
利用共聚焦显微镜、活细胞成像系 统等对胚胎发育过程进行实时观察 和记录，揭示胚胎发育的动态过程 。
等。
Wnt信号转导途径在胚胎发育中作用
01 Wnt信号转导途径是一种高度保守的信号转导途 径，它在胚胎发育过程中发挥着重要的作用。
02 Wnt信号可以促进细胞的增殖和分化，对于胚胎 的形成和器官的发育具有至关重要的作用。
02 Wnt信号的异常调控会导致胚胎发育的缺陷和疾 病的发生，如先天性心脏病、神经管缺陷等。
课程要求
学生应认真听讲、积 极参与课堂讨论、完 成实验报告和课程论
文等任务。
02
细胞命运与胚胎发育
细胞命运决定因素
01
02
03
基因表达调控
包括转录因子、信号通路 等对基因表达的调控，影 响细胞分化和命运。
表观遗传学修饰
如DNA甲基化、组蛋白修 饰等，对基因表达产生长 期、可遗传的影响，进而 决定细胞命运。

小鼠 Mus musculus
小鼠隶属脊索动物门，哺乳纲，其胚胎发育 过程与人类比较接近，备受重视。
小鼠的优点： 1. 世代周期短，2个月。 2. 遗传背景较为清楚，基因组测序完成。 3. 实验手段较为完善，唯一可进行基因敲除
的脊椎动物。
目前全世界每天约有2500万只小鼠被用于 生物医学研究，以小鼠为对象的研究已经 获得了17项诺贝尔奖。
3. 个体小得多，更好养殖。 4. 排卵量也大，1000~3000枚，0.7~0.8 mm。 5. 亲缘关系近，种间基因高度保守。
线虫和果蝇之所以成为模式生物，主要原因 在于它们能将胚胎学和遗传学有效地结合起 来，研究者不仅能看见发育过程中的胚胎， 而且能诱导突变，并观察突变如何扰乱发育。
20世纪90年代，脊椎动物中还未找到这样的 模式生物？！
2. 生命周期短，3.5 d，胚胎发育快，16℃， 18 h，25℃，12 h，到成虫2 d。
3. 大多雌雄同体，体内受精，产生后代多， 自体受精产生纯合的基因型。
4. 体细胞数量少，1000个，透明可见， 易于追踪细胞分裂谱系。
5. 能观察生殖细胞发生及种质颗粒传递 过程。
秀丽隐杆线虫基因组： 第一个完成全基因组测序的多细胞生物。 97 Mb个碱基，19099个编码蛋白的基因。 人类的4979个蛋白有74%可在线虫中找到。 线虫有36%的蛋白可在人类中找到。
Brenner（英）早在20世纪60年代初期就正确 地选择线虫作为研究对象。
Horvitz（美）发现了线虫中控制细胞死亡的 关键基因，描绘出了这些基因的特征。他 揭示了这些基因怎样在细胞死亡过程中相 互作用，并且证实了相应的基因也存在于 人体中。
Sulston（英）则描述了线虫组织发展过程中 每一个（959）细胞分裂和分化的具体情况。 他还确认了在细胞死亡过程中发挥控制作 用基因的最初变化情况（20年）。

囊胚 腔
动物 极 植物 极
胞质决定子（determinant）的不均匀分布及细胞的不对称 分裂使细胞具有不同的特性
原始生殖细胞（primordial germ cell，pgc）的迁移
原始生殖细胞并不是在生殖腺中形成的
多数动物的pgc与其生殖腺起源不同（脊椎动物性腺起源于 mesoderm）, 保持有空间距离
减数第二次 分裂
着丝点排列在赤道板
中期
：姐妹染色单体的分离
二. 精子发生时间与部位
1、精子的形成：
A.精子的形成部位：睾丸的生精小管中
生精小管
时间： 精原细胞在精巢内一直处于静止状态，直到青春期增殖， 继而形成精子细胞。 每个精母细胞通过减数分裂形成四个精子细胞，变形成为 精子。
一、卵子发生过程 迁移进入卵巢 进入卵巢的原始生殖细 胞pgc被称为卵原细胞 （oogonium） 有丝分裂、生长 卵子发生 是指由pgc发 育成卵原细胞，再发育 到排出成熟卵子（egg）第一次减数分裂， 初级生长、次级生长 的这一完整过程。 结果：一个初级卵母细 胞发育形成一个成熟卵 细胞，染色体数目减半， 第二次减数分裂 DNA量减半。 特点：减数分裂；卵母 细胞生长
命名繁多：生殖质、极质或极颗粒（果蝇、线虫）、生殖细胞决定
子等。
位置（eg.爪蟾）：在受精前的卵子中随机分布；受精后卵裂期间，保留在植物 极囊胚细胞中。原肠形成期间，位于内胚层；原肠后期，被决定为原始
生殖细胞，从内胚层迁出，进入生殖嵴，形成性腺。
动物极：黑褐色，细胞质、核位于此 植物极：淡黄色，含卵黄颗粒
③
精子的形成过程
卵细胞的形成过程
相同点
染色体的行为变化相同:即在间期染色体先复 制，在第一次分裂时同源染色体联会，形成四 分体，非姐妹染色体交叉互换，同源染色体分 离，非同源染色体自由组合，第一次分裂结束 后染色体数目减半；第二次分裂时着丝点分裂， 姐妹染色单体分离

转录因子的活性受到多种因素 的调节，包括其他转录因子、 信号分子和表观遗传修饰等。
表观遗传学在发育过程中的作用
表观遗传学是研究基因表达调控中不涉及DNA序列改变的遗传现象的科 学。
表观遗传学在发育过程中起着重要作用，包括X染色体失活、基因组印记 、转座子沉默等。
表观遗传学机制通过影响基因的表达模式，从而调控细胞的分化和发育 过程。例如，DNA甲基化和组蛋白修饰可以影响染色质的结构和转录因 子的结合，进而调控基因的表达。
生长因子的定义：一类能够 促进细胞生长、分化和迁移
的多肽类物质。
01
02
03
促进细胞增殖和分化，参与 组织器官的形成和发育。
调节细胞迁移和黏附，影响 细胞的空间排列和组织结构
。
04
05
参与细胞凋亡和自噬等过程 ，维持组织内环境的稳定。
细胞信号传导与胚胎发育的关系
胚胎发育过程中的信 号传导：在胚胎发育 过程中，细胞信号传 导起着至关重要的作 用，涉及多个信号通 路和复杂的调控网络 。
细胞分化的分子机制
基因选择性表达
不同细胞类型表达不同的基因，
从而合成不同的蛋白质，实现细
胞功能的多样性。
01
转录因子调控
02 转录因子通过与DNA结合，调控
特定基因的转录，从而影响细胞
的分化方向。
表观遗传学修饰
表观遗传学修饰如DNA甲基化、
组蛋白修饰等，可以影响基因的
03
表达和细胞的分化状态。
细胞信号传导
发育生物学基本原理ppt课件
CONTENTS
• 绪论 • 细胞分化与发育 • 基因表达调控与发育 • 细胞信号传导与发育 • 生殖细胞发育与受精 • 胚胎发育与模式生物研究

粗定位的目的是将突变基因首先确定在某条染色体的某个 区段。精细定位的目的是在粗定位的基础上,利用各种分 子标记来把定位区间逐渐缩小, 最后缩小到一个范围( 国 际上100kb 左右遍可以进行测序) , 最终通过基因测序的 方法, 找到与野生型不同的突变位点, 从而将表型和基因 连锁, 继而为进一步研究基因功能奠定基础。
各种分子遗传学和计算机相结合的方法, 将这个定位区内
可能相关的基因分离出来, 再用这个基因对家系中的患者
与正常者逐个进行基因检测。如果发现某一突变仅存在
于患者中, 则可初步确定这个基因可能是导致这种病的疾
病基因。最后, 再作相应病人或动物相关组织的基因表达,
若这个基因在这种组织中表达, 则可认为找到了该病的疾
正向遗传学是指，通过生物个体或细胞的基因组的自发突 变或人工诱变，寻找相关的表型或性状改变，然后从这些 特定性状变化的个体或细胞中找到对应的突变基因，并揭 示其功能。
简单地说，正向遗传学是从表型变化研究基因变化 正向遗传学的优点是可以通过突变现象来揭示基因功能。
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疾病基因克隆
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通过基因定位可将某一疾病基因定位到某号染色体或
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群体构建
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由于物种的差异性和多样性, 构建基因定位遗传群体的限 制因素也很多, 具体情况都有不同的解决方案, 这里讨论基 本原理。
基因定位是根据基因组之间的差异性作为分子标记来进行 基因定位的。要得到这种分子标记, 我们通常用两个基因 组拥有差异的生态型作为基本材料, 诱变其中一个生态型, 另一个生态型作为基因组差异引入材料, 由此才能作为以 交换为前提而产生的分子标记，如SNP（单核苷酸的多态 性）、INDEL（插入缺失标记）等。
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体节
前肾
腮
肩带 腮周侧翼组织 附肢
美西螈（Ambystoma maculatum）的预定前肢场
太平洋树蛙（Hyla regila）的早期后 肢场被许多寄生 的线虫卵分隔开， 形成多附肢的蝌 蚪，示附肢场的 调整能力。
2、附肢的早期发育
附肢早期发育的第一个迹象是体节中胚层细 胞沿胚胎长轴的增殖，逐渐在表皮的下面形 成厚的细胞团,它们从附肢场的侧板中胚层和 体节中胚层分离出来，进而转变为间质细胞 进行迁移。 附肢的发育开始于间质细胞从附肢的骨骼前 体细胞 (limb skeletal precursors)和附肢的肌肉 前体细胞 (limb muscle precursors)分离后的增 殖，这些细胞在内胚层组织下聚集并形成一 环状的突起，此突起称为肢芽。
发育生物学
第十四章 附肢的发育和再生
附肢发育的研究是发育生物学的一个重要 课题。脊椎动物，特别是鸟类和两栖类附 肢（limb）的发育包含了大量的、各种各样 的诱导作用。 有尾类的蝾螈和美西螈附肢具有明显的再 生能力，是研究再生的极好模型。

一、脊椎动物附肢的发育
脊椎动物的附肢是一个极其复杂的器官，每 一块骨和肌肉的位置都被精密地组织在一起。 附肢在三个基本轴上是不对称的，但左前肢 总是和右前肢呈镜面对称。 脊椎动物的附肢都是由体壁中胚层和外部的 表皮共同组成的。
翅肢芽 顶外胚层嵴
腿肢芽
许多脊椎动物胚胎中的预定附肢区 （prospective limb area）已被定位。能形成 一个附肢的所有细胞，称为附肢场（limb field），包括位于中央的、产生附肢本身的 中胚层细胞（附肢盘，limb disc）以及形成 周围的躯干组织和肩带/腰带的细胞。 附肢场起初具有调节失去或增加部分附肢 的能力，附肢场中的每个细胞都能被指令 形成附肢的任意一部分－调和等能系统。