植物細(xì)胞程序性死亡調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展

劉延忠　王利民　李昶　黎香蘭　王富軍　阮懷軍

摘 要：植物細(xì)胞程序性死亡（PCD）受活性氧、Ca2+、激素、基因等多方面影響。充分理解PCD的生物學(xué)意義和精確調(diào)控PCD進(jìn)程的速度，有助于改變植物尤其是作物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程中某一階段的發(fā)育速度，對(duì)于作物促壯抗衰有著非常積極的意義。

關(guān)鍵詞：細(xì)胞程序性死亡；活性氧；Ca2+；激素；基因

中圖分類號(hào)：Q946 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2012）11-0058-04

細(xì)胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）是細(xì)胞在內(nèi)外界刺激的作用下由基因調(diào)控的主動(dòng)連續(xù)的自殺過(guò)程。這一概念最初由Gluchsman于1951年在研究?jī)蓷悇?dòng)物的變態(tài)現(xiàn)象時(shí)提出，1972年Kerr等將其命名為apoptosis（細(xì)胞凋亡）。動(dòng)物PCD的研究取得了重要進(jìn)展。PCD在動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育中，特別是在維持細(xì)胞和組織的平衡、特化、形態(tài)建成與防病抗病過(guò)程中發(fā)揮重要作用。植物PCD的研究起步較晚，1994年始見(jiàn)這方面的論文，隨后這方面的研究逐年增加，但多集中于病原體引起的PCD。目前，植物PCD已成為植物學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，近年來(lái)的研究表明，PCD作為一種普遍的生命現(xiàn)象，不僅在植物正常生長(zhǎng)發(fā)育中發(fā)揮著重要作用，而且在植物抵御不良環(huán)境中具有重要的意義。

1 植物細(xì)胞程序性死亡的一般特征

植物PCD與動(dòng)物PCD有許多相似的特征。在形態(tài)上，發(fā)生PCD的細(xì)胞先以細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核濃縮、染色質(zhì)邊緣化為特征，隨后由膜包被DNA片段而形成凋亡小體。在生化上，PCD與信號(hào)傳導(dǎo)有關(guān)，信號(hào)分子可能是蛋白質(zhì)、激素、過(guò)氧化物、無(wú)機(jī)離子等化學(xué)成分，發(fā)生PCD的細(xì)胞表現(xiàn)為被誘導(dǎo)產(chǎn)生核酸內(nèi)切酶，核DNA從核小體間降解斷裂，產(chǎn)生帶有3′-OH端的、大小不同的寡聚核小體片段，在凝膠電泳上可以見(jiàn)到以140 bp倍增的“梯形”DNA條帶（DNA ladder），DNA的片段化被認(rèn)為是動(dòng)植物PCD的“真質(zhì)標(biāo)記”。在遺傳上，植物PCD與動(dòng)物的細(xì)胞凋亡同樣受到基因有序活動(dòng)的控制，需要特定基因的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)合成，并可被特定基因表達(dá)所抑制。只是凋亡細(xì)胞的最后命運(yùn)在動(dòng)植物中有所不同，動(dòng)物細(xì)胞凋亡后很快被臨近細(xì)胞或巨噬細(xì)胞吞噬降解，以防有害的細(xì)胞內(nèi)含物泄漏引起周圍細(xì)胞受損；植物細(xì)胞死亡后并不被鄰近細(xì)胞吞噬，在有些情況下（例如木質(zhì)部導(dǎo)管）反而成為植物體細(xì)胞的重要組成部分。

2 植物細(xì)胞程序性死亡的調(diào)控機(jī)制

目前動(dòng)物細(xì)胞凋亡調(diào)控機(jī)制和凋亡基因的研究較為深入，而植物PCD調(diào)控機(jī)制的研究則遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。盡管線粒體調(diào)控動(dòng)物細(xì)胞凋亡的機(jī)制在植物細(xì)胞中尚待證實(shí)，但許多研究表明與動(dòng)物細(xì)胞凋亡類似，很多信號(hào)分子均可參與植物PCD并起一定作用。

21 活性氧

活性氧（ROS）是一類具有強(qiáng)氧化力、能持續(xù)進(jìn)行反應(yīng)的物質(zhì)，包括超氧化物、過(guò)氧化氫、羥基自由基等。線粒體是產(chǎn)生ROS的主要部位[1]。ROS既可通過(guò)電子傳遞過(guò)程產(chǎn)生，也可通過(guò)代謝產(chǎn)生。當(dāng)出現(xiàn)環(huán)境脅迫時(shí)，ROS的產(chǎn)生與清除失去平衡，產(chǎn)生氧脅迫，過(guò)量的ROS與細(xì)胞內(nèi)生物大分子反應(yīng)，導(dǎo)致DNA、蛋白質(zhì)的損傷和膜脂的過(guò)氧化[2]。Angelika等（2001）[3]研究發(fā)現(xiàn)，GA誘導(dǎo)糊粉層細(xì)胞PCD與其降低ROS清除能力有關(guān)，ABA延緩PCD則與保持ROS清除能力相聯(lián)系。這與線粒體基質(zhì)和細(xì)胞質(zhì)中超氧化物歧化酶（SOD）和過(guò)氧化物酶（CAT）可清除ROS，從而起到重要的防御作用[4]相一致。已知?jiǎng)游锛?xì)胞中ROS持續(xù)積累可引起細(xì)胞內(nèi)環(huán)境狀態(tài)的顯著改變，如胞內(nèi)Ca2+濃度上升、ATP下降和膨大線粒體的形成等，ROS上升到一定高度，將激活線粒體上非特異的通透性孔道（PTP）開(kāi)放，過(guò)高的ROS持續(xù)積累導(dǎo)致PTP的持續(xù)開(kāi)放將引發(fā)細(xì)胞凋亡[5]。

植物細(xì)胞中ROS被認(rèn)為也參與了PCD[6]。對(duì)停止固氮后大豆根的研究發(fā)現(xiàn)，隨著根的生長(zhǎng)和衰老，CP基因表達(dá)增強(qiáng)，ROS大量積累。Alesand-rini等（2003）[7]發(fā)現(xiàn)在百日菊的葉肉細(xì)胞被誘導(dǎo)分化成導(dǎo)管時(shí)，在NADPH氧化還原酶作用下產(chǎn)生了大量的ROS。葉片衰老過(guò)程中，CAT活性下降，而產(chǎn)生ROS的酶——尿酸氧化酶和黃嘌呤氧化酶得到激發(fā)，ROS升高[8]。在病原體引發(fā)的超敏反應(yīng)（HR）中，CAT活性受到抑制，ROS升高，而缺氧條件卻抑制了超敏反應(yīng)中的細(xì)胞死亡。在鎘誘導(dǎo)的茶樹(shù)苗的PCD過(guò)程中，茶苗受鎘脅迫初期，細(xì)胞中CAT和SOD活性上升，隨著鎘脅迫的持續(xù)，兩酶活性均大幅度下降，而ROS則持續(xù)地上升[9]。但是植物細(xì)胞中ROS怎樣影響PCD并不十分清楚。

22 Ca2+

Ca2+在細(xì)胞內(nèi)以結(jié)合態(tài)和游離態(tài)存在，主要分布于細(xì)胞核、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體、質(zhì)膜和胞質(zhì)中。Jones（2002）[10]發(fā)現(xiàn)在管狀分子分化過(guò)程中，線粒體釋放細(xì)胞色素C到細(xì)胞質(zhì)中，而且Ca2+也誘導(dǎo)細(xì)胞色素的釋放，這和管狀分子分化時(shí)需要Ca2+的結(jié)論是一致的。

胞質(zhì)Ca2+濃度過(guò)高，會(huì)對(duì)細(xì)胞有害[11]。He等（1996）[12]在研究玉米根細(xì)胞的PCD時(shí)發(fā)現(xiàn)，Ca2+螯合劑可阻止無(wú)氧條件下的玉米根細(xì)胞的PCD，相反，提高胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度水平的化學(xué)試劑卻能誘導(dǎo)PCD。花瓣衰老過(guò)程中Ca2+可促進(jìn)RNase和DNase的活性，從而引發(fā)PCD[13]。細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度升高可誘導(dǎo)PCD，Ca2+濃度降低也能引發(fā)PCD。用Ca2+螯合劑處理NS-1鼠骨髓瘤細(xì)胞系，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度和整個(gè)細(xì)胞內(nèi)鈣的含量都下降，結(jié)果引起了細(xì)胞凋亡。細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度降低能導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，是因?yàn)镃a2+濃度降低能抑制DNA和蛋白質(zhì)的合成，增加細(xì)胞內(nèi)能量的需求和影響許多Ca2+依賴性的細(xì)胞活動(dòng)以及基因表達(dá)的變化。

Ca2+影響染色質(zhì)與DNA的結(jié)構(gòu)，是由Ca2+先促使染色質(zhì)與DNA展開(kāi)，便于核酸內(nèi)切酶貼近活動(dòng)，Ca2+依賴性的核酸內(nèi)切酶再直接參與染色質(zhì)和DNA的降解，從而引發(fā)細(xì)胞凋亡。對(duì)胚囊細(xì)胞中Ca2+分布的研究表明助細(xì)胞是胚囊中Ca2+分布最多的部位，助細(xì)胞死亡并將Ca2+釋放到胞外基質(zhì)，Ca2+的再分布可能啟動(dòng)了它本身的PCD過(guò)程[14]。

動(dòng)物細(xì)胞中，胞質(zhì)Ca2+還可通過(guò)誘導(dǎo)線粒體PTP的開(kāi)放，引發(fā)細(xì)胞的凋亡[15]。此外，核Ca2+也在動(dòng)物細(xì)胞凋亡中發(fā)揮了重要作用，鈣蛋白酶可裂解核纖層蛋白，促進(jìn)染色體裂解，在DNA片段化之前鈣蛋白酶活性上升，但只有在核Ca2+的存在下鈣蛋白酶才具有活性。植物細(xì)胞中Ca2+的作用還需進(jìn)一步研究。

23 激素

許多激素可參與植物細(xì)胞PCD的調(diào)控。如糊粉層細(xì)胞用赤霉素處理可使Ca2+濃度升高，促進(jìn)PCD，而脫落酸（ABA）可引起糊粉層細(xì)胞中的Ca2+濃度降低，表現(xiàn)出與赤霉素相反的調(diào)控，從而延緩細(xì)胞PCD的過(guò)程。生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素參與了木質(zhì)部細(xì)胞的分化和脫分化。有關(guān)葉片衰老過(guò)程中激素變化的研究表明，超量的細(xì)胞分裂素明顯抑制葉片細(xì)胞凋亡，葉片衰老時(shí)細(xì)胞激動(dòng)素水平下降，外施細(xì)胞激動(dòng)素可延緩衰老[16]。而高濃度的細(xì)胞分裂素可引起大量的棉花懸浮細(xì)胞產(chǎn)生PCD。

乙烯亦可影響植物細(xì)胞DNA的片段化。乙烯處理可誘導(dǎo)小麥和玉米胚乳提前發(fā)生PCD，而使用抑制乙烯合成的物質(zhì)，如AVG（氨基氧乙烯）處理，可使胚乳PCD明顯推遲。在玉米ABA缺陷突變體中，ABA合成被打亂，突變體胚乳中乙烯含量明顯增加且PCD發(fā)生的時(shí)間早于野生型；但用ABA抑制劑處理野生型后，野生型胚乳細(xì)胞中乙烯含量開(kāi)始增加且PCD的發(fā)生時(shí)間提前。玉米和小麥等作物中，胚乳細(xì)胞PCD的調(diào)控可能依賴于ABA和乙烯之間的平衡[17]。

24 PCD相關(guān)蛋白

阿拉伯半乳糖蛋白（AGPs）是普遍存在于植物體內(nèi)的富含羥脯氨酸的蛋白家族。研究發(fā)現(xiàn)，在即將發(fā)生不均勻分裂的胡蘿卜細(xì)胞表面存在一個(gè)特異的AGP，它可控制不均等分裂，其中一個(gè)子細(xì)胞進(jìn)入胚胎發(fā)生過(guò)程，另一個(gè)則注定凋亡。在玉米導(dǎo)管發(fā)育中，AGPs常位于次生壁加厚的細(xì)胞上，該細(xì)胞隨后定將發(fā)生PCD，表明AGPs能夠標(biāo)記將要發(fā)生PCD的細(xì)胞。以AGPs處理擬南芥離體細(xì)胞可引起PCD的結(jié)果表明，AGPs不僅具有標(biāo)記作用，還是PCD的調(diào)控因子[18]。Schindler等（1995）[19]在研究玉米胚芽鞘中的AGPs時(shí)發(fā)現(xiàn)，AGPs是木質(zhì)部分化中死亡程序啟動(dòng)的標(biāo)志，推測(cè)AGPs具有促使細(xì)胞壁松弛的作用，可能破壞細(xì)胞基質(zhì)間的相互作用，從而誘導(dǎo)分化為導(dǎo)管分子。

關(guān)于酸性磷酸酶和ATPase在木質(zhì)部分子分化和珠心細(xì)胞衰退中超微細(xì)胞化學(xué)定位說(shuō)明，酸性磷酸酶和ATPase參與了PCD過(guò)程。細(xì)胞核上的酸性磷酸酶被認(rèn)為是非溶酶體酸性磷酸酶，可參與細(xì)胞核中的核蛋白的脫磷酸化，進(jìn)而影響基因轉(zhuǎn)錄的種類和數(shù)量。

半胱氨酸蛋白酶和核酸內(nèi)切酶在植物PCD中起到了重要作用。在百日菊葉肉細(xì)胞分化形成導(dǎo)管分子過(guò)程中，半胱氨酸蛋白酶參與降解細(xì)胞質(zhì)內(nèi)含物的活動(dòng)。Young等（1999）[17]報(bào)道，小麥胚內(nèi)的核酸酶活性比胚乳中核酸酶活性高5～10倍，胚乳中核酸酶活性從開(kāi)花后12～30天持續(xù)上升，核酸酶活性變化趨勢(shì)與胚乳細(xì)胞的死亡進(jìn)程一致。胚乳中RNA和DNA的含量在花后20天左右達(dá)到最高峰，此后迅速下降，而胚中的DNA、RNA含量緩慢上升，說(shuō)明胚乳中核酸酶參加了胚乳中的PCD。核酸內(nèi)切酶是與植物DNA降解有關(guān)的一種重要的核酸酶類，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)至少有兩種分子量分別為18 kDa和30 kDa的核酸內(nèi)切酶參與了動(dòng)物細(xì)胞凋亡過(guò)程。在TMV誘導(dǎo)的植物細(xì)胞PCD中，也已發(fā)現(xiàn)了幾種植物核酸內(nèi)切酶的活化。如在南瓜種子中分離到一種分子量為22 kDa的核酸內(nèi)切酶，這種酶對(duì)變性DNA的水解特異活性比對(duì)天然DNA高15倍，對(duì)RNA則沒(méi)有活性[20]。

還有一些蛋白與PCD密切相關(guān)。絲氨酸蛋白酶參與器官衰老和導(dǎo)管分子的分化，內(nèi)源木聚糖酶與發(fā)芽時(shí)大麥糊粉層的PCD有關(guān)，DNase參與花瓣衰老過(guò)程。P47蛋白激酶可能是煙草細(xì)胞發(fā)生超敏反應(yīng)的一個(gè)信號(hào)分子[21]。百日菊導(dǎo)管分子分化過(guò)程中有果膠裂解酶的產(chǎn)生，可參與細(xì)胞壁成分的降解。細(xì)胞色素c已被證實(shí)能誘導(dǎo)植物細(xì)胞的程序性死亡[22]。珠心細(xì)胞解體時(shí)伴隨有大量蛋白水解酶的產(chǎn)生。

25 PCD相關(guān)基因

DAD1基因是倉(cāng)鼠基因組中對(duì)細(xì)胞生存十分重要的一個(gè)基因，具有保護(hù)倉(cāng)鼠免于PCD的能力，現(xiàn)已在玉米、水稻和擬南芥中發(fā)現(xiàn)了抗細(xì)胞凋亡因子（DAD1）的同源基因。擬南芥中胚柄細(xì)胞的PCD與sus基因和雙胚突變體（twn）基因有關(guān)，sus基因的突變體可干擾胚胎形態(tài)發(fā)生并形成不正常的大胚柄，而twn基因則有可能在胚細(xì)胞中編碼能抑制胚柄發(fā)育的信號(hào)物質(zhì)，促使胚柄細(xì)胞發(fā)生PCD[23]。玉米、大麥、擬南芥中發(fā)現(xiàn)了R基因，擬南芥中的R基因突變株可以在沒(méi)有病原體侵染的情況下自發(fā)形成病斑，并表現(xiàn)出典型的超敏反應(yīng)癥狀，包括細(xì)胞壁的自發(fā)熒光、抗病力增強(qiáng)，推測(cè)R基因可能參與超敏反應(yīng)PCD的負(fù)調(diào)控，R基因編碼的蛋白可能參與保持細(xì)胞內(nèi)ROS的平衡[20]。玉米中與性器官原基退化有關(guān)的Ts2基因已被克隆，該基因的野生型（Ts2）能保證雄穗中的雌性器官原基正常退化，而其突變型（ts2）則導(dǎo)致雄穗的雌性化。對(duì)該基因產(chǎn)物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)它編碼一種類似于類固醇還原酶的蛋白質(zhì)，推測(cè)它可能作為信號(hào)分子誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。參 考 文 獻(xiàn)：

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