植物細胞編程性死亡（PCD）的研究進展

摘 要：細胞編程性死亡（PCD）是一種由自身基因控制的、主動的細胞死亡過程，存在于植物發(fā)育的各階段，在植物正常生長發(fā)育過程中起著重要作用。隨著分子生物學的發(fā)展，近年來對其發(fā)生的分子機制也進行了廣泛的研究。本文就植物PCD發(fā)生的特征、檢測手段以及調(diào)控機制進行了概述，并進行了進一步的展望。

關鍵詞：植物；細胞程序性死亡；調(diào)控機制

細胞死亡是生物體的一種常見現(xiàn)象。一般來講，細胞死亡可分為兩種類型：細胞壞死和細胞程序化死亡。細胞壞死是細胞在遭受極度刺激時引起的細胞死亡，以原生質(zhì)膜的破裂為特征，造成細胞內(nèi)含物的炎性泄露，是一種非正常死亡。程序性死亡或細胞凋亡是多細胞生物體中一些細胞所采取的一種由自身基因調(diào)控的主動死亡方式。

l植物PCD發(fā)生的一般特征

1.1形態(tài)學上的特征

發(fā)生PCD或凋亡的細胞有其獨特的形態(tài)學特征。近年來，植物學家從超微結構、組織化學、細胞化學、生物化學以及分子生物學等方面對植物PCD現(xiàn)象進行了研究.發(fā)現(xiàn)植物與動物PCD有著許多相似的特征。植物與動物細胞PCD有許多相似的特征，包括細胞形態(tài)和DAN降解變化等。形態(tài)學上典型的細胞程序性死亡的形態(tài)學變化過程是：早期細胞之間的鏈接消失，細胞體出現(xiàn)收縮，胞漿密度加大，細胞器完整但緊密壓縮，核濃縮，染色質(zhì)分布于核膜邊緣，隨后由膜包圍DNA片段而形成凋亡小體。

1.2在生物化學上的特征

（1）最明顯的特征是半胱氨酰天冬氨酸蛋白酶的出現(xiàn)和核酸內(nèi)切酶活性增加，使染色質(zhì)降解，核DNA從核小體間降解斷裂分為兩個階段：第一階段核DNA從核小體間降解斷裂成較大片段的染色質(zhì)DNA片段。第二階段，斷裂的染色質(zhì)DNA片段被依賴Ca、Mg的DNA酶I水解產(chǎn)生帶有3‘-OH末端的、大小不同的寡聚核小體片段，其片段大小為180-200bp的整倍數(shù)，其中，DNA片段化被認為是最主要的凋亡特征，在含溴化乙錠的瓊脂糖凝膠上呈典型的“梯形”DNA條帶。

（2）PCD過程中生物大分子的合成，因為這一過程可被放線菌素D抑制，與DNA形成復合體，抑制RNA多聚酶的功能，抑制特別是mRNA的合成，因此可能有新的蛋白質(zhì)合成。

（3）細胞中的離子也發(fā)生變化，特別是Ca離子，如果細胞內(nèi)Ca增加，打開了Ca通道，就開始了凋亡過程。而Zn是核酸酶的抑制劑，所以它能阻止凋亡過程。

（4）細胞骨架的變化是PCD的又一特征，去掉細胞的微管可以導致凋亡的發(fā)生。

2 PCD發(fā)生過程

細胞一旦進入PCD，通常要經(jīng)過以下過程：

（1）染色質(zhì)濃縮前階段，此階段長短不一，無形態(tài)學變化，谷氨酰胺轉移酶合成增加，某些蛋白酶被激活

（2）染色質(zhì)開始濃縮，并分布在核膜周圍（邊緣化），一些依賴于Ca、Mg的核酸內(nèi)切酶被激活，使染色質(zhì)斷裂成片段。

（3）染色質(zhì)濃縮，細胞膜形成膜泡，膜中糖蛋白的組成發(fā)生很大變化。

（4）膜泡形成凋亡小體，并通過特異識別蛋白被周圍細胞或巨嗜細胞吞噬，然后被溶酶體分解。

3植物PCD的檢測方法

3.1細胞形態(tài)法觀察植物PCD

3.1.1光學顯微鏡觀察

PCD細胞形態(tài)特征，如細胞體積縮小，核質(zhì)濃縮聚集，形成凋亡小體等。但一般只能作細胞PCD的推測，不具有診斷價值，因為在光鏡下某些類型的細胞壞死與細胞凋亡的形態(tài)相似。

3.1.2電子顯微鏡

PCD細胞體積變小，細胞質(zhì)濃縮。凋亡I期的細胞核內(nèi)染色質(zhì)高度盤繞，出現(xiàn)許多稱為氣穴現(xiàn)象的空泡結構；II期細胞核的染色質(zhì)高度凝聚、邊緣化、呈半月狀；細胞凋亡的晚期，細胞核裂解為碎塊，產(chǎn)生凋亡小體。電鏡超微結構的觀察是診斷細胞PCD的指標，尤其是凋亡小體的發(fā)現(xiàn)。但電鏡只能定性而無法定量，而且觀察到凋亡小體的機率也不高。

3.2用生理生化及分子生物學方法檢測植物PCD

3.2.1 DNA梯狀條帶

PCD時基因組DNA可斷裂成長度為180～200bp倍數(shù)的梯狀條帶，這是一種專一的核酸內(nèi)切酶作用于核小體間降解DNA的結果。DNA梯狀條帶的存在與否是區(qū)分PCD與壞死的標準之一。對于壞死細胞的DNA而言，基因組DNA的降解隨機發(fā)生，在電泳膠上只能檢測到連續(xù)分布的DNA條帶。PEG6000誘導的小麥葉片、羥自由基誘導的煙草細胞、細胞色素c誘導的胡蘿卜和煙草原生質(zhì)體和乙烯誘導的胡蘿卜原生質(zhì)體發(fā)生PCD時均檢測到DNA梯狀條帶。但并非所有進行PCD的細胞都能產(chǎn)生DNA特異片段，有時基因組DNA可降解成50kb左右的片段。但大多數(shù)情況下在PCD組織中不能檢測到這種DNA特異條帶是由于樣品中PCD細胞的比例較低。有些研究者應用Southem雜交檢測DNA特異片段，取得良好結果。

3.2.2原位末端標記

其原理是核DNA斷裂產(chǎn)生的3——OH末端，通過DNA末端轉移酶將帶標記的dUT間接或者直接連到斷裂產(chǎn)生的3——OH末端，再通過熒光檢測定量分析結果。

3.2.3彗星電泳法

這種方法也叫單細胞凝膠電泳。將單個細胞懸浮于瓊脂糖凝膠中，經(jīng)裂解處理后，在電場中進行短時間電泳，在用熒光染料染色進行觀察。發(fā)生PCD時細胞中形成降解的DNA片段，在電場中泳動的速度較快，使細胞核呈現(xiàn)彗星狀圖案，而正常的未發(fā)生DNA斷裂的核在電泳時保持球形，這也是一種簡便的PCD檢測方法。

4植物PCD的分子調(diào)控機制

根據(jù)作用原理不同可將植物的PCD的分子調(diào)控機制分為基因調(diào)控、蛋白調(diào)控和信號調(diào)控。

4.1基因調(diào)控

基因調(diào)控是PCD調(diào)控的核心內(nèi)容，目前已經(jīng)找到了一些與植物PCD相關的基因。擬南芥中發(fā)現(xiàn)的SUS1、SUS2、SUS3與胚柄細胞的PCD相關，如果這些基因發(fā)生隱性突變胚柄細胞的PCD將不再發(fā)生，從而形成一個大胚柄，破壞了胚的正常形態(tài)。Ts2基因參與了玉米原始雌蕊細胞群的PCD，如這個基因發(fā)生突變，會導致雌蕊原基細胞不能正常死亡，導致雄蕊雌性化。近來有研究表明水稻中的OsTDR基因通過調(diào)控與細胞降解相關的基因OsC6和OsCP1，來實現(xiàn)對水稻花粉絨氈層細胞的PCD進行正調(diào)控。

4.2蛋白調(diào)控

最近研究表明液泡加工酶、Metacapspase和Saspase在植物PCD過程中起到類似動物Caspase酶類調(diào)控的作用。VPE是由HaraNishimura等1991年從蓖麻液泡中純化出的半胱氨酸蛋白酶，表現(xiàn)出與Caspase酶類似的活性，通過激活細胞液泡的調(diào)控系統(tǒng)調(diào)控PCD，使液泡崩解，是植物PCD的執(zhí)行者。Saspase是一種在燕麥中發(fā)現(xiàn)的以絲氨酸為反應位點的類Caspase酶，可以水解多種Caspase酶的特異性底物。

4.3信號調(diào)控

研究表明，活性氧參與植物PCD的調(diào)控，低劑量ROS即可觸發(fā)植物PCD是ROS調(diào)控PCD的直接證據(jù)。ROS參與PCD的最直接證據(jù)是低劑量的ROS可以誘導PCD。在植物組織中各種逆境包括衰老、冷害、滲透脅迫、低氧、紫外輻射、臭氧和HR導致的PCD最終都于ROS的產(chǎn)生有關 ， 02-是引發(fā)細胞PCD的關鍵性活性氧，其在細胞PCD之前和PCD區(qū)域的周圍細胞中大量積累。02一在細胞PCD之前先在某一位點積累，隨后向相鄰的活細胞擴散，引起周邊HR細胞損傷。上述結果表明02一在誘導細胞PCD過程中起著重要作用。

5 PCD研究的意義和展望

植物PCD是在植物發(fā)育的特定階段發(fā)生的、自然的細胞死亡過程，這一過程由某些特定基因編碼的程序所控制，它對于維持植物的正常生長發(fā)育至關重要。盡管目前對植物細胞凋亡和生存的機制所知甚少，但人們逐漸認識到PCD是植物生長發(fā)育的一個基本組成部分。大量的研究結果證明，植物體的各部分，如根、莖、葉、花、果等的死亡，注定會在生活史的特定階段發(fā)生、特定位置、特定時間發(fā)生死亡，這對植物體有著重要的生物學意義。因此，闡明細胞凋亡的分子機制，探討細胞凋亡與衰老、病原物等間的關系，將是今后重點研究工作之一。

參考文獻：

[1]夏啟中，等.與植物超敏反應（HR）相關的細胞編程性死亡陰.華中農(nóng)業(yè)大學學報2005，24（1）：97—103.

[2]Chae H S，Lee W S，2001.Ethylene and enzyme-mediated superoxide production and cell death in carrot cells grown under carbon starvation.Plant Cell Report，20：256-261.

[3]Cmnawardena A.H L，Pearce D M.，Jackson M.B.，Hawes C.R，and Evans D.E.2001， Charactedzation of programmed cell death During aerenchyma formation induced by ethylene or hypoxia in roots of maize（Zea mays L .） Planta，212：205-214.

作者簡介：

杜秋麗（1986—），女，漢族，山東菏澤，助教，碩士研究生，研究方向：生物化學與分子生物學。

（作者單位：濟南大學泉城學院）