植物細胞程序性死亡調控機制的研究進展

劉延忠　王利民　李昶　黎香蘭　王富軍　阮懷軍

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

關鍵詞：細胞程序性死亡；活性氧；Ca2+；激素；基因

中圖分類號：Q946 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2012）11-0058-04

細胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）是細胞在內外界刺激的作用下由基因調控的主動連續的自殺過程。這一概念最初由Gluchsman于1951年在研究兩棲類動物的變態現象時提出，1972年Kerr等將其命名為apoptosis（細胞凋亡）。動物PCD的研究取得了重要進展。PCD在動物的生長發育中，特別是在維持細胞和組織的平衡、特化、形態建成與防病抗病過程中發揮重要作用。植物PCD的研究起步較晚，1994年始見這方面的論文，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已成為植物學研究的一個熱點，近年來的研究表明，PCD作為一種普遍的生命現象，不僅在植物正常生長發育中發揮著重要作用，而且在植物抵御不良環境中具有重要的意義。

1 植物細胞程序性死亡的一般特征

植物PCD與動物PCD有許多相似的特征。在形態上，發生PCD的細胞先以細胞質和細胞核濃縮、染色質邊緣化為特征，隨后由膜包被DNA片段而形成凋亡小體。在生化上，PCD與信號傳導有關，信號分子可能是蛋白質、激素、過氧化物、無機離子等化學成分，發生PCD的細胞表現為被誘導產生核酸內切酶，核DNA從核小體間降解斷裂，產生帶有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到以140 bp倍增的“梯形”DNA條帶（DNA ladder），DNA的片段化被認為是動植物PCD的“真質標記”。在遺傳上，植物PCD與動物的細胞凋亡同樣受到基因有序活動的控制，需要特定基因的轉錄和蛋白質合成，并可被特定基因表達所抑制。只是凋亡細胞的最后命運在動植物中有所不同，動物細胞凋亡后很快被臨近細胞或巨噬細胞吞噬降解，以防有害的細胞內含物泄漏引起周圍細胞受損；植物細胞死亡后并不被鄰近細胞吞噬，在有些情況下（例如木質部導管）反而成為植物體細胞的重要組成部分。

2 植物細胞程序性死亡的調控機制

目前動物細胞凋亡調控機制和凋亡基因的研究較為深入，而植物PCD調控機制的研究則遠遠落后。盡管線粒體調控動物細胞凋亡的機制在植物細胞中尚待證實，但許多研究表明與動物細胞凋亡類似，很多信號分子均可參與植物PCD并起一定作用。

21 活性氧

活性氧（ROS）是一類具有強氧化力、能持續進行反應的物質，包括超氧化物、過氧化氫、羥基自由基等。線粒體是產生ROS的主要部位[1]。ROS既可通過電子傳遞過程產生，也可通過代謝產生。當出現環境脅迫時，ROS的產生與清除失去平衡，產生氧脅迫，過量的ROS與細胞內生物大分子反應，導致DNA、蛋白質的損傷和膜脂的過氧化[2]。Angelika等（2001）[3]研究發現，GA誘導糊粉層細胞PCD與其降低ROS清除能力有關，ABA延緩PCD則與保持ROS清除能力相聯系。這與線粒體基質和細胞質中超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（CAT）可清除ROS，從而起到重要的防御作用[4]相一致。已知動物細胞中ROS持續積累可引起細胞內環境狀態的顯著改變，如胞內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）開放，過高的ROS持續積累導致PTP的持續開放將引發細胞凋亡[5]。

植物細胞中ROS被認為也參與了PCD[6]。對停止固氮后大豆根的研究發現，隨著根的生長和衰老，CP基因表達增強，ROS大量積累。Alesand-rini等（2003）[7]發現在百日菊的葉肉細胞被誘導分化成導管時，在NADPH氧化還原酶作用下產生了大量的ROS。葉片衰老過程中，CAT活性下降，而產生ROS的酶——尿酸氧化酶和黃嘌呤氧化酶得到激發，ROS升高[8]。在病原體引發的超敏反應（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中的細胞死亡。在鎘誘導的茶樹苗的PCD過程中，茶苗受鎘脅迫初期，細胞中CAT和SOD活性上升，隨著鎘脅迫的持續，兩酶活性均大幅度下降，而ROS則持續地上升[9]。但是植物細胞中ROS怎樣影響PCD并不十分清楚。

22 Ca2+

Ca2+在細胞內以結合態和游離態存在，主要分布于細胞核、內質網、線粒體、質膜和胞質中。Jones（2002）[10]發現在管狀分子分化過程中，線粒體釋放細胞色素C到細胞質中，而且Ca2+也誘導細胞色素的釋放，這和管狀分子分化時需要Ca2+的結論是一致的。

胞質Ca2+濃度過高，會對細胞有害[11]。He等（1996）[12]在研究玉米根細胞的PCD時發現，Ca2+螯合劑可阻止無氧條件下的玉米根細胞的PCD，相反，提高胞質內Ca2+濃度水平的化學試劑卻能誘導PCD?；ò晁ダ线^程中Ca2+可促進RNase和DNase的活性，從而引發PCD[13]。細胞內Ca2+濃度升高可誘導PCD，Ca2+濃度降低也能引發PCD。用Ca2+螯合劑處理NS-1鼠骨髓瘤細胞系，發現細胞內Ca2+濃度和整個細胞內鈣的含量都下降，結果引起了細胞凋亡。細胞內Ca2+濃度降低能導致細胞凋亡，是因為Ca2+濃度降低能抑制DNA和蛋白質的合成，增加細胞內能量的需求和影響許多Ca2+依賴性的細胞活動以及基因表達的變化。

Ca2+影響染色質與DNA的結構，是由Ca2+先促使染色質與DNA展開，便于核酸內切酶貼近活動，Ca2+依賴性的核酸內切酶再直接參與染色質和DNA的降解，從而引發細胞凋亡。對胚囊細胞中Ca2+分布的研究表明助細胞是胚囊中Ca2+分布最多的部位，助細胞死亡并將Ca2+釋放到胞外基質，Ca2+的再分布可能啟動了它本身的PCD過程[14]。

動物細胞中，胞質Ca2+還可通過誘導線粒體PTP的開放，引發細胞的凋亡[15]。此外，核Ca2+也在動物細胞凋亡中發揮了重要作用，鈣蛋白酶可裂解核纖層蛋白，促進染色體裂解，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。植物細胞中Ca2+的作用還需進一步研究。

23 激素

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

乙烯亦可影響植物細胞DNA的片段化。乙烯處理可誘導小麥和玉米胚乳提前發生PCD，而使用抑制乙烯合成的物質，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發生的時間早于野生型；但用ABA抑制劑處理野生型后，野生型胚乳細胞中乙烯含量開始增加且PCD的發生時間提前。玉米和小麥等作物中，胚乳細胞PCD的調控可能依賴于ABA和乙烯之間的平衡[17]。

24 PCD相關蛋白

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

關于酸性磷酸酶和ATPase在木質部分子分化和珠心細胞衰退中超微細胞化學定位說明，酸性磷酸酶和ATPase參與了PCD過程。細胞核上的酸性磷酸酶被認為是非溶酶體酸性磷酸酶，可參與細胞核中的核蛋白的脫磷酸化，進而影響基因轉錄的種類和數量。

半胱氨酸蛋白酶和核酸內切酶在植物PCD中起到了重要作用。在百日菊葉肉細胞分化形成導管分子過程中，半胱氨酸蛋白酶參與降解細胞質內含物的活動。Young等（1999）[17]報道，小麥胚內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花后12～30天持續上升，核酸酶活性變化趨勢與胚乳細胞的死亡進程一致。胚乳中RNA和DNA的含量在花后20天左右達到最高峰，此后迅速下降，而胚中的DNA、RNA含量緩慢上升，說明胚乳中核酸酶參加了胚乳中的PCD。核酸內切酶是與植物DNA降解有關的一種重要的核酸酶類，現已發現至少有兩種分子量分別為18 kDa和30 kDa的核酸內切酶參與了動物細胞凋亡過程。在TMV誘導的植物細胞PCD中，也已發現了幾種植物核酸內切酶的活化。如在南瓜種子中分離到一種分子量為22 kDa的核酸內切酶，這種酶對變性DNA的水解特異活性比對天然DNA高15倍，對RNA則沒有活性[20]。

還有一些蛋白與PCD密切相關。絲氨酸蛋白酶參與器官衰老和導管分子的分化，內源木聚糖酶與發芽時大麥糊粉層的PCD有關，DNase參與花瓣衰老過程。P47蛋白激酶可能是煙草細胞發生超敏反應的一個信號分子[21]。百日菊導管分子分化過程中有果膠裂解酶的產生，可參與細胞壁成分的降解。細胞色素c已被證實能誘導植物細胞的程序性死亡[22]。珠心細胞解體時伴隨有大量蛋白水解酶的產生。

25 PCD相關基因

DAD1基因是倉鼠基因組中對細胞生存十分重要的一個基因，具有保護倉鼠免于PCD的能力，現已在玉米、水稻和擬南芥中發現了抗細胞凋亡因子（DAD1）的同源基因。擬南芥中胚柄細胞的PCD與sus基因和雙胚突變體（twn）基因有關，sus基因的突變體可干擾胚胎形態發生并形成不正常的大胚柄，而twn基因則有可能在胚細胞中編碼能抑制胚柄發育的信號物質，促使胚柄細胞發生PCD[23]。玉米、大麥、擬南芥中發現了R基因，擬南芥中的R基因突變株可以在沒有病原體侵染的情況下自發形成病斑，并表現出典型的超敏反應癥狀，包括細胞壁的自發熒光、抗病力增強，推測R基因可能參與超敏反應PCD的負調控，R基因編碼的蛋白可能參與保持細胞內ROS的平衡[20]。玉米中與性器官原基退化有關的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）則導致雄穗的雌性化。對該基因產物進行分析，發現它編碼一種類似于類固醇還原酶的蛋白質，推測它可能作為信號分子誘導細胞死亡。參 考 文 獻：

[1] del Rio L A， Corpas F J， Sandalio L M，et al Reactive oxygen species， antioxidant system and nitric oxide in peroxisome[J]Journal of Experimental Botany，2002， 53：1255-1272

[2] Neills S J， Desikan R， Clarke A，et al Hydrogen peroxide and nitric oxide as signaling molecules in plant[J]J Exp Bot， 2002， 53：1237-1247

[3] Angelika F，Paul C，Russell L J Enzymes that scavenge reactiveoxygen species are down-regulated prior to gibberellic acid-induced programmed cell death in barley aleurone[J] Plant Physiol， 2001， 126：1156-1166

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