植物细胞程序性死亡调控机制的研究进展

刘延忠　王利民　李昶　黎香兰　王富军　阮怀军

摘 要：植物细胞程序性死亡（PCD）受活性氧、Ca2+、激素、基因等多方面影响。充分理解PCD的生物学意义和精确调控PCD进程的速度，有助于改变植物尤其是作物生长发育进程中某一阶段的发育速度，对于作物促壮抗衰有着非常积极的意义。

关键词：细胞程序性死亡；活性氧；Ca2+；激素；基因

中图分类号：Q946 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2012）11-0058-04

细胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）是细胞在内外界刺激的作用下由基因调控的主动连续的自杀过程。这一概念最初由Gluchsman于1951年在研究两栖类动物的变态现象时提出，1972年Kerr等将其命名为apoptosis（细胞凋亡）。动物PCD的研究取得了重要进展。PCD在动物的生长发育中，特别是在维持细胞和组织的平衡、特化、形态建成与防病抗病过程中发挥重要作用。植物PCD的研究起步较晚，1994年始见这方面的论文，随后这方面的研究逐年增加，但多集中于病原体引起的PCD。目前，植物PCD已成为植物学研究的一个热点，近年来的研究表明，PCD作为一种普遍的生命现象，不仅在植物正常生长发育中发挥着重要作用，而且在植物抵御不良环境中具有重要的意义。

1 植物细胞程序性死亡的一般特征

植物PCD与动物PCD有许多相似的特征。在形态上，发生PCD的细胞先以细胞质和细胞核浓缩、染色质边缘化为特征，随后由膜包被DNA片段而形成凋亡小体。在生化上，PCD与信号传导有关，信号分子可能是蛋白质、激素、过氧化物、无机离子等化学成分，发生PCD的细胞表现为被诱导产生核酸内切酶，核DNA从核小体间降解断裂，产生带有3′-OH端的、大小不同的寡聚核小体片段，在凝胶电泳上可以见到以140 bp倍增的“梯形”DNA条带（DNA ladder），DNA的片段化被认为是动植物PCD的“真质标记”。在遗传上，植物PCD与动物的细胞凋亡同样受到基因有序活动的控制，需要特定基因的转录和蛋白质合成，并可被特定基因表达所抑制。只是凋亡细胞的最后命运在动植物中有所不同，动物细胞凋亡后很快被临近细胞或巨噬细胞吞噬降解，以防有害的细胞内含物泄漏引起周围细胞受损；植物细胞死亡后并不被邻近细胞吞噬，在有些情况下（例如木质部导管）反而成为植物体细胞的重要组成部分。

2 植物细胞程序性死亡的调控机制

目前动物细胞凋亡调控机制和凋亡基因的研究较为深入，而植物PCD调控机制的研究则远远落后。尽管线粒体调控动物细胞凋亡的机制在植物细胞中尚待证实，但许多研究表明与动物细胞凋亡类似，很多信号分子均可参与植物PCD并起一定作用。

21 活性氧

活性氧（ROS）是一类具有强氧化力、能持续进行反应的物质，包括超氧化物、过氧化氢、羟基自由基等。线粒体是产生ROS的主要部位[1]。ROS既可通过电子传递过程产生，也可通过代谢产生。当出现环境胁迫时，ROS的产生与清除失去平衡，产生氧胁迫，过量的ROS与细胞内生物大分子反应，导致DNA、蛋白质的损伤和膜脂的过氧化[2]。Angelika等（2001）[3]研究发现，GA诱导糊粉层细胞PCD与其降低ROS清除能力有关，ABA延缓PCD则与保持ROS清除能力相联系。这与线粒体基质和细胞质中超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（CAT）可清除ROS，从而起到重要的防御作用[4]相一致。已知动物细胞中ROS持续积累可引起细胞内环境状态的显著改变，如胞内Ca2+浓度上升、ATP下降和膨大线粒体的形成等，ROS上升到一定高度，将激活线粒体上非特异的通透性孔道（PTP）开放，过高的ROS持续积累导致PTP的持续开放将引发细胞凋亡[5]。

植物细胞中ROS被认为也参与了PCD[6]。对停止固氮后大豆根的研究发现，随着根的生长和衰老，CP基因表达增强，ROS大量积累。Alesand-rini等（2003）[7]发现在百日菊的叶肉细胞被诱导分化成导管时，在NADPH氧化还原酶作用下产生了大量的ROS。叶片衰老过程中，CAT活性下降，而产生ROS的酶——尿酸氧化酶和黄嘌呤氧化酶得到激发，ROS升高[8]。在病原体引发的超敏反应（HR）中，CAT活性受到抑制，ROS升高，而缺氧条件却抑制了超敏反应中的细胞死亡。在镉诱导的茶树苗的PCD过程中，茶苗受镉胁迫初期，细胞中CAT和SOD活性上升，随着镉胁迫的持续，两酶活性均大幅度下降，而ROS则持续地上升[9]。但是植物细胞中ROS怎样影响PCD并不十分清楚。

22 Ca2+

Ca2+在细胞内以结合态和游离态存在，主要分布于细胞核、内质网、线粒体、质膜和胞质中。Jones（2002）[10]发现在管状分子分化过程中，线粒体释放细胞色素C到细胞质中，而且Ca2+也诱导细胞色素的释放，这和管状分子分化时需要Ca2+的结论是一致的。

胞质Ca2+浓度过高，会对细胞有害[11]。He等（1996）[12]在研究玉米根细胞的PCD时发现，Ca2+螯合剂可阻止无氧条件下的玉米根细胞的PCD，相反，提高胞质内Ca2+浓度水平的化学试剂却能诱导PCD。花瓣衰老过程中Ca2+可促进RNase和DNase的活性，从而引发PCD[13]。细胞内Ca2+浓度升高可诱导PCD，Ca2+浓度降低也能引发PCD。用Ca2+螯合剂处理NS-1鼠骨髓瘤细胞系，发现细胞内Ca2+浓度和整个细胞内钙的含量都下降，结果引起了细胞凋亡。细胞内Ca2+浓度降低能导致细胞凋亡，是因为Ca2+浓度降低能抑制DNA和蛋白质的合成，增加细胞内能量的需求和影响许多Ca2+依赖性的细胞活动以及基因表达的变化。

Ca2+影响染色质与DNA的结构，是由Ca2+先促使染色质与DNA展开，便于核酸内切酶贴近活动，Ca2+依赖性的核酸内切酶再直接参与染色质和DNA的降解，从而引发细胞凋亡。对胚囊细胞中Ca2+分布的研究表明助细胞是胚囊中Ca2+分布最多的部位，助细胞死亡并将Ca2+释放到胞外基质，Ca2+的再分布可能启动了它本身的PCD过程[14]。

动物细胞中，胞质Ca2+还可通过诱导线粒体PTP的开放，引发细胞的凋亡[15]。此外，核Ca2+也在动物细胞凋亡中发挥了重要作用，钙蛋白酶可裂解核纤层蛋白，促进染色体裂解，在DNA片段化之前钙蛋白酶活性上升，但只有在核Ca2+的存在下钙蛋白酶才具有活性。植物细胞中Ca2+的作用还需进一步研究。

23 激素

许多激素可参与植物细胞PCD的调控。如糊粉层细胞用赤霉素处理可使Ca2+浓度升高，促进PCD，而脱落酸（ABA）可引起糊粉层细胞中的Ca2+浓度降低，表现出与赤霉素相反的调控，从而延缓细胞PCD的过程。生长素和细胞分裂素参与了木质部细胞的分化和脱分化。有关叶片衰老过程中激素变化的研究表明，超量的细胞分裂素明显抑制叶片细胞凋亡，叶片衰老时细胞激动素水平下降，外施细胞激动素可延缓衰老[16]。而高浓度的细胞分裂素可引起大量的棉花悬浮细胞产生PCD。

乙烯亦可影响植物细胞DNA的片段化。乙烯处理可诱导小麦和玉米胚乳提前发生PCD，而使用抑制乙烯合成的物质，如AVG（氨基氧乙烯）处理，可使胚乳PCD明显推迟。在玉米ABA缺陷突变体中，ABA合成被打乱，突变体胚乳中乙烯含量明显增加且PCD发生的时间早于野生型；但用ABA抑制剂处理野生型后，野生型胚乳细胞中乙烯含量开始增加且PCD的发生时间提前。玉米和小麦等作物中，胚乳细胞PCD的调控可能依赖于ABA和乙烯之间的平衡[17]。

24 PCD相关蛋白

阿拉伯半乳糖蛋白（AGPs）是普遍存在于植物体内的富含羟脯氨酸的蛋白家族。研究发现，在即将发生不均匀分裂的胡萝卜细胞表面存在一个特异的AGP，它可控制不均等分裂，其中一个子细胞进入胚胎发生过程，另一个则注定凋亡。在玉米导管发育中，AGPs常位于次生壁加厚的细胞上，该细胞随后定将发生PCD，表明AGPs能够标记将要发生PCD的细胞。以AGPs处理拟南芥离体细胞可引起PCD的结果表明，AGPs不仅具有标记作用，还是PCD的调控因子[18]。Schindler等（1995）[19]在研究玉米胚芽鞘中的AGPs时发现，AGPs是木质部分化中死亡程序启动的标志，推测AGPs具有促使细胞壁松弛的作用，可能破坏细胞基质间的相互作用，从而诱导分化为导管分子。

关于酸性磷酸酶和ATPase在木质部分子分化和珠心细胞衰退中超微细胞化学定位说明，酸性磷酸酶和ATPase参与了PCD过程。细胞核上的酸性磷酸酶被认为是非溶酶体酸性磷酸酶，可参与细胞核中的核蛋白的脱磷酸化，进而影响基因转录的种类和数量。

半胱氨酸蛋白酶和核酸内切酶在植物PCD中起到了重要作用。在百日菊叶肉细胞分化形成导管分子过程中，半胱氨酸蛋白酶参与降解细胞质内含物的活动。Young等（1999）[17]报道，小麦胚内的核酸酶活性比胚乳中核酸酶活性高5～10倍，胚乳中核酸酶活性从开花后12～30天持续上升，核酸酶活性变化趋势与胚乳细胞的死亡进程一致。胚乳中RNA和DNA的含量在花后20天左右达到最高峰，此后迅速下降，而胚中的DNA、RNA含量缓慢上升，说明胚乳中核酸酶参加了胚乳中的PCD。核酸内切酶是与植物DNA降解有关的一种重要的核酸酶类，现已发现至少有两种分子量分别为18 kDa和30 kDa的核酸内切酶参与了动物细胞凋亡过程。在TMV诱导的植物细胞PCD中，也已发现了几种植物核酸内切酶的活化。如在南瓜种子中分离到一种分子量为22 kDa的核酸内切酶，这种酶对变性DNA的水解特异活性比对天然DNA高15倍，对RNA则没有活性[20]。

还有一些蛋白与PCD密切相关。丝氨酸蛋白酶参与器官衰老和导管分子的分化，内源木聚糖酶与发芽时大麦糊粉层的PCD有关，DNase参与花瓣衰老过程。P47蛋白激酶可能是烟草细胞发生超敏反应的一个信号分子[21]。百日菊导管分子分化过程中有果胶裂解酶的产生，可参与细胞壁成分的降解。细胞色素c已被证实能诱导植物细胞的程序性死亡[22]。珠心细胞解体时伴随有大量蛋白水解酶的产生。

25 PCD相关基因

DAD1基因是仓鼠基因组中对细胞生存十分重要的一个基因，具有保护仓鼠免于PCD的能力，现已在玉米、水稻和拟南芥中发现了抗细胞凋亡因子（DAD1）的同源基因。拟南芥中胚柄细胞的PCD与sus基因和双胚突变体（twn）基因有关，sus基因的突变体可干扰胚胎形态发生并形成不正常的大胚柄，而twn基因则有可能在胚细胞中编码能抑制胚柄发育的信号物质，促使胚柄细胞发生PCD[23]。玉米、大麦、拟南芥中发现了R基因，拟南芥中的R基因突变株可以在没有病原体侵染的情况下自发形成病斑，并表现出典型的超敏反应症状，包括细胞壁的自发荧光、抗病力增强，推测R基因可能参与超敏反应PCD的负调控，R基因编码的蛋白可能参与保持细胞内ROS的平衡[20]。玉米中与性器官原基退化有关的Ts2基因已被克隆，该基因的野生型（Ts2）能保证雄穗中的雌性器官原基正常退化，而其突变型（ts2）则导致雄穗的雌性化。对该基因产物进行分析，发现它编码一种类似于类固醇还原酶的蛋白质，推测它可能作为信号分子诱导细胞死亡。参 考 文 献：

[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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