ABAH2O2和NO在植物细胞凋亡中的作用

杨卫民+杜京旗+赵君+闫艳华

摘 要 在特定时间和区域内细胞自主地发生凋亡或死亡现象，这是植物抵御生物和非生物胁迫的基本机制。环境信号因子，如日照、强光、UV、重度污染等环境信号分子，通过刺激胞内效应物的形成会引起果实细胞发生凋亡或死亡现象。一些信号分子，如Ca2+、H2O2、NO和ABA可能是诱导植物细胞发生凋亡的重要内在因子。但到目前为止，我们对这些诱导植物细胞凋亡因子的作用机制知之甚少。本文综述了ABA、H2O2和NO的产生、在环境胁迫下的作用以及在植物细胞凋亡中的相互作用。

关键词 ABA；ROS；RON；Ca2+；非生物胁迫；信号分子；细胞凋亡

中图分类号：R363 文献标志码：C 文章编号：1673-890X（2014）03-119-6

细胞程序性死亡（PCD）或细胞凋亡在植物体发育过程中普遍存在，是植物在外在信号或内源信号或二者协同作用下，在特定区域和特定时间发生的细胞死亡过程[1]。PCD是植物在生长发育过程中的一部分。植物通过PCD的方式来消除细胞损伤、衰老与病变细胞，PCD是维持植物代谢活动的一种生理机制，它有可能伴随植物个体的整个生命过程，也可能是植物细胞分化的最后阶段。另外，植物细胞PCD是抵御环境中非生物或生物胁迫的一种基本机制。植物细胞PCD发生机制的研究目前还处于起步阶段。一些植物激素，如脱落酸（ABA）、细胞分裂素（CT）、赤霉素（GA）和乙烯ET等激素都可能会诱导植物细胞PCD的发生，如它们诱导了纤维、管状分子、石细胞、木栓细胞等的分化。而非生物因素，如Ca2+、活性氧（ROS）和活性氮（RON）也可能是诱导植物细胞PCD发生的重要内在因子。但是，我们对这些诱导植物细胞PCD的因子以及作用机制还需要进一步探讨。

1 ABA及其信号转导与植物细胞

凋亡

细胞凋亡可能由一系列生理和应激因子引起。 细胞凋亡可能存在不同的几种信号途径，一种因子或几种因子可能激活一种或几种特定的信号途径，而特定细胞信号途径的激活可能有细胞的特异性。有可能是多种上游信号途径会在下游汇聚，以激活一个共同的能致使凋亡细胞降解的最终效应机制。植物体内光敏色素A在光周期调节ABA水平中起作用[2-3]。作为植物逆境激素，ABA介导了环境胁迫和植物抗逆反应，调控着植物生长发育以及响应环境信号，它普遍存在于高等植物中[4]。研究表明；Ca2+、ROS、RON、CaMP、cGMP、IP3是ABA诱导气孔关闭信号网络中的关键分子[5-6]。Ca2+、钙调素（CaM）、蛋白激酶（PK）、二磷酸腺苷核糖（ADPR）和cGMP等可能是ROS和NO信号途径中的下游分子，这些信号分子间可能形成了一个较为复杂的植物细胞凋亡的网络系统[7-8]。

植物激素中的GA和脱落酸ABA等参与植物PCD过程的调节。已有实验证明；水稻和大麦等种子萌发过程中一些水解酶如α-淀粉酶的活性可被GA调节，它们参与了胚乳糊粉细胞PCD的发生。GA通过调节糊粉细胞中的ROS水平启动了细胞PCD的发生，GA起到对细胞PCD的正向调控作用[9]。与此同时，ABA可抵消GA的作用，它是糊粉层细胞PCD的负调控因子。因此，ABA对GA信号介导的细胞PCD具有拮抗效应[10]。到目前为止，有关ABA信号转导的研究主要集中在通过诱导气孔关闭来调节植物水分代谢，诱导脱水耐性蛋白的表达来增强植株对水分胁迫的抗性以及ABA增强水分胁迫耐性的作用和诱导的抗氧化防护系统等诸方面。

2 ROS 是诱发植物细胞凋亡的重要内源调节因子

O3、高光照、机械损伤、干旱、UV等，这些重要的环境胁迫因子，它们都是通过诱导ROS的产生而起作用的。它们通过产生氧胁迫的刺激因子，诱导了一些保护基因，如GST1、GPX、PR1的表达，启动了一种由H2O2介导的PCD途径。H2O2在这些众多的非特异性反应中作为信号分子，很可能参与或调控了PCD信号传导过程，并同时也可能诱导植物防御基因的表达。研究显示，低浓度的ROS能诱导或激活了超抗坏血酸过氧化物酶（APX）、过氧化氢酶（CaT）、氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px） 等的表达或酶的活性；还能被如VitC、VitE、谷胱甘肽（GSH）和β-胡萝卜素等非酶抗氧化化合物所清除；而大量产生的ROS则能迅速通过R基因诱导PCD过程。

Ca2+刺激会导致体内ROS和RON的积累，ROS和RON作为蛋白激酶的上游信号分子参与调控PCD过程[11]。正常情况下，在植物细胞中，ROS的产生和清除维持着一种动态平衡，CaT、GST、线粒体交替氧化酶（AOX）、APX和SOD等负责清除细胞内的ROS[12]。外源ROS、抗氧化剂或有可能改变着ROS的水平，突变体显示ROS参与了植物PCD。一条极有可能的途径是线粒体通过程释放、产生细胞色素C，从而扰乱电子传递链产生ROS，并激活类Caspase活性[13]。

H2O2是一种氧化胁迫的一个刺激因子。H2O2可稳定地在细胞内存话较长的时间，并将它从产生位点输送到细胞的各个部位。ROS的作用位点可能存在于信号传递途径中不同的层次。既可将质膜受体上的巯基氧化或活化，还可激活或抑制信号级联反应中的一些重要酶类。如活化酪氨酸激酶和蛋白激酶C，抑制酪氨酸磷酸化酶活性，同时还可可能活化基因应答元件等。

3 RON也是诱发植物细胞凋亡的重要内源调节因子

NO是在逆境下与ROS相互作用的主要的信号分子，也是植物细胞凋亡过程中的重要內源调节因子。在植物抵抗病原菌的入侵时，在植物过敏反应过程中（HR）中，NO与H2O2的相互协调作用可得到充分体现。随着ROS的瞬间爆发，在NO合酶活性也随之增强，NO的的合成到达了高峰[14]。在植物HR反应的细胞凋亡或死亡过程中，细胞色素C从线粒体中释放到胞质的过程，并导致Caspase的信号级联的反应是由H2O2和NO引起的[15]。在生物和非生物胁迫下，植物体内H2O2和NO通过产生单线态氧或羟自由基诱导了细胞凋亡或死亡。在使用NO供体SNP时，有人发现NO影响CaT、APX和细胞色素C氧化酶（COX）等酶活性来参与和调控植物体生理代谢过程是由NO通过抑制抗氧化物酶活性来调节细胞内ROS水平的。Clark[16]等在烟草中发现，SNP使H2O2积累是通过可逆抑制CaT和APX活性实现的。GuO[17]等发现，高水平的ROS是在不能表达At-NOS1拟南芥植物体内呈现的，这表明了在一定条件下NO有抗氧化作用，可降低细胞的损伤和衰老。在生物逆境下，NO的保护作用与由NO介导的降低植物体内ROS水平是密切相关的[18]。以上事实都为NO的抗氧化作用以及NO可能直接清除ROS提供了实验支持。重要的是；有事实表明，植物体内O2-和H2O2产生的相对速率与调节NO参与的反应关系相当密切。就是说如果体内NO—O2-的平衡有利于O2-生成，NO就在与H2O2反应前就被清除了。而假如这种平衡有利于NO的进行，O2-就在它转变成为H2O2前也被清除了。NO和H2O2的协同作用可能会导致细胞发生凋亡或死亡，没有特殊的毒性的ONOO-形成是依靠NO和O2-的相互清除[19]。在百日草茎中的NO的产生的实验中，Gabaldón等[20]利用激光共聚焦扫描显微镜，他们发现，木质部和韧皮部细胞是主要产生NO的部位，NO的爆发性释放是发生在即将开始分化的木质部细胞中的。研究发现细胞内NO和亚硝基硫醇（SNO）水平对H2O2诱导的水稻叶肉细胞PCD起着很重要得作用，H2O2水平的升高将会激活硝酸还原酶（nitrate reductase）的活性，导致NO在细胞内被积累。在其突变体中发现，除去NO后叶子或悬浮细胞中的细胞死亡数量会呈现明显降低的趋势，这些都显示出了NO在H2O2诱导的细胞PCD中是一个很重要的内源调节因子[21]。另外，他人也发现，促进病原诱导的植物细胞死亡中是NO与ROS协同作用的结

果[22]。

4 Ca2+和其它分子与植物细胞凋亡的关系

Ca2+及钙调素系统可能是启动PCD阶段的关键因子。在细胞PCD发生以前，植物体内钙调素水平会出现瞬间升高，有人发现使用钙调素的类似物能有效阻止百日草细胞PCD的发生[23]。这说明了Ca2+和钙调素系统可能是启动PCD阶段的关键因子。GrOOver和JOne[24]在一个能引发细胞死亡的模型中。丝氨酸蛋白酶出现在TE的分化过程中，它降解的细胞壁中的一些蛋白产物会刺激Ca2+的产生，细胞内Ca2+浓度的升高将导致液泡破裂，从而引起细胞PCD的发生。

细胞色素C胞质内的释放与细胞凋亡的关系。细胞色素C 是电子传递链中的一个重要的电子载体。研究发现，当植物细胞凋亡发生时，线粒体的外膜被蛋白Bax穿透，将细胞色素c 释放到细胞质中去。细胞色素C在细胞质中与Apaf- I有可能形成有7个臂的凋亡小体而激活了半胱氨酸蛋白切割酶，引起细胞发生凋亡现象[25]。有人在热休克诱导烟草亮黄色2细胞2H后发现，细胞色素C可从完整的线粒体中被释放到胞质内，当细胞色素C在胞质内达到一定浓度时，它通过激活或提高类Caspase-3活性导致植物细胞PCD的发生[26]。在向日葵中也发现，线粒体突变能诱导细胞色素C的释放并诱导PCD的发生[27]。研究还发现，它们能调节线粒体的通透性而不需要Ca2+和其他因素，使线粒体发生不可逆的膜电位损伤及细胞色素C的释放，诱导PCD的

产生[28]。

蛋白酶体可能是细胞凋亡的关键调节因子。研究显示，激活依赖Ca2+的蛋白激酶可通过提高Ca2+水平来实现。在不亲和罂粟花粉中，SI会激活一种促分裂原活化蛋白激酶（MAPK），并进一步激活类Caspase-3蛋白酶，最终导致PCD[29]。植物液泡加工酶VPE具有类Caspase-1的活性，可能是细胞凋亡的关键调节因子。在研究拟南芥中发现，在管状分子分化和叶片衰老过程中出现αVPE和δVPE的高表达；在种皮中发生PCD的几层细胞中，几层细胞的PCD参与种皮的发育形成是通过γVPE特异地表达和调节的[30]。VPE同源基因的表达与次生木质部发育过程相关可通过杨树茎的基因表达芯片分析来表明[31]。VPE还参与病毒以及真菌毒素诱导的植物超敏反应的PCD[32]。最新发现，具有类Caspase-3活性的20S蛋白酶体在木质部分化过程中起重要的作用，用类Caspase-3抑制剂（Ac-DEVD-CHO）处理后影响了拟南芥子叶叶脉的形成；而用蛋白酶体抑制剂clastO-lactacystin β-lactOne处理则延缓了管状分子分化过程中的PCD的发生，这些表明了蛋白酶体参与植物细胞PCD的调控[33]。

核酸内切酶也参与了细胞PCD过程。DNase可协助完成胞内细胞核的清除，降解核DNa。利用DNa电泳法、TUNEL法和DNaSDS-PAGE 等方法检测发现，多种植物细胞PCD过程中DNase活性的变化明显。如谷物种子发育和胚乳的降解[34]，单性花的发育[35]，种子根尖的发育[36]，导管分子的分化[37]，雌雄配子体细胞的PCD[38]等，但在分子水平上对DNase基因的研究报道较少。

5 结束语

在效应物刺激下，细胞膜上的Ca2+、H+通道开放，Ca2+、H+内流，细胞质中Ca2+浓度增大，同时胞外介质pH值升高。Ca2+作为胞内信号分子，参与了外源刺激的细胞PCD信号转导，它可能是启动PCD阶段的关键因子。胞质中Ca2+可刺激胞内H2O2产生，细胞质中较高水平Ca2+浓度以及胞外较高pH值使与ROS产生或清除有关的酶（APX、GR、膜NOX以及细胞壁POD等）活化，最终诱发了ROS的爆发，激活磷酸激酶（MAPK）等，启动了PCD途径。细胞膜上 NOX是ROS产生的重要酶之一，在多数情况下，NOX分别以NaDPH和O2作为电子供体及受体并产生ROS。酪氨酸激酶抑制剂HerbimyciNa、G-蛋白抑制剂苏拉明（Suramin）、离子通道阻断剂antHracene-9-CarbOxylate acia、Ca2+离子通道阻断剂利福平（NiFedipine）、PLC抑制剂新霉素（NeOmycin）在诱导子处理后短时间内抑制氧爆发。可见，ROS是诱导细胞PCD发生的重要分子，与其他信号分子Ca2+、NO、MAPK一起都处于信号转导的上游，起胞内传递外源诱导的

作用。

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（责任编辑：刘昀）