植物细胞编程性死亡（PCD）的研究进展

摘 要：细胞编程性死亡（PCD）是一种由自身基因控制的、主动的细胞死亡过程，存在于植物发育的各阶段，在植物正常生长发育过程中起着重要作用。随着分子生物学的发展，近年来对其发生的分子机制也进行了广泛的研究。本文就植物PCD发生的特征、检测手段以及调控机制进行了概述，并进行了进一步的展望。

关键词：植物；细胞程序性死亡；调控机制

细胞死亡是生物体的一种常见现象。一般来讲，细胞死亡可分为两种类型：细胞坏死和细胞程序化死亡。细胞坏死是细胞在遭受极度刺激时引起的细胞死亡，以原生质膜的破裂为特征，造成细胞内含物的炎性泄露，是一种非正常死亡。程序性死亡或细胞凋亡是多细胞生物体中一些细胞所采取的一种由自身基因调控的主动死亡方式。

l植物PCD发生的一般特征

1.1形态学上的特征

发生PCD或凋亡的细胞有其独特的形态学特征。近年来，植物学家从超微结构、组织化学、细胞化学、生物化学以及分子生物学等方面对植物PCD现象进行了研究.发现植物与动物PCD有着许多相似的特征。植物与动物细胞PCD有许多相似的特征，包括细胞形态和DAN降解变化等。形态学上典型的细胞程序性死亡的形态学变化过程是：早期细胞之间的链接消失，细胞体出现收缩，胞浆密度加大，细胞器完整但紧密压缩，核浓缩，染色质分布于核膜边缘，随后由膜包围DNA片段而形成凋亡小体。

1.2在生物化学上的特征

（1）最明显的特征是半胱氨酰天冬氨酸蛋白酶的出现和核酸内切酶活性增加，使染色质降解，核DNA从核小体间降解断裂分为两个阶段：第一阶段核DNA从核小体间降解断裂成较大片段的染色质DNA片段。第二阶段，断裂的染色质DNA片段被依赖Ca、Mg的DNA酶I水解产生带有3‘-OH末端的、大小不同的寡聚核小体片段，其片段大小为180-200bp的整倍数，其中，DNA片段化被认为是最主要的凋亡特征，在含溴化乙锭的琼脂糖凝胶上呈典型的“梯形”DNA条带。

（2）PCD过程中生物大分子的合成，因为这一过程可被放线菌素D抑制，与DNA形成复合体，抑制RNA多聚酶的功能，抑制特别是mRNA的合成，因此可能有新的蛋白质合成。

（3）细胞中的离子也发生变化，特别是Ca离子，如果细胞内Ca增加，打开了Ca通道，就开始了凋亡过程。而Zn是核酸酶的抑制剂，所以它能阻止凋亡过程。

（4）细胞骨架的变化是PCD的又一特征，去掉细胞的微管可以导致凋亡的发生。

2 PCD发生过程

细胞一旦进入PCD，通常要经过以下过程：

（1）染色质浓缩前阶段，此阶段长短不一，无形态学变化，谷氨酰胺转移酶合成增加，某些蛋白酶被激活

（2）染色质开始浓缩，并分布在核膜周围（边缘化），一些依赖于Ca、Mg的核酸内切酶被激活，使染色质断裂成片段。

（3）染色质浓缩，细胞膜形成膜泡，膜中糖蛋白的组成发生很大变化。

（4）膜泡形成凋亡小体，并通过特异识别蛋白被周围细胞或巨嗜细胞吞噬，然后被溶酶体分解。

3植物PCD的检测方法

3.1细胞形态法观察植物PCD

3.1.1光学显微镜观察

PCD细胞形态特征，如细胞体积缩小，核质浓缩聚集，形成凋亡小体等。但一般只能作细胞PCD的推测，不具有诊断价值，因为在光镜下某些类型的细胞坏死与细胞凋亡的形态相似。

3.1.2电子显微镜

PCD细胞体积变小，细胞质浓缩。凋亡I期的细胞核内染色质高度盘绕，出现许多称为气穴现象的空泡结构；II期细胞核的染色质高度凝聚、边缘化、呈半月状；细胞凋亡的晚期，细胞核裂解为碎块，产生凋亡小体。电镜超微结构的观察是诊断细胞PCD的指标，尤其是凋亡小体的发现。但电镜只能定性而无法定量，而且观察到凋亡小体的机率也不高。

3.2用生理生化及分子生物学方法检测植物PCD

3.2.1 DNA梯状条带

PCD时基因组DNA可断裂成长度为180～200bp倍数的梯状条带，这是一种专一的核酸内切酶作用于核小体间降解DNA的结果。DNA梯状条带的存在与否是区分PCD与坏死的标准之一。对于坏死细胞的DNA而言，基因组DNA的降解随机发生，在电泳胶上只能检测到连续分布的DNA条带。PEG6000诱导的小麦叶片、羟自由基诱导的烟草细胞、细胞色素c诱导的胡萝卜和烟草原生质体和乙烯诱导的胡萝卜原生质体发生PCD时均检测到DNA梯状条带。但并非所有进行PCD的细胞都能产生DNA特异片段，有时基因组DNA可降解成50kb左右的片段。但大多数情况下在PCD组织中不能检测到这种DNA特异条带是由于样品中PCD细胞的比例较低。有些研究者应用Southem杂交检测DNA特异片段，取得良好结果。

3.2.2原位末端标记

其原理是核DNA断裂產生的3——OH末端，通过DNA末端转移酶将带标记的dUT间接或者直接连到断裂产生的3——OH末端，再通过荧光检测定量分析结果。

3.2.3彗星电泳法

这种方法也叫单细胞凝胶电泳。将单个细胞悬浮于琼脂糖凝胶中，经裂解处理后，在电场中进行短时间电泳，在用荧光染料染色进行观察。发生PCD时细胞中形成降解的DNA片段，在电场中泳动的速度较快，使细胞核呈现彗星状图案，而正常的未发生DNA断裂的核在电泳时保持球形，这也是一种简便的PCD检测方法。

4植物PCD的分子调控机制

根据作用原理不同可将植物的PCD的分子调控机制分为基因调控、蛋白调控和信号调控。

4.1基因调控

基因调控是PCD调控的核心内容，目前已经找到了一些与植物PCD相关的基因。拟南芥中发现的SUS1、SUS2、SUS3与胚柄细胞的PCD相关，如果这些基因发生隐性突变胚柄细胞的PCD将不再发生，从而形成一个大胚柄，破坏了胚的正常形态。Ts2基因参与了玉米原始雌蕊细胞群的PCD，如这个基因发生突变，会导致雌蕊原基细胞不能正常死亡，导致雄蕊雌性化。近来有研究表明水稻中的OsTDR基因通过调控与细胞降解相关的基因OsC6和OsCP1，来实现对水稻花粉绒毡层细胞的PCD进行正调控。

4.2蛋白调控

最近研究表明液泡加工酶、Metacapspase和Saspase在植物PCD过程中起到类似动物Caspase酶类调控的作用。VPE是由HaraNishimura等1991年从蓖麻液泡中纯化出的半胱氨酸蛋白酶，表现出与Caspase酶类似的活性，通过激活细胞液泡的调控系统调控PCD，使液泡崩解，是植物PCD的执行者。Saspase是一种在燕麦中发现的以丝氨酸为反应位点的类Caspase酶，可以水解多种Caspase酶的特异性底物。

4.3信号调控

研究表明，活性氧参与植物PCD的调控，低剂量ROS即可触发植物PCD是ROS调控PCD的直接证据。ROS参与PCD的最直接证据是低剂量的ROS可以诱导PCD。在植物组织中各种逆境包括衰老、冷害、渗透胁迫、低氧、紫外辐射、臭氧和HR导致的PCD最终都于ROS的产生有关 ， 02-是引发细胞PCD的关键性活性氧，其在细胞PCD之前和PCD区域的周围细胞中大量积累。02一在细胞PCD之前先在某一位点积累，随后向相邻的活细胞扩散，引起周边HR细胞损伤。上述结果表明02一在诱导细胞PCD过程中起着重要作用。

5 PCD研究的意义和展望

植物PCD是在植物发育的特定阶段发生的、自然的细胞死亡过程，这一过程由某些特定基因编码的程序所控制，它對于维持植物的正常生长发育至关重要。尽管目前对植物细胞凋亡和生存的机制所知甚少，但人们逐渐认识到PCD是植物生长发育的一个基本组成部分。大量的研究结果证明，植物体的各部分，如根、茎、叶、花、果等的死亡，注定会在生活史的特定阶段发生、特定位置、特定时间发生死亡，这对植物体有着重要的生物学意义。因此，阐明细胞凋亡的分子机制，探讨细胞凋亡与衰老、病原物等间的关系，将是今后重点研究工作之一。

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作者简介：

杜秋丽（1986—），女，汉族，山东菏泽，助教，硕士研究生，研究方向：生物化学与分子生物学。

（作者单位：济南大学泉城学院）