植物发育调节型程序性细胞死亡研究进展

王诗宇，王志兴，王 宇，王柏秋，娄 伟，于亚辉*

（辽宁省盐碱地利用研究所，辽宁 盘锦 124010）

程序性细胞死亡（PCD）被认为是一种由基因控制，通过消除旧细胞、损坏或不需要的细胞来维持细胞平衡的过程[1-3]。在植物中，PCD 涉及生命的许多方面，从生殖发育到整个植物的衰老，从典型的生殖生长到对环境胁迫的适应反应都有PCD 的参与。总之，PCD 在植物发育和应对生物与非生物压力方面都发挥着重要作用[4-6]。在植物中，PCD 可以分为发育调节型PCD（dPCD）和环境诱导型PCD（ePCD）。dPCD 是由细胞内部刺激激活的，在时间和空间上都有很好的程序性控制。在常规植物发育过程中，dPCD 是细胞类型特异性分化程序的最终步骤，例如根冠发育、叶片衰老、细胞质雄性不育，植物细胞在植物器官衰老的最后阶段以发育受控的方式死亡。总之，dPCD在除具有短暂功能的组织、器官或芽的形态发生等方面起重要的作用。因此，对dPCD 的解析为充分利用植物中的dPCD 来提高生产效率提供了重要依据。

1 植物dPCD 的功能

植物发育过程中，在营养和生殖发育的不同阶段，人们发现了数量惊人的dPCD 过程[7]。

（1）木质部导管的分化。植物中dPCD 的一个范例发生在木质部导管的分化的过程中[8]。在高等植物中，PCD 作为木质部管状分子细胞的最终分化步骤，诱导细胞死亡，死亡的细胞只保留细胞壁，从而形成了相互连接的中空系统，负责将水分和矿物质从根部输送到植物的其他部位[9-10]。

（2）气孔的形成。许多植物形成了一种海绵状的导气组织即气孔组织，以便于在淹水或含氧量较低土壤中地下组织的氧气供应。通气组织的特征是巨大的细胞间隙（腔隙）相互连接，用于气体交换和运输[11]。植物的通气组织分为裂生性和溶生性两种类型，溶生性通气组织来源于一些活细胞的编程性死亡和溶解。例如在遭受缺氧的玉米根皮中，乙烯通过激活与细胞壁降解相关的基因和PCD 来诱导根皮层细胞中形成通气组织[12]。

（3）根冠细胞的死亡。根冠覆盖着正在生长的根尖，对根的生长和根系结构形成具有重要的作用，包括重力感应和对根尖中干细胞的保护[13-15]。与其他植物器官不同，根冠显示出快速的细胞更新。在根生长期间，不断产生新的根冠细胞层，同时不断去除最外侧的根冠层，这个过程被认为是PCD。例如拟南芥，精确定时和紧密协调的dPCD 过程控制着根冠大小及其在生长的根尖周围的位置[16]。

（4）叶片形态的产生。虽然叶片形态发生主要依赖于差异生长，但是特异的叶片形状如叶缘的各种裂、齿是需要消除细胞来形成的。而细胞的消除，是通过PCD 完成的[17-19]。复杂叶片形状的形成是发育性PCD 的独特的用途。PCD 起始于幼叶脉之间，液泡膜破裂是最先出现的PCD 特征，其次是DNA 断裂，核形态变化，细胞质收缩和细胞器分解。

（5）大孢子细胞死亡。雌配子体产生的第一步是大孢子母细胞减数分裂，产生四个减数分裂产物。然而，在大多数植物物种中，其中三个孢子退化。功能性大孢子的选择取决于位置，并且在物种之间有所不同。这种位置依赖性以及在某些物种中不止一个功能性大孢子可以存活的事实表明，删除非功能性大孢子是一个受发育控制的过程。同时这三个退化细胞表现出PCD 的一些典型症状，包括细胞收缩、细胞质紊乱和核裂解等现象。

（6）绒毡层细胞死亡。花粉发育是植物有性繁殖成功的关键，绒毡层退化的精确时间对花粉成熟至关重要[20-23]。花粉形成发生在花药内。花药由四种不同的细胞层组成，包括表皮、内皮、中间层和绒毡层[24]。在花药发育中，绒毡层提供了许多花粉发育所必需的蛋白质、脂质、多糖和其他分子。绒毡层的分化和降解受发育调控，其在特定的时间进行dPCD 是至关重要的，因为延迟的绒毡层分化会导致花粉败育。

（7）种子的发育。种子的发育包括协调胚胎、胚柄、胚乳和种皮的生长和分化。种子萌发后，只有胚胎存活，所有其他种子组织将在种子发育的特定时间点死亡。胚柄将胚胎正确地固定在种子内，为胚体提供营养，在特定的时间，胚柄细胞通过dPCD 退化死亡。dPCD 的一些实例也反映在种子发育的特定阶段终止了不同胚乳组织的生命，为发育中的胚胎提供空间[25-26]。种皮由几个珠被层组成，在种子发育过程中分化并最终死亡。珠被PCD 以特定的顺序逐层发生，产生一层坚韧的保护性种皮。

总之，dPCD 在植物生长发育过程中，起到了非常关键的作用。

2 调控植物dPCD 的信号因子

（1）植物激素。许多植物激素，包括生长素、细胞分裂素、赤霉素、脱落酸（ABA）、茉莉酸盐和乙烯，都与植物细胞死亡的调控有关[27]。植物中的天然生长素是吲哚-3- 乙酸（IAA）。死亡细胞被证明有助于产生惰性IAA，因为死亡细胞中的蛋白质被水解，一些色氨酸被释放到相邻的细胞，而植物体内产生IAA 的主要生化途径是色氨酸途径[28-32]。生长素通过dPCD 在垂死细胞和相邻细胞之间的传递在植物生长和发育中起着至关重要的作用。已有研究证明当叶脉、花瓣和根部的木质部细胞死亡时，它们周围的生长素水平会立即增加[33]。当极性生长素运输受到抑制时，分化的木质部在局部进一步诱导，同时保持较高浓度的生长素水平[34]。在这个过程中，分化的木质部细胞被认为是“干细胞组织者”，导致形成层干细胞附近新的组织者的形成，并分化为成熟木质部本身。在侧根帽中，dPCD 和生长素形成一种循环作用，协调初生根生长和根分枝[35]。此外，在衰老叶片中，色氨酸和生长素水平显著增加，从而加速叶片衰老[36-37]。这些研究表明，生长素是参与细胞分化的重要信号，尤其是在发育调控的细胞死亡中。乙烯是第一种被鉴定的气态植物激素，是植物生长发育的关键调节器[38]，乙烯同样被认为是植物dPCD 的重要调节因子[39]。乙烯已被证明可以促进植物叶片衰老[40-41]，对乙烯不敏感的突变体经常表现出延迟衰老的现象。此外，抑制乙烯产生的番茄品种也显示出叶片衰老延迟[42]。与乙烯有关的信号基因的表达和激活同时发生在绒毡层细胞中，并调节绒毡层细胞的死亡。乙烯也是花器官形成和发育的活跃信号[43]。这些例子说明了乙烯在dPCD 过程中的重要性。此外，其他几种植物激素也参与dPCD 相关过程，例如，赤霉素在导管分化过程中至关重要[44]，茉莉酸是叶片衰老所必需的[45]。总之，植物激素在植物dPCD 中发挥着许多作用。

（2）活性氧。活性氧（ROS）是化学上不稳定的氧衍生物，在有氧生物的生长、发育和对环境刺激的反应等生物过程中充当信号分子[46-48]。ROS已被认为是dPCD 的主要诱因，ROS 会影响植物激素（包括乙烯、茉莉酸和水杨酸）的产生，或引起蛋白质翻译后修饰，最终激活执行PCD 的基因、蛋白酶和核酸酶[49]。dPCD 中研究最多的ROS 信号是H2O2，MAPK 参与传递H2O2信号，介导由叶绿体产生的H2O2触发的dPCD。在发育过程中H2O2诱导dPCD 的一个很好的例子是糊粉细胞死亡。在种子萌发期间，糊粉层细胞通过α- 淀粉酶的合成代谢其储备的碳水化合物，该过程结束后迅速发生细胞死亡[50]，这种细胞死亡依赖于乙醛体产生H2O2[51]。活性氧在dPCD 过程中的作用严格取决于其浓度，通过非酶和酶途径消除H2O2可维持活性氧水平，而过氧化氢酶、过氧化物酶、抗坏血酸过氧化物酶和谷胱甘肽还原酶被认为是主要的H2O2清除剂，可有效减少H2O2的含量[52]。

（3）钙。Ca2+是植物中的核心信号分子，涉及许多生理过程[53]。与非生物诱导的PCD 相比，dPCD 中Ca2+信号的分子机制仅被部分解析。然而，一些研究已经证明了钙离子在dPCD 过程中的关键作用，如特定组织形成、叶片衰老和植株受精。PPF1，一种假定的Ca2+离子载体，通过将细胞质Ca2+浓度保持在较低水平来抑制G2 豌豆（Pisum sativumL.）和转基因拟南芥顶端分生组织中的dPCD[54]。先前的研究表明，细胞核中Ca2+浓度的增加可能会激活分泌腔细胞中的dPCD，并且Ca2+浓度的升高改善了细胞对核DNA 降解的调节[55]。研究人员还发现，CgCaN 是一种钙依赖性DNA 酶，在柚子果实PCD 分泌腔形成过程中直接参与核DNA 降解[56]。双受精是开花植物繁殖的一个独特而重要的过程。Ca2+在花粉管的引导和接收中起着至关重要的作用。在这个过程中，它会引发花粉管和一个助细胞的PCD[57]。在荔枝花的发育过程中，研究人员发现雄花的内珠被细胞经历了PCD，这是由Ca2+的分布变化触发的[58]。

（4）一氧化氮。一氧化氮（NO）具有结构简单、易扩散的特点[59-60]。作为一种信号分子，NO 通过与其他小分子相互作用，作为许多信号转导途径的基本组成部分参与调节植物的生长发育[61-62]。现已确定NO 在光周期、春化、赤霉素和生物钟等内部和外部信号通路中调节植物生长发育[63-64]。在研究NO 对营养生长的影响时，发现施用NO 供体硝普钠可以延迟植物开花[65]。研究人员还发现NO 增强花抑制基因FLC并抑制花促进基因CO和分生组织识别基因LFY的mRNA 水平[66]。NO作为激活因子或抑制因子的作用似乎取决于NO的浓度和作用时间[67]。高水平的NO 与自然衰老、细胞死亡和DNA 断裂有关。NO 和H2O2可以相互诱导合成，H2O2和NO 之间的信号串扰可以协同调节叶片细胞死亡[68]。在珠心细胞退化期间，大量NO 和H2O2的产生引发珠心dPCD[69]。

3 植物dPCD 的调控机制

植物发育调节型程序性细胞死亡（dPCD）过程存在复杂的调控网络，以确保PCD 以精确的时空方式启动和执行。

第一阶段，在细胞分化过程中准备PCD。在未分化的细胞中，植物激素和转录因子协调作用诱导细胞重新编程。分化的细胞中开始积累活跃的蛋白酶。蛋白酶存在于液泡中，用于保持细胞分解代谢处于稳定状态。当一组不同的转录因子激活分化程序的PCD 模块后，分化的细胞开始通过在不同的专用隔室中积累裂解酶（或其酶原）来为细胞死亡做好准备。

第二阶段，触发PCD 的启动。第二信使（Ca2+和ROS）和其他未知信号的级联，触发细胞开始执行死亡。作为分化程序的最后一步，植物细胞为执行dPCD 做准备是一个循序渐进的过程，涉及mRNA 和蛋白质的积累。一旦完成了这些积累，就必须存在一个严格控制的信号网络，以确保dPCD 在恰好合适的时机（即所有需要活跃的细胞代谢的过程都已完成）被激活。已经观察到与dPCD 相关的几个第二信使和信号路径，它们可能是触发dPCD 执行的信令网络的一部分。活性氧（ROS）被认为在植物生物学中起着双重作用。它们是许多重要信号传递反应所必需的，也是有氧代谢的有毒副产物。之前细胞死亡被认为是ROS 通过氧化直接杀死细胞（即通过氧化应激）的结果，现在被认为是ROS 充当信号分子，触发细胞死亡编程途径的结果[70]。除ROS 外，dPCD 过程也包含钙离子信号。细胞内的Ca2+作为一种普遍存在的第二信使，其浓度随着几乎所有已被研究的环境刺激而变化[71]。当钙离子通道被激活后，引起大量Ca2+向细胞质流入，产生Ca2+离子通量以触发dPCD。PCD 一旦触发，一系列反应会导致细胞重要功能的有序终止。在垂死的细胞中，细胞的重要成分通过自噬和从各种隔室中释放的溶解酶的作用而降解。

第三阶段，死亡细胞的清除。最后一个阶段，细胞的液泡膜破裂被认为是细胞死亡的最终时刻。在动物中，降解的凋亡细胞被碎片化为凋亡小体，被吞噬以进一步进行非细胞自主降解。与动物不同，对于死亡细胞，植物有另外一种清除体系。植物细胞尸体的清除是通过溶解酶来实现的，这些酶以非活性形式积累或在第一阶段被隔离在特定的细胞区室中。一旦这些酶被激活或从它们的存储空间中释放出来，许多细胞成分就会迅速降解。在大多数细胞中，细胞尸体所有剩余的碎片都将被清除，但也存在特殊的细胞类型，细胞壁保留，细胞尸体将会执行特定的功能。

4 结语

综上所述，dPCD 在植物的生长发育过程中发挥了重要的作用，并且dPCD 过程是由复杂的信号和转录调控网络控制的。dPCD 作为某些细胞类型的最终分化步骤必须与早期的分化步骤紧密协调，过早或延迟的dPCD 可能会严重影响细胞功能。植物激素等信号因子已被证明在特定dPCD 事件中发挥关键作用。然而，相关信号通路与dPCD 相关基因表达之间调控的分子机制仍有待阐明。本文对植物dPCD 的功能和调控机制等方面的阐述，为进一步探索植物dPCD 的分子机制提供理论依据，也为利用基因工程方法调控植物的特定发育过程奠定基础。