植物细胞程序性死亡

植物种子细胞程序性死亡细胞程序性死亡(programmedcelldeath，PCD)又称凋亡(apoptosis)是一种受基因控制的、主动的、有序的细胞死亡过程¨。植物从胚胎发育到各器官的形成与衰亡都伴随有细胞程序性死亡。早在1923年Allen和1961年Leopold对植物细胞死亡已进行了研究，并引入细胞程序性死亡的概念，但未引起植物学家的关注。近年来随着动物学和医学中细胞死亡的研究取得长足进展，植物的死亡也受到广泛关注，成为植物学研究领域的一个热点。就植物在逆境胁迫过程中存在的PCD现象和引起PCD的内在信号分子调控机制作一综合阐述。1植物种子细胞程序性死亡的一般特征发生PCD或凋亡的细胞有其独特的形态学特征，具体表现为细胞骨架破坏；细胞体积缩小、密度增大；染色质边缘化、高度凝集；核内DNA被诱导产生的核酸内切酶从核小体间降解断裂，并产生带有3：OH端、大小不同的寡聚核小体片段，这些片段在凝胶电泳上可以见到以140bp倍增的“梯形”DNA条带(DNAladder)。DNA的片段化被认为是动植物PCD的“真质标记”。植物细胞核DNA降解断裂并最终形成膜包围的致密凋亡小体，凋亡的细胞保持细胞膜的完整性，没有细胞内含物溢出，因此，凋亡的细胞与坏死的细胞在细胞形态上表现全不同。2环境胁迫下植物种子的PCD2．1病原体胁迫植物种子在病原物侵染处诱发局部的细胞死亡，被称为“超敏反应(HR)”。植物HR是一种普遍的现象，一直被看作是植物抗病的标志，HR可以将病原物限制在侵染部位，防止其进一步扩散，特别在抗病基因介导的小种专化抗性中HR被认为有两种作用：(1)死亡细胞可以将侵入寄主体内的病原物限制在侵染点周围，阻止病原物的进一步扩展而实现局部抗病性；(2)HR的发生可进一步激活植物抗病防卫信号通路，使植物获得对此后侵入的多种类型病原物的系统抗病性(systemicacquiredresist—anee，SAR)。细胞染色反应显示，HR中死亡的细胞都靠近维管束，表明维管束鞘细胞的死亡对于阻止病原物进入维管系统，防止病原体的系统传播有积极意义。现在已有证据表明，植物抗病反应中，特别是HR中的细胞死亡是PCD的一种形式。刘爱新等研究发现，harpin诱导的烟草叶片表现为可见的HR，并且有染色质浓缩和DNA断裂等细胞编程死亡的典型特征。小麦与叶锈菌互作过程中，不亲和组中HR中寄主细胞也会发生细胞程序性死亡，出现染色质凝聚，趋边化等细胞凋亡的特征。此外，在白粉菌和感病材料百农3217叶片的亲和互作以及与pm2／百农3217F的非亲和互作巾产生了相似的PCD，说明在小麦与白粉菌的互作中都出现了相同的反应，但是两者发生PCD的机理是否相同还有待于进一步研究。利用疫霉菌激发子PB90处理烟草悬浮细胞也能产生PCD中的典型特征，如细胞染色质凝集、细胞核解体形成凋亡小体、DNA片段化，说明该激发子诱导的过敏反应是一个细胞凋亡的过程，在该试验中发现，使用蛋白质合成抑制剂Cycloheximide可抑制激发子PB90诱发的烟草悬浮细胞死亡，表明这种细胞死亡需要新的蛋白质合成，是一种主动性的细胞死亡过程。关于HR的机理及信号传递等已经有许多研究，而且取得了一些进展。值得注意的是，由于植物种类繁多，病原物也极其复杂，所以，并非所有HR都表现已知的PCD特征，也并非所有植物在受病原物侵染后均表现出HR。2.2低氧胁迫通气组织(aerenchyma)是植物薄壁组织内一些气室或空腔的集合，被认为是氧气运入根内的通道，是植物对淹水缺氧逆境的良好适应。许多水生和湿生植物在根、茎内均形成通气组织，其他植物，包括两栖类和陆生植物，在缺氧环境中也分化产生或加速通气组织的发育。通气组织有两类，包括裂生性(schizogenous)和溶生性(1ysigenous)。前者具有种属的特异性，是成熟细胞经过有规律的相互分离形成的细胞问空腔，是许多水生植物的基本特性；后者源于一些活细胞的死亡和溶解。植物感受缺氧逆境后，皮层薄壁组织中只有部分细胞选择性的发生解体死亡，而周围的细胞还保持完整，这意味着在皮层内细胞的解体是一个调控严格的代谢过程，因此，这是一个程序性死亡。乙烯合成抑制剂和乙烯作用抑制剂，如银离子、CoC1，、AVG(aminoethoxyvinlg．1ycine)明显抑制通气组织的形成⋯’，厌氧胁迫会很快引起乙烯合成的增加，这种现象在1～2h内即可观察到，而且这种促进作用是可逆的，即当供氧量增加时，乙烯的合成逐渐减少。所以，乙烯被普遍认为是通气组织形成过程中的信号物质，其浓度变化可调节通气组织的形成。2．3高盐胁迫盐浓度达到一定值时会破坏许多植物根尖细胞的正常生命活动，部分细胞甚至死亡，使根尖乃至植株整体的生长受到抑制。林久生等用20％PEG溶液(一0．63MPa)对小麦根系进行渗透胁迫，在小麦叶片DNA琼脂糖凝胶电泳图谱上观察到明显的梯状DNA条带，表明PEG处理诱发了DNA核小体问的断裂，TUNEL检测呈阳性结果。这些结果表明，在PEG诱导小麦叶片死亡过程中，有部分阶段存在明显的细胞程序性死亡过程。同时在小麦叶片处于程序性死亡时期，蛋白质含量、叶绿素含量的下降和电解质泄漏率的增加都比处于坏死时期的慢。宁顺斌等对玉米、水稻和烟草等植物根尖分生组织在高盐胁迫下，细胞死亡的形态和生化变化进行了研究，发现根尖细胞原生质体皱褶、形态不规则、核物质浓缩、DNA片段化等现象。因此认为，盐胁迫诱导的根尖细胞死亡具有PCD典型的形态和生化特征，PCD可能是植物抗盐的一种普遍的生理机制，其主要功能是根尖细胞通过局部细胞死亡而主动形成一道死细胞屏障，阻止了盐离子进入植物体的其他组织。Katsuhara等¨研究表明，活性氧(ROS)代谢失衡是盐胁迫导致的植物细胞氧化损伤及细胞程序性死亡的重要原因。陈明等研究发现以一氧化氮(NO)供体硝普钠(SNP)处理小麦可以明显提高ROS清除酶，如过氧化物酶、超氧化物歧化酶、抗坏血酸氧化酶等活性，从而清除因盐胁迫产生的氧自由基或活性氧ROS，或直接清除ROS来保持细胞处于还原状态。由于PCD过程极为复杂，是否在植物抵御或适应盐胁迫中具有积极作用还需要大量深入的研究。2．4温度胁迫2．4．1低温胁迫相关研究表明低温可能诱导植物细胞发生PCD。Koukalova等证实5～6℃低温胁迫可以诱导悬浮培养的烟草细胞发生凋，并且这种细胞凋亡具有梯状DNA图谱，染色质和胞质浓缩等典型的细胞凋亡特征。宁顺斌等研究发现，玉米根尖在4cc下处理3周后，能用常规琼脂糖电泳检测出较清晰的DNA梯状图谱，但尚有部分大片段存在口。处理4周后几乎所有的大片段都断裂成小片段，从Marker得出“梯子”是以180bp为单位组成的；原位标记TUNEL检测发现，胁迫处理l周后，10％细胞发生凋亡，出现TUNEI阳性；2周后25％左右细胞出现明显的TUNEL阳性；4周后70％细胞呈TUNEL阳性。2．4．2热激不同剂量的热激可以诱导烟草产生PCD，即烟草细胞受热激后其基因组DNA产生较多的3=OH断裂，其中48℃4h热激处理烟草细胞凋亡率最高¨，这表明适当的热激处理会导致植物产生PCD。Balk等。。研究表明，黄瓜子叶细胞热激55℃10rain可以引起PCD，并且导致细胞产生典型的形态和生化方面的变化。在热处理12h后，可以检测出明显的DNA梯。Leu等研究发现，小球藻在46．5℃温度下处理1h，高分子量DNA开始降解，而持续处理24h后，仍然还可以检测出DNA片段。Anna等研究表明，大豆悬浮细胞在44℃下处理2h，经过24h恢复后进行HO／PI双染发现有50％的细胞染色质凝集，20％的细胞被碘化丙啶(PI)染色，并且TUNEL检测呈阳性，说明DNA已发生降解，热处理引起的细胞死亡是一种程序性死亡。2．5金属离子胁迫目前有关金属离子诱导植物PCD的研究很少，在重金属环境污染成为世界面临的重要问题的今天，加强这方面的研究有着很重要的现实意义。有研究表明，镉离子能胁迫茶树茎尖组织、烟草悬浮细胞发生PCD。黄儒珠等用1．0mmol·LCe处理花生细胞悬液7d，可见明显的大小间隔均匀的约200bp的DNA梯，表明此时DNA降解是非随机的，是细胞内特定的核酸内切酶受调控激活的结果，细胞表现出典型的凋亡特征；同时透过透射电镜观察细胞核，线粒体、泡液、内质网均表现出典型的PCD形态特征，细胞凋亡率达57．6％。詹杰等研究发现，在耐铝和铝敏感花生品种的筛选过程中，铝诱导花生根尖细胞表现出细胞核致密，核型发生变化，呈新月状或椭圆状，出现类似凋亡小体表现出明显的PCD形态特征。李荣峰等报告在400mo1．LI1Al诱导大豆根24h后，细胞DNA发生特异性降解并形成阶梯状电泳条带，用TUNEL原位标记检测200moIIL和400m0I．LA1“处理12h后的大豆根边缘细胞，发现细胞核为阳性或强阳性，说明在Al”胁迫下边缘细胞的死亡可能是一种程序性死亡形式。2．6药物胁迫药物可以诱导植物的PCD。宁顺斌等¨分别用药物放线菌素D、秋水仙碱和放线菌酮处理玉米，经过一定时间后，玉米根尖都出现了PCD。3种供试药物都诱导玉米细胞DNA断裂，并检测出180bp的DNA梯度。用2mmo]·L乙酰水杨酸诱导拟南芥悬浮细胞，产生细胞DNA降解、线粒体细胞膜电位下降、细胞色素C释放等现象，从而引起细胞凋亡，而添加茉莉酸能抑制乙酰水杨酸对细胞的伤害，降低细胞死亡率。周军等叫用不同浓度乙烯利诱导胡萝卜15h，经过检测发现1．4mmol／L浓度处理时，胡萝卜原生质体细胞死亡率接近100％，用DAPI染色，发现处于凋亡过程中的原生质体核内染色质固缩，裂解成许多与动物细胞中凋亡小体类似的球DNA的迁移，说明乙烯利处理使核DNA发生断裂和降解。3环境胁迫下PCD的信号分子3．1活性氧ROS是细胞代谢的副产物，在植物中大量产生于线粒体、叶绿体、过氧化物酶体／乙醛酸循环体和原生质膜上等。环境胁迫对植物细胞的伤害在很大程度上是由于ROS浓度上升所致，所以ROS已成为环境胁迫诱导PCD的一个重要信号分子。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、臭氧和HR导致的PCD最终都与ROS的产生有关圳。3．2CaCa作为一种胞内信号分子，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、线粒体和质膜及胞质中。许多环境胁迫能引起植物细胞内Ca“浓度的上升。例如，当真菌Uromycesuignae侵染抗性豇豆植株细胞壁时，胞内Ca“浓度上升(敏感品种不存在这种现象)，一旦真菌进入胞腔内，浓度又回复到正常水平。因此，在真菌诱发的HR反应中，真菌激发子可能是通过影响质膜离子通道的活性来激活HR反应。通道抑制剂Gd”可抑制JP基因的表达和细胞死亡，部分抑制ROS跃升。HR中0一和H：0的聚集引起胞ca“的升高，激发一个蛋白激酶介导的细胞死亡过程。花瓣衰老中的RNase和DNase活性受ca促进，而被EDTA抑制，但较高浓度的Ca“并不能进一步增强核酸酶活性。此外，ca还参与导管分子的分化。3．3乙烯乙烯是植物各种器官生长、发育、衰老等的重要信号分子。有证据表明在超敏反应中似乎并不需要乙烯，但在与疾病相关的细胞死亡中，乙烯起了重要作用。对乙烯不敏感的番茄能抑制由活体营养病原体感染引起的细胞死亡。植物在遇到水涝时，土壤低氧(hypoxia)刺激根皮层细胞形成通气组织(aerenchyma)，用乙烯生物合成抑制剂可明显抑制通气组织的形成。低氧可明显诱导番茄、水稻的ACC合成酶基因家族中的特异性基因的表达。因此，低氧激活了根皮层细胞中的乙烯生物合成途径，使ACC合成酶和ACC氧化酶的活性上升，引起乙烯跃升(ethyleneburst)，从而触发了乙烯介导的PCD信号传导途径。3．4一氧化氮(nitricoxide，NO)在环境胁迫诱导PCD过程中，NO也是一个重要的信号分子。Durner等发现外源NO释放剂在H0存在下能诱导大豆和烟草细胞中调控PAL和PR等防卫基因的表达。豌豆和康乃馨在