植物發(fā)育調(diào)節(jié)型程序性細(xì)胞死亡研究進展

王詩宇，王志興，王 宇，王柏秋，婁 偉，于亞輝*

（遼寧省鹽堿地利用研究所，遼寧 盤錦 124010）

程序性細(xì)胞死亡（PCD）被認(rèn)為是一種由基因控制，通過消除舊細(xì)胞、損壞或不需要的細(xì)胞來維持細(xì)胞平衡的過程[1-3]。在植物中，PCD 涉及生命的許多方面，從生殖發(fā)育到整個植物的衰老，從典型的生殖生長到對環(huán)境脅迫的適應(yīng)反應(yīng)都有PCD 的參與?？傊琍CD 在植物發(fā)育和應(yīng)對生物與非生物壓力方面都發(fā)揮著重要作用[4-6]。在植物中，PCD 可以分為發(fā)育調(diào)節(jié)型PCD（dPCD）和環(huán)境誘導(dǎo)型PCD（ePCD）。dPCD 是由細(xì)胞內(nèi)部刺激激活的，在時間和空間上都有很好的程序性控制。在常規(guī)植物發(fā)育過程中，dPCD 是細(xì)胞類型特異性分化程序的最終步驟，例如根冠發(fā)育、葉片衰老、細(xì)胞質(zhì)雄性不育，植物細(xì)胞在植物器官衰老的最后階段以發(fā)育受控的方式死亡?？傊琩PCD在除具有短暫功能的組織、器官或芽的形態(tài)發(fā)生等方面起重要的作用。因此，對dPCD 的解析為充分利用植物中的dPCD 來提高生產(chǎn)效率提供了重要依據(jù)。

1 植物dPCD 的功能

植物發(fā)育過程中，在營養(yǎng)和生殖發(fā)育的不同階段，人們發(fā)現(xiàn)了數(shù)量驚人的dPCD 過程[7]。

（1）木質(zhì)部導(dǎo)管的分化。植物中dPCD 的一個范例發(fā)生在木質(zhì)部導(dǎo)管的分化的過程中[8]。在高等植物中，PCD 作為木質(zhì)部管狀分子細(xì)胞的最終分化步驟，誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，死亡的細(xì)胞只保留細(xì)胞壁，從而形成了相互連接的中空系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將水分和礦物質(zhì)從根部輸送到植物的其他部位[9-10]。

（2）氣孔的形成。許多植物形成了一種海綿狀的導(dǎo)氣組織即氣孔組織，以便于在淹水或含氧量較低土壤中地下組織的氧氣供應(yīng)。通氣組織的特征是巨大的細(xì)胞間隙（腔隙）相互連接，用于氣體交換和運輸[11]。植物的通氣組織分為裂生性和溶生性兩種類型，溶生性通氣組織來源于一些活細(xì)胞的編程性死亡和溶解。例如在遭受缺氧的玉米根皮中，乙烯通過激活與細(xì)胞壁降解相關(guān)的基因和PCD 來誘導(dǎo)根皮層細(xì)胞中形成通氣組織[12]。

（3）根冠細(xì)胞的死亡。根冠覆蓋著正在生長的根尖，對根的生長和根系結(jié)構(gòu)形成具有重要的作用，包括重力感應(yīng)和對根尖中干細(xì)胞的保護[13-15]。與其他植物器官不同，根冠顯示出快速的細(xì)胞更新。在根生長期間，不斷產(chǎn)生新的根冠細(xì)胞層，同時不斷去除最外側(cè)的根冠層，這個過程被認(rèn)為是PCD。例如擬南芥，精確定時和緊密協(xié)調(diào)的dPCD 過程控制著根冠大小及其在生長的根尖周圍的位置[16]。

（4）葉片形態(tài)的產(chǎn)生。雖然葉片形態(tài)發(fā)生主要依賴于差異生長，但是特異的葉片形狀如葉緣的各種裂、齒是需要消除細(xì)胞來形成的。而細(xì)胞的消除，是通過PCD 完成的[17-19]。復(fù)雜葉片形狀的形成是發(fā)育性PCD 的獨特的用途。PCD 起始于幼葉脈之間，液泡膜破裂是最先出現(xiàn)的PCD 特征，其次是DNA 斷裂，核形態(tài)變化，細(xì)胞質(zhì)收縮和細(xì)胞器分解。

（5）大孢子細(xì)胞死亡。雌配子體產(chǎn)生的第一步是大孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂，產(chǎn)生四個減數(shù)分裂產(chǎn)物。然而，在大多數(shù)植物物種中，其中三個孢子退化。功能性大孢子的選擇取決于位置，并且在物種之間有所不同。這種位置依賴性以及在某些物種中不止一個功能性大孢子可以存活的事實表明，刪除非功能性大孢子是一個受發(fā)育控制的過程。同時這三個退化細(xì)胞表現(xiàn)出PCD 的一些典型癥狀，包括細(xì)胞收縮、細(xì)胞質(zhì)紊亂和核裂解等現(xiàn)象。

（6）絨氈層細(xì)胞死亡?；ǚ郯l(fā)育是植物有性繁殖成功的關(guān)鍵，絨氈層退化的精確時間對花粉成熟至關(guān)重要[20-23]?；ǚ坌纬砂l(fā)生在花藥內(nèi)?；ㄋ幱伤姆N不同的細(xì)胞層組成，包括表皮、內(nèi)皮、中間層和絨氈層[24]。在花藥發(fā)育中，絨氈層提供了許多花粉發(fā)育所必需的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、多糖和其他分子。絨氈層的分化和降解受發(fā)育調(diào)控，其在特定的時間進行dPCD 是至關(guān)重要的，因為延遲的絨氈層分化會導(dǎo)致花粉敗育。

（7）種子的發(fā)育。種子的發(fā)育包括協(xié)調(diào)胚胎、胚柄、胚乳和種皮的生長和分化。種子萌發(fā)后，只有胚胎存活，所有其他種子組織將在種子發(fā)育的特定時間點死亡。胚柄將胚胎正確地固定在種子內(nèi)，為胚體提供營養(yǎng)，在特定的時間，胚柄細(xì)胞通過dPCD 退化死亡。dPCD 的一些實例也反映在種子發(fā)育的特定階段終止了不同胚乳組織的生命，為發(fā)育中的胚胎提供空間[25-26]。種皮由幾個珠被層組成，在種子發(fā)育過程中分化并最終死亡。珠被PCD 以特定的順序逐層發(fā)生，產(chǎn)生一層堅韌的保護性種皮。

總之，dPCD 在植物生長發(fā)育過程中，起到了非常關(guān)鍵的作用。

2 調(diào)控植物dPCD 的信號因子

（1）植物激素。許多植物激素，包括生長素、細(xì)胞分裂素、赤霉素、脫落酸（ABA）、茉莉酸鹽和乙烯，都與植物細(xì)胞死亡的調(diào)控有關(guān)[27]。植物中的天然生長素是吲哚-3- 乙酸（IAA）。死亡細(xì)胞被證明有助于產(chǎn)生惰性IAA，因為死亡細(xì)胞中的蛋白質(zhì)被水解，一些色氨酸被釋放到相鄰的細(xì)胞，而植物體內(nèi)產(chǎn)生IAA 的主要生化途徑是色氨酸途徑[28-32]。生長素通過dPCD 在垂死細(xì)胞和相鄰細(xì)胞之間的傳遞在植物生長和發(fā)育中起著至關(guān)重要的作用。已有研究證明當(dāng)葉脈、花瓣和根部的木質(zhì)部細(xì)胞死亡時，它們周圍的生長素水平會立即增加[33]。當(dāng)極性生長素運輸受到抑制時，分化的木質(zhì)部在局部進一步誘導(dǎo)，同時保持較高濃度的生長素水平[34]。在這個過程中，分化的木質(zhì)部細(xì)胞被認(rèn)為是“干細(xì)胞組織者”，導(dǎo)致形成層干細(xì)胞附近新的組織者的形成，并分化為成熟木質(zhì)部本身。在側(cè)根帽中，dPCD 和生長素形成一種循環(huán)作用，協(xié)調(diào)初生根生長和根分枝[35]。此外，在衰老葉片中，色氨酸和生長素水平顯著增加，從而加速葉片衰老[36-37]。這些研究表明，生長素是參與細(xì)胞分化的重要信號，尤其是在發(fā)育調(diào)控的細(xì)胞死亡中。乙烯是第一種被鑒定的氣態(tài)植物激素，是植物生長發(fā)育的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器[38]，乙烯同樣被認(rèn)為是植物dPCD 的重要調(diào)節(jié)因子[39]。乙烯已被證明可以促進植物葉片衰老[40-41]，對乙烯不敏感的突變體經(jīng)常表現(xiàn)出延遲衰老的現(xiàn)象。此外，抑制乙烯產(chǎn)生的番茄品種也顯示出葉片衰老延遲[42]。與乙烯有關(guān)的信號基因的表達(dá)和激活同時發(fā)生在絨氈層細(xì)胞中，并調(diào)節(jié)絨氈層細(xì)胞的死亡。乙烯也是花器官形成和發(fā)育的活躍信號[43]。這些例子說明了乙烯在dPCD 過程中的重要性。此外，其他幾種植物激素也參與dPCD 相關(guān)過程，例如，赤霉素在導(dǎo)管分化過程中至關(guān)重要[44]，茉莉酸是葉片衰老所必需的[45]?？傊?，植物激素在植物dPCD 中發(fā)揮著許多作用。

（2）活性氧。活性氧（ROS）是化學(xué)上不穩(wěn)定的氧衍生物，在有氧生物的生長、發(fā)育和對環(huán)境刺激的反應(yīng)等生物過程中充當(dāng)信號分子[46-48]。ROS已被認(rèn)為是dPCD 的主要誘因，ROS 會影響植物激素（包括乙烯、茉莉酸和水楊酸）的產(chǎn)生，或引起蛋白質(zhì)翻譯后修飾，最終激活執(zhí)行PCD 的基因、蛋白酶和核酸酶[49]。dPCD 中研究最多的ROS 信號是H2O2，MAPK 參與傳遞H2O2信號，介導(dǎo)由葉綠體產(chǎn)生的H2O2觸發(fā)的dPCD。在發(fā)育過程中H2O2誘導(dǎo)dPCD 的一個很好的例子是糊粉細(xì)胞死亡。在種子萌發(fā)期間，糊粉層細(xì)胞通過α- 淀粉酶的合成代謝其儲備的碳水化合物，該過程結(jié)束后迅速發(fā)生細(xì)胞死亡[50]，這種細(xì)胞死亡依賴于乙醛體產(chǎn)生H2O2[51]。活性氧在dPCD 過程中的作用嚴(yán)格取決于其濃度，通過非酶和酶途徑消除H2O2可維持活性氧水平，而過氧化氫酶、過氧化物酶、抗壞血酸過氧化物酶和谷胱甘肽還原酶被認(rèn)為是主要的H2O2清除劑，可有效減少H2O2的含量[52]。

（3）鈣。Ca2+是植物中的核心信號分子，涉及許多生理過程[53]。與非生物誘導(dǎo)的PCD 相比，dPCD 中Ca2+信號的分子機制僅被部分解析。然而，一些研究已經(jīng)證明了鈣離子在dPCD 過程中的關(guān)鍵作用，如特定組織形成、葉片衰老和植株受精。PPF1，一種假定的Ca2+離子載體，通過將細(xì)胞質(zhì)Ca2+濃度保持在較低水平來抑制G2 豌豆（Pisum sativumL.）和轉(zhuǎn)基因擬南芥頂端分生組織中的dPCD[54]。先前的研究表明，細(xì)胞核中Ca2+濃度的增加可能會激活分泌腔細(xì)胞中的dPCD，并且Ca2+濃度的升高改善了細(xì)胞對核DNA 降解的調(diào)節(jié)[55]。研究人員還發(fā)現(xiàn)，CgCaN 是一種鈣依賴性DNA 酶，在柚子果實PCD 分泌腔形成過程中直接參與核DNA 降解[56]。雙受精是開花植物繁殖的一個獨特而重要的過程。Ca2+在花粉管的引導(dǎo)和接收中起著至關(guān)重要的作用。在這個過程中，它會引發(fā)花粉管和一個助細(xì)胞的PCD[57]。在荔枝花的發(fā)育過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)雄花的內(nèi)珠被細(xì)胞經(jīng)歷了PCD，這是由Ca2+的分布變化觸發(fā)的[58]。

（4）一氧化氮。一氧化氮（NO）具有結(jié)構(gòu)簡單、易擴散的特點[59-60]。作為一種信號分子，NO 通過與其他小分子相互作用，作為許多信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的基本組成部分參與調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育[61-62]?，F(xiàn)已確定NO 在光周期、春化、赤霉素和生物鐘等內(nèi)部和外部信號通路中調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育[63-64]。在研究NO 對營養(yǎng)生長的影響時，發(fā)現(xiàn)施用NO 供體硝普鈉可以延遲植物開花[65]。研究人員還發(fā)現(xiàn)NO 增強花抑制基因FLC并抑制花促進基因CO和分生組織識別基因LFY的mRNA 水平[66]。NO作為激活因子或抑制因子的作用似乎取決于NO的濃度和作用時間[67]。高水平的NO 與自然衰老、細(xì)胞死亡和DNA 斷裂有關(guān)。NO 和H2O2可以相互誘導(dǎo)合成，H2O2和NO 之間的信號串?dāng)_可以協(xié)同調(diào)節(jié)葉片細(xì)胞死亡[68]。在珠心細(xì)胞退化期間，大量NO 和H2O2的產(chǎn)生引發(fā)珠心dPCD[69]。

3 植物dPCD 的調(diào)控機制

植物發(fā)育調(diào)節(jié)型程序性細(xì)胞死亡（dPCD）過程存在復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，以確保PCD 以精確的時空方式啟動和執(zhí)行。

第一階段，在細(xì)胞分化過程中準(zhǔn)備PCD。在未分化的細(xì)胞中，植物激素和轉(zhuǎn)錄因子協(xié)調(diào)作用誘導(dǎo)細(xì)胞重新編程。分化的細(xì)胞中開始積累活躍的蛋白酶。蛋白酶存在于液泡中，用于保持細(xì)胞分解代謝處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)一組不同的轉(zhuǎn)錄因子激活分化程序的PCD 模塊后，分化的細(xì)胞開始通過在不同的專用隔室中積累裂解酶（或其酶原）來為細(xì)胞死亡做好準(zhǔn)備。

第二階段，觸發(fā)PCD 的啟動。第二信使（Ca2+和ROS）和其他未知信號的級聯(lián)，觸發(fā)細(xì)胞開始執(zhí)行死亡。作為分化程序的最后一步，植物細(xì)胞為執(zhí)行dPCD 做準(zhǔn)備是一個循序漸進的過程，涉及mRNA 和蛋白質(zhì)的積累。一旦完成了這些積累，就必須存在一個嚴(yán)格控制的信號網(wǎng)絡(luò)，以確保dPCD 在恰好合適的時機（即所有需要活躍的細(xì)胞代謝的過程都已完成）被激活。已經(jīng)觀察到與dPCD 相關(guān)的幾個第二信使和信號路徑，它們可能是觸發(fā)dPCD 執(zhí)行的信令網(wǎng)絡(luò)的一部分?；钚匝酰≧OS）被認(rèn)為在植物生物學(xué)中起著雙重作用。它們是許多重要信號傳遞反應(yīng)所必需的，也是有氧代謝的有毒副產(chǎn)物。之前細(xì)胞死亡被認(rèn)為是ROS 通過氧化直接殺死細(xì)胞（即通過氧化應(yīng)激）的結(jié)果，現(xiàn)在被認(rèn)為是ROS 充當(dāng)信號分子，觸發(fā)細(xì)胞死亡編程途徑的結(jié)果[70]。除ROS 外，dPCD 過程也包含鈣離子信號。細(xì)胞內(nèi)的Ca2+作為一種普遍存在的第二信使，其濃度隨著幾乎所有已被研究的環(huán)境刺激而變化[71]。當(dāng)鈣離子通道被激活后，引起大量Ca2+向細(xì)胞質(zhì)流入，產(chǎn)生Ca2+離子通量以觸發(fā)dPCD。PCD 一旦觸發(fā)，一系列反應(yīng)會導(dǎo)致細(xì)胞重要功能的有序終止。在垂死的細(xì)胞中，細(xì)胞的重要成分通過自噬和從各種隔室中釋放的溶解酶的作用而降解。

第三階段，死亡細(xì)胞的清除。最后一個階段，細(xì)胞的液泡膜破裂被認(rèn)為是細(xì)胞死亡的最終時刻。在動物中，降解的凋亡細(xì)胞被碎片化為凋亡小體，被吞噬以進一步進行非細(xì)胞自主降解。與動物不同，對于死亡細(xì)胞，植物有另外一種清除體系。植物細(xì)胞尸體的清除是通過溶解酶來實現(xiàn)的，這些酶以非活性形式積累或在第一階段被隔離在特定的細(xì)胞區(qū)室中。一旦這些酶被激活或從它們的存儲空間中釋放出來，許多細(xì)胞成分就會迅速降解。在大多數(shù)細(xì)胞中，細(xì)胞尸體所有剩余的碎片都將被清除，但也存在特殊的細(xì)胞類型，細(xì)胞壁保留，細(xì)胞尸體將會執(zhí)行特定的功能。

4 結(jié)語

綜上所述，dPCD 在植物的生長發(fā)育過程中發(fā)揮了重要的作用，并且dPCD 過程是由復(fù)雜的信號和轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)控制的。dPCD 作為某些細(xì)胞類型的最終分化步驟必須與早期的分化步驟緊密協(xié)調(diào)，過早或延遲的dPCD 可能會嚴(yán)重影響細(xì)胞功能。植物激素等信號因子已被證明在特定dPCD 事件中發(fā)揮關(guān)鍵作用。然而，相關(guān)信號通路與dPCD 相關(guān)基因表達(dá)之間調(diào)控的分子機制仍有待闡明。本文對植物dPCD 的功能和調(diào)控機制等方面的闡述，為進一步探索植物dPCD 的分子機制提供理論依據(jù)，也為利用基因工程方法調(diào)控植物的特定發(fā)育過程奠定基礎(chǔ)。