植物细胞的编程性死亡

植物细胞的编程性死亡 () 植物学通报 1998 , 15 5:40,43 Chi nese B ulleti n of Bot a ny 植物细胞的编程性死亡 郭小丁 ( ) 江苏徐州甘薯研究中心 徐州 221121 摘要 植物细胞受基因调控死亡 ,这种编程性定位的细胞死亡具有积极的生理功能 ,形成有利于自身发展的结构 。基因调控细胞内的酶活动 ,细胞器产生变化 ,导致细胞死亡 。外部因素可调节植物基因及基 因调控产物的达 。 关键词 细胞编程性死亡 ,酶 ,细胞器 ,基因调控 P RO GRAMM ED PL A NT CELL D EATH GU O Xiao2Ding ( )X uz hou S w eet pot ato Resea rch Center , Xuzho u 221121 Abstract The deat h of plant cells is co nt rolled by genes actio n . This p ro grammed po sting cell deat h appears to have po sitive f unctio n and to p ro duce beneficial st ruct ure to plant . The genes also co nt rol enzyme actio n and cell o rgans change , in t his case finally lead to cell deat h . The exter nal f acto rs may regulate t he exp ressio n of genes and t heir p ro duct s. Key words Pro grammed cell deat h , Enzyme , Organelle , Gene co nt rol ( ) 植物细胞的编程性死亡 Pro grammed Plant Cell Deat h可能是从动物细胞的自然凋 () () 亡 Apop to sis一词转用而来 郑德先和刘士廉 ,1994。但植物与动物不同 ,它有生长点 , 依靠细胞的不断分裂分化延续生命 ,在这个新陈代谢过程中 ,细胞要按照某种顺序死亡 。 植物细胞具有高度的全能性 ,而细胞 、组织 、器官之间又在植物整体上表现出高度的协调统一 ,显然植物生命过程受其基因调控 ,植物细胞在基因调控下分化代谢死亡的特殊意义 越来越受到人们的关注 。 1 植物细胞编程性死亡的表观现象 植物在自然环境中已形成了一整套适应环境而生存的机制 ,如温 、光 、水逆境和病虫 害的适应抵御能力 ;当获得外界信息后 ,在时空上按照某种程序进行细胞和器官分化及弹 性变化 ,如分化叶芽的顶端分生组织因光温等因素会转向花芽分化 ;细胞死亡的形式也较 多 ,种子发芽时胚乳等贮藏组织的细胞会逐渐死亡 ,不断更新着的根冠细胞组织的解离 , 树木形成层产生的薄壁细胞组织逐步木栓化死亡 ,卵细胞受精后 ,花瓣组织细胞会老化死 亡 ,果实及种子成熟时叶片及植株的老化死亡等等无不与植物基因编码控制有关 ,外界因 素可以加速或延缓植物细胞死亡进程 ,如应用植物激素的调节作用 。病原菌感染后产生 过敏反应 ,感染区的细胞为了防止对周围细胞的扩大感染而进行的积极性防御死亡 ,可能 也受基因的调控表达 。 2 植物细胞编程性死亡的生理现象 211 细胞特异化及酶活性变化 维管组织的特化细胞分化是由一系列基因程序性活动所控制 。含有导管的木质部有 从初生形成层产生的初生木质部和从维管束形成层产生的次生木质部 。初生木质部组成 () 导管的细胞分化特征是形成二次细胞壁 即胞壁加厚,细胞呈环状或螺旋状 。随着胞壁 加厚 ,细胞降解 ,细胞核 、线粒体 、微体 、高尔基体 、液泡等渐次崩溃消失 ,在垂直方向上的 细胞壁分解 ,从而形成导管 。这种伴随细胞死亡而产生导管的现象 ,在特定的时期 、特定 的细胞上发生 ,在时空上有一定的顺序变化 ,被认为是典型的编程性细胞死亡 。百日草 ( ) Zi n ni a elega ns叶肉分离出来的单细胞在含有生长素和细胞分裂素的培养基上培养 ,可 ( ) 以直接大量同步分化而形成导管 Fukuda 和 Ko mamine ,1980。根据这个实验体系 , Mi2 () nami 和 Fukuda 1996观察到液泡的崩溃发生在胞壁加厚的几小时内 。因此 ,液泡膜的消 失可认为是细胞分解过程的初期特征 ,随着液泡的崩溃 ,微体 、高尔基体开始从末端膨胀 , 再整个膨胀 ,这时叶绿体也整体膨胀成球形 ,叶绿体膜和类囊体也膨胀 ,线粒体基质的电 子密度下降 ,整体膨胀 。微体和高尔基体消失后 ,膨胀的叶绿体和线粒体残留在细胞内 。 细胞核的变化从核膜部分鼓胀开始 ,随着原生质膜的分解 ,细胞核 、叶绿体 、线粒体全部分 ( ) 解消失 Minami 和 Fukuda ,1996。 ( ) 在百日草和 V i g n a u n quicul ate 豌豆属的一个种中 ,随着导管前体细胞的分化 ,发 (现有特异的酸性磷酸酶含量提高 ,并产生糖分解酶和酸性水解酶 De 和 Ray ,1984 ; Mina2 ) () mi 和 Fukuda ,1996。Mit tler 和 L am 1995用豌豆根尖研究发现初生木质部导管前体细 胞核中有 DNA 片段 ,预示着细胞降解的开始 。百日草分离细胞中 43 kD 核酸内切酶活性 ( ) 变化的时间顺序与核 DNA 分解关系密切 Mit tler 和 L am ,1995。用 4 ,62二氨基222苯基 () 吲哚 DA P I对百日草培养细胞染色 ,发现胞壁加厚几小时后 ,导管前体细胞核的 DA P I 萤光消失 ,同时叶绿体 DNA 分解 。随着导管前体细胞的分化 ,蛋白酶活性提高 ,且变化 时间与液泡崩溃时期一致 ,可能蛋白酶首先特异形成贮存在液泡内 ,液泡崩溃后分散于原 生质体中 ,导致细胞器和细胞核的快速分解 。蛋白酶可被 E264 和甲 [ 乙 ]酰2亮2亮2精三肽 () 抑制 ,而被二硫苏糖醇 D T T激活 ,在形成二次胞壁时 ,用 E264 处理 ,细胞核不会消失 ,叶 ( ) 绿体等可长期存留在细胞内 Minami 和 Fukuda ,1996。 212 由细胞死亡产生通气组织 水稻根生长进程中皮层细胞崩溃死亡形成胞壁相连的板状结构 ,但从维管束柱伸长 ( 的侧根皮层细胞不会崩溃 ,因而说明皮层细胞的死亡是在严格调控下进行的 Kawai 等 , ) ( 1996。玉米在低氧条 件 或 高 乙 烯 浓 度 时 根 部 皮 层 细 胞 崩 溃 形 成 通 气 组 织 Drew 等 , - 5 - 5 ) (() ) 1985,用乙烯合成抑制剂 Co Cl10 mol/ L 和氨基氧化乙酸 AOA ,10 mol/ L 处理玉 2 ( ) 米根 ,通气组织形成受抑 Ko nings ,1982。 213 养分回收 42 植物学通报15 卷 通过叶绿体的 Rubisco 固定 CO合成的 ,老化叶片中完成使命的 Rubisco 光合装置由蛋白 2 + 酶分解 ,叶绿体消失 。Rubisco 及胞内蛋白质分解产生的 N H 由胞质中的谷酰胺合成酶4 ( ) ( ) GS固定为谷酰胺 ,通过维管束转运到种子等器官中再利用 Watanabe ,1996。植物的 1 GS 有两个不同位点的同工酶 GS和 GS,其作用各异 ,叶绿体上的 GS将硝酸还原和光1 2 2 + 呼吸产生的 N H 固定为谷酰胺 ,而细胞质中的 GS 则将植物体各器官间的氮素合成为4 1 ( ) 谷酰胺运输 Edwards 等 ,1990。在维管束伴胞中也发现有特异的 GS,对糖和氨基酸等 1 ( ) 的运输具有重要作用 ,老化后的氮转移 , GS是关键 Watanabe ,1996。黑暗诱导老化时 , 1 ( () ) 还发现蛋白质合成变化 Kawakami 和 Watanabe ,1988。Simp so n 等 1981发现小麦叶片 衰老时谷氨酸脱氢酶 、氨基转换酶和水解酶的活性都增强 。大麦叶片老化时可诱导出乙 ( ) 醛酸循环的两种主要酶异柠檬酸裂解酶和苹果酸合酶 Gut 和 Matile ,1988。叶片老化时诱导出的以及原有的部分酶活性增强 ,均意味着它们要参与物质的转移再分配 ,也可谓 编程的特性 。 3 植物细胞编程性死亡的基因调控 细胞的编程性死亡是按照一定的基因编码在时空上顺次表达 ,被调节的死亡信号信 息存在于细胞之中 ,如随着花药 、果皮形成而产生的细胞死亡 ,发现了半胱氨酸蛋白酶基 () 因 。Ye 等 1993从百日草培养细胞中得到一个控制导管前体细胞分化的特异基因 p 48 h2 17 ,证明为半胱氨酸蛋白酶基因 ,后来以百日草 cDNA 为通过 PCR 扩增得到两个与 半胱氨酸蛋白酶基因相同的克隆系 ZCP1 和 ZCP2 , 二者 90 %同质 。之后又以 ZCP1 和 ZCP2 混合探针 ,得到含有半胱氨酸蛋白酶基因全长的克隆系 ZCP4 。ZCP2 基因产物只在百日草萌芽时导管前体细胞中发现 ,结果表明 ,导管前体细胞分解过程中 ,半胱氨酸蛋 ( 白酶的 mRNA 也 是 特 异 的 , ZCP4 和 p 48 h212 也 可 能 编 码 这 个 酶 Minami 和 Fukuda , ) 1996。 () U meda 和 Uchimiya 1994发现水稻苗浸水处理后诱导糖酵解和乙醇酵解的基因群 , ( ) mRNA 含量增加 ,试验表明氧气从叶尖进入植株受基因调控 。Jo hn 等 1992在玉米内皮 层组织 3,4 层细胞内发现了特异的 p ZR P3 基因 ,可能与皮层细胞的分化有关 ,这些结果 表明由皮层细胞形成的通气组织是受体内基因编码调控的 。 叶片老化受基因调控的证据可通过叶片暗处理后变黄诱导出新的基因群获得 。在黄化的叶片中一些已知的基因已找不到 ,而诱导出的基因在开始老化时表现最突出 ,它们按 ( 照一定的信号顺序表达 ,引起细胞的老化分解 ,并转移营养成分 Kawakami 和 Watanabe , ) 1988a。小水萝卜子叶老化过程中 , GS基因调控转移的产物减少 ,而 GS调控的则增加2 1 ( () ) Kawakami 和 Watanabe ,1988b。Watanabe 等 1994用黑暗模拟老化处理小水萝卜子叶 时发现了三个不同 GS基因的 cDNA 克隆系 ,表明 GS也是由基因群组成 ,在这三个基 1 1 因中 , Gln1 ;1 和 Gln1 ;3 由暗处理诱导产生老化和自然老化时急剧增加 ,并且在发芽和老 化过程中都存在 ,因而这两个基因不仅在老化开始时 ,而且伴随着老化的代谢变化被诱导 () 出来 。Smart 1994还发现在发芽和老化两个过程的代谢变化中可诱导出基因编码的某 + 种蛋白酶 、苹果酸合酶 。小水萝卜 Gln1 ;1 在子叶黄化之前也可通过 N H 诱导 ,而 Gln1 ;4 + 3 在黄化后也不会被 N H 诱导 。由此看出 ,老化时基因表达由细胞中氮代谢诱导 ,但同4 ( ) 一类的不同基因的作用机制不同 Watanabe 等 ,1994, Gln1 ; 1 还受细胞内谷酰胺和谷氨 ( ) 酸的相对平衡 Gln/ Glu调控 ,比值高时 Gln1 ;1 表达受抑 。同时 ,暗处理诱导小水萝卜子 ( 叶老化 Gln1 ;1 表达与糖水平下降有关 ,若给以蔗糖处理 , Gln1 ; 1 的表达受抑 Watanabe , ) 1996。 4 植物细胞编程性死亡的生理意义 植物细胞编程性死亡是植物生命的自然属性 ,这个过程受基因调控 。细胞死亡后形 成有利于自身发展的结构 ,导管细胞死亡 、筛管细胞原生质的自溶 ,形成了有利于体内物 质运输的输导组织 ;皮层细胞死亡形成的通气组织与植物的同化 、呼吸 、蒸腾作用关系极 为密切 ;细胞死亡之前 ,细胞构成物质的回流运转 ,物质分配到某些器官的再利用 ,是植物 能够独立营养的又一特性 ;叶片老化死亡是从外界环境获得某种信息后依次回收营养再 利用 ,使植株个体生育获益 。搞清楚这个程序 ,对粮食生产及作物贮藏技术改良都具有重 要的现实意义 。 参 考 文 献 郑德先 ,刘士廉 ,1994 . 国家自然科学基金委员会生命科学部主编 :细胞生物学新动态 ,上海 :上海科学技术出版社 ,第 81,84 页 De K K , Ray S C ,1984 . 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