摘 要：細(xì)胞編程性死亡（PCD）是一種由自身基因控制的、主動(dòng)的細(xì)胞死亡過程，存在于植物發(fā)育的各階段，在植物正常生長(zhǎng)發(fā)育過程中起著重要作用。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，近年來對(duì)其發(fā)生的分子機(jī)制也進(jìn)行了廣泛的研究。本文就植物PCD發(fā)生的特征、檢測(cè)手段以及調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了概述，并進(jìn)行了進(jìn)一步的展望。

關(guān)鍵詞：植物；細(xì)胞程序性死亡；調(diào)控機(jī)制

細(xì)胞死亡是生物體的一種常見現(xiàn)象。一般來講，細(xì)胞死亡可分為兩種類型：細(xì)胞壞死和細(xì)胞程序化死亡。細(xì)胞壞死是細(xì)胞在遭受極度刺激時(shí)引起的細(xì)胞死亡，以原生質(zhì)膜的破裂為特征，造成細(xì)胞內(nèi)含物的炎性泄露，是一種非正常死亡。程序性死亡或細(xì)胞凋亡是多細(xì)胞生物體中一些細(xì)胞所采取的一種由自身基因調(diào)控的主動(dòng)死亡方式。

l植物PCD發(fā)生的一般特征

1.1形態(tài)學(xué)上的特征

發(fā)生PCD或凋亡的細(xì)胞有其獨(dú)特的形態(tài)學(xué)特征。近年來，植物學(xué)家從超微結(jié)構(gòu)、組織化學(xué)、細(xì)胞化學(xué)、生物化學(xué)以及分子生物學(xué)等方面對(duì)植物PCD現(xiàn)象進(jìn)行了研究.發(fā)現(xiàn)植物與動(dòng)物PCD有著許多相似的特征。植物與動(dòng)物細(xì)胞PCD有許多相似的特征，包括細(xì)胞形態(tài)和DAN降解變化等。形態(tài)學(xué)上典型的細(xì)胞程序性死亡的形態(tài)學(xué)變化過程是：早期細(xì)胞之間的鏈接消失，細(xì)胞體出現(xiàn)收縮，胞漿密度加大，細(xì)胞器完整但緊密壓縮，核濃縮，染色質(zhì)分布于核膜邊緣，隨后由膜包圍DNA片段而形成凋亡小體。

1.2在生物化學(xué)上的特征

（1）最明顯的特征是半胱氨酰天冬氨酸蛋白酶的出現(xiàn)和核酸內(nèi)切酶活性增加，使染色質(zhì)降解，核DNA從核小體間降解斷裂分為兩個(gè)階段：第一階段核DNA從核小體間降解斷裂成較大片段的染色質(zhì)DNA片段。第二階段，斷裂的染色質(zhì)DNA片段被依賴Ca、Mg的DNA酶I水解產(chǎn)生帶有3‘-OH末端的、大小不同的寡聚核小體片段，其片段大小為180-200bp的整倍數(shù)，其中，DNA片段化被認(rèn)為是最主要的凋亡特征，在含溴化乙錠的瓊脂糖凝膠上呈典型的“梯形”DNA條帶。

（2）PCD過程中生物大分子的合成，因?yàn)檫@一過程可被放線菌素D抑制，與DNA形成復(fù)合體，抑制RNA多聚酶的功能，抑制特別是mRNA的合成，因此可能有新的蛋白質(zhì)合成。

（3）細(xì)胞中的離子也發(fā)生變化，特別是Ca離子，如果細(xì)胞內(nèi)Ca增加，打開了Ca通道，就開始了凋亡過程。而Zn是核酸酶的抑制劑，所以它能阻止凋亡過程。

（4）細(xì)胞骨架的變化是PCD的又一特征，去掉細(xì)胞的微管可以導(dǎo)致凋亡的發(fā)生。

2 PCD發(fā)生過程

細(xì)胞一旦進(jìn)入PCD，通常要經(jīng)過以下過程：

（1）染色質(zhì)濃縮前階段，此階段長(zhǎng)短不一，無形態(tài)學(xué)變化，谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶合成增加，某些蛋白酶被激活

（2）染色質(zhì)開始濃縮，并分布在核膜周圍（邊緣化），一些依賴于Ca、Mg的核酸內(nèi)切酶被激活，使染色質(zhì)斷裂成片段。

（3）染色質(zhì)濃縮，細(xì)胞膜形成膜泡，膜中糖蛋白的組成發(fā)生很大變化。

（4）膜泡形成凋亡小體，并通過特異識(shí)別蛋白被周圍細(xì)胞或巨嗜細(xì)胞吞噬，然后被溶酶體分解。

3植物PCD的檢測(cè)方法

3.1細(xì)胞形態(tài)法觀察植物PCD

3.1.1光學(xué)顯微鏡觀察

PCD細(xì)胞形態(tài)特征，如細(xì)胞體積縮小，核質(zhì)濃縮聚集，形成凋亡小體等。但一般只能作細(xì)胞PCD的推測(cè)，不具有診斷價(jià)值，因?yàn)樵诠忡R下某些類型的細(xì)胞壞死與細(xì)胞凋亡的形態(tài)相似。

3.1.2電子顯微鏡

PCD細(xì)胞體積變小，細(xì)胞質(zhì)濃縮。凋亡I期的細(xì)胞核內(nèi)染色質(zhì)高度盤繞，出現(xiàn)許多稱為氣穴現(xiàn)象的空泡結(jié)構(gòu)；II期細(xì)胞核的染色質(zhì)高度凝聚、邊緣化、呈半月狀；細(xì)胞凋亡的晚期，細(xì)胞核裂解為碎塊，產(chǎn)生凋亡小體。電鏡超微結(jié)構(gòu)的觀察是診斷細(xì)胞PCD的指標(biāo)，尤其是凋亡小體的發(fā)現(xiàn)。但電鏡只能定性而無法定量，而且觀察到凋亡小體的機(jī)率也不高。

3.2用生理生化及分子生物學(xué)方法檢測(cè)植物PCD

3.2.1 DNA梯狀條帶

PCD時(shí)基因組DNA可斷裂成長(zhǎng)度為180～200bp倍數(shù)的梯狀條帶，這是一種專一的核酸內(nèi)切酶作用于核小體間降解DNA的結(jié)果。DNA梯狀條帶的存在與否是區(qū)分PCD與壞死的標(biāo)準(zhǔn)之一。對(duì)于壞死細(xì)胞的DNA而言，基因組DNA的降解隨機(jī)發(fā)生，在電泳膠上只能檢測(cè)到連續(xù)分布的DNA條帶。PEG6000誘導(dǎo)的小麥葉片、羥自由基誘導(dǎo)的煙草細(xì)胞、細(xì)胞色素c誘導(dǎo)的胡蘿卜和煙草原生質(zhì)體和乙烯誘導(dǎo)的胡蘿卜原生質(zhì)體發(fā)生PCD時(shí)均檢測(cè)到DNA梯狀條帶。但并非所有進(jìn)行PCD的細(xì)胞都能產(chǎn)生DNA特異片段，有時(shí)基因組DNA可降解成50kb左右的片段。但大多數(shù)情況下在PCD組織中不能檢測(cè)到這種DNA特異條帶是由于樣品中PCD細(xì)胞的比例較低。有些研究者應(yīng)用Southem雜交檢測(cè)DNA特異片段，取得良好結(jié)果。

3.2.2原位末端標(biāo)記

其原理是核DNA斷裂產(chǎn)生的3——OH末端，通過DNA末端轉(zhuǎn)移酶將帶標(biāo)記的dUT間接或者直接連到斷裂產(chǎn)生的3——OH末端，再通過熒光檢測(cè)定量分析結(jié)果。

3.2.3彗星電泳法

這種方法也叫單細(xì)胞凝膠電泳。將單個(gè)細(xì)胞懸浮于瓊脂糖凝膠中，經(jīng)裂解處理后，在電場(chǎng)中進(jìn)行短時(shí)間電泳，在用熒光染料染色進(jìn)行觀察。發(fā)生PCD時(shí)細(xì)胞中形成降解的DNA片段，在電場(chǎng)中泳動(dòng)的速度較快，使細(xì)胞核呈現(xiàn)彗星狀圖案，而正常的未發(fā)生DNA斷裂的核在電泳時(shí)保持球形，這也是一種簡(jiǎn)便的PCD檢測(cè)方法。

4植物PCD的分子調(diào)控機(jī)制

根據(jù)作用原理不同可將植物的PCD的分子調(diào)控機(jī)制分為基因調(diào)控、蛋白調(diào)控和信號(hào)調(diào)控。

4.1基因調(diào)控

基因調(diào)控是PCD調(diào)控的核心內(nèi)容，目前已經(jīng)找到了一些與植物PCD相關(guān)的基因。擬南芥中發(fā)現(xiàn)的SUS1、SUS2、SUS3與胚柄細(xì)胞的PCD相關(guān)，如果這些基因發(fā)生隱性突變胚柄細(xì)胞的PCD將不再發(fā)生，從而形成一個(gè)大胚柄，破壞了胚的正常形態(tài)。Ts2基因參與了玉米原始雌蕊細(xì)胞群的PCD，如這個(gè)基因發(fā)生突變，會(huì)導(dǎo)致雌蕊原基細(xì)胞不能正常死亡，導(dǎo)致雄蕊雌性化。近來有研究表明水稻中的OsTDR基因通過調(diào)控與細(xì)胞降解相關(guān)的基因OsC6和OsCP1，來實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻花粉絨氈層細(xì)胞的PCD進(jìn)行正調(diào)控。

4.2蛋白調(diào)控

最近研究表明液泡加工酶、Metacapspase和Saspase在植物PCD過程中起到類似動(dòng)物Caspase酶類調(diào)控的作用。VPE是由HaraNishimura等1991年從蓖麻液泡中純化出的半胱氨酸蛋白酶，表現(xiàn)出與Caspase酶類似的活性，通過激活細(xì)胞液泡的調(diào)控系統(tǒng)調(diào)控PCD，使液泡崩解，是植物PCD的執(zhí)行者。Saspase是一種在燕麥中發(fā)現(xiàn)的以絲氨酸為反應(yīng)位點(diǎn)的類Caspase酶，可以水解多種Caspase酶的特異性底物。

4.3信號(hào)調(diào)控

研究表明，活性氧參與植物PCD的調(diào)控，低劑量ROS即可觸發(fā)植物PCD是ROS調(diào)控PCD的直接證據(jù)。ROS參與PCD的最直接證據(jù)是低劑量的ROS可以誘導(dǎo)PCD。在植物組織中各種逆境包括衰老、冷害、滲透脅迫、低氧、紫外輻射、臭氧和HR導(dǎo)致的PCD最終都于ROS的產(chǎn)生有關(guān) ， 02-是引發(fā)細(xì)胞PCD的關(guān)鍵性活性氧，其在細(xì)胞PCD之前和PCD區(qū)域的周圍細(xì)胞中大量積累。02一在細(xì)胞PCD之前先在某一位點(diǎn)積累，隨后向相鄰的活細(xì)胞擴(kuò)散，引起周邊HR細(xì)胞損傷。上述結(jié)果表明02一在誘導(dǎo)細(xì)胞PCD過程中起著重要作用。

5 PCD研究的意義和展望

植物PCD是在植物發(fā)育的特定階段發(fā)生的、自然的細(xì)胞死亡過程，這一過程由某些特定基因編碼的程序所控制，它對(duì)于維持植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要。盡管目前對(duì)植物細(xì)胞凋亡和生存的機(jī)制所知甚少，但人們逐漸認(rèn)識(shí)到PCD是植物生長(zhǎng)發(fā)育的一個(gè)基本組成部分。大量的研究結(jié)果證明，植物體的各部分，如根、莖、葉、花、果等的死亡，注定會(huì)在生活史的特定階段發(fā)生、特定位置、特定時(shí)間發(fā)生死亡，這對(duì)植物體有著重要的生物學(xué)意義。因此，闡明細(xì)胞凋亡的分子機(jī)制，探討細(xì)胞凋亡與衰老、病原物等間的關(guān)系，將是今后重點(diǎn)研究工作之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏啟中，等.與植物超敏反應(yīng)（HR）相關(guān)的細(xì)胞編程性死亡陰.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2005，24（1）：97—103.

[2]Chae H S，Lee W S，2001.Ethylene and enzyme-mediated superoxide production and cell death in carrot cells grown under carbon starvation.Plant Cell Report，20：256-261.

[3]Cmnawardena A.H L，Pearce D M.，Jackson M.B.，Hawes C.R，and Evans D.E.2001， Charactedzation of programmed cell death During aerenchyma formation induced by ethylene or hypoxia in roots of maize（Zea mays L .） Planta，212：205-214.

作者簡(jiǎn)介：

杜秋麗（1986—），女，漢族，山東菏澤，助教，碩士研究生，研究方向：生物化學(xué)與分子生物學(xué)。

（作者單位：濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院）