ABAH2O2和NO在植物細胞凋亡中的作用

楊衛民+杜京旗+趙君+閆艷華

摘?要?在特定時間和區域內細胞自主地發生凋亡或死亡現象，這是植物抵御生物和非生物脅迫的基本機制。環境信號因子，如日照、強光、UV、重度污染等環境信號分子，通過刺激胞內效應物的形成會引起果實細胞發生凋亡或死亡現象。一些信號分子，如Ca2+、H2O2、NO和ABA可能是誘導植物細胞發生凋亡的重要內在因子。但到目前為止，我們對這些誘導植物細胞凋亡因子的作用機制知之甚少。本文綜述了ABA、H2O2和NO的產生、在環境脅迫下的作用以及在植物細胞凋亡中的相互作用。

關鍵詞?ABA；ROS；RON；Ca2+；非生物脅迫；信號分子；細胞凋亡

中圖分類號：R363?文獻標志碼：C?文章編號：1673-890X（2014）03-119-6

細胞程序性死亡（PCD）或細胞凋亡在植物體發育過程中普遍存在，是植物在外在信號或內源信號或二者協同作用下，在特定區域和特定時間發生的細胞死亡過程[1]。PCD是植物在生長發育過程中的一部分。植物通過PCD的方式來消除細胞損傷、衰老與病變細胞，PCD是維持植物代謝活動的一種生理機制，它有可能伴隨植物個體的整個生命過程，也可能是植物細胞分化的最后階段。另外，植物細胞PCD是抵御環境中非生物或生物脅迫的一種基本機制。植物細胞PCD發生機制的研究目前還處于起步階段。一些植物激素，如脫落酸（ABA）、細胞分裂素（CT）、赤霉素（GA）和乙烯ET等激素都可能會誘導植物細胞PCD的發生，如它們誘導了纖維、管狀分子、石細胞、木栓細胞等的分化。而非生物因素，如Ca2+、活性氧（ROS）和活性氮（RON）也可能是誘導植物細胞PCD發生的重要內在因子。但是，我們對這些誘導植物細胞PCD的因子以及作用機制還需要進一步探討。

1?ABA及其信號轉導與植物細胞

凋亡

細胞凋亡可能由一系列生理和應激因子引起。 細胞凋亡可能存在不同的幾種信號途徑，一種因子或幾種因子可能激活一種或幾種特定的信號途徑，而特定細胞信號途徑的激活可能有細胞的特異性。有可能是多種上游信號途徑會在下游匯聚，以激活一個共同的能致使凋亡細胞降解的最終效應機制。植物體內光敏色素A在光周期調節ABA水平中起作用[2-3]。作為植物逆境激素，ABA介導了環境脅迫和植物抗逆反應，調控著植物生長發育以及響應環境信號，它普遍存在于高等植物中[4]。研究表明；Ca2+、ROS、RON、CaMP、cGMP、IP3是ABA誘導氣孔關閉信號網絡中的關鍵分子[5-6]。Ca2+、鈣調素（CaM）、蛋白激酶（PK）、二磷酸腺苷核糖（ADPR）和cGMP等可能是ROS和NO信號途徑中的下游分子，這些信號分子間可能形成了一個較為復雜的植物細胞凋亡的網絡系統[7-8]。

植物激素中的GA和脫落酸ABA等參與植物PCD過程的調節。已有實驗證明；水稻和大麥等種子萌發過程中一些水解酶如α-淀粉酶的活性可被GA調節，它們參與了胚乳糊粉細胞PCD的發生。GA通過調節糊粉細胞中的ROS水平啟動了細胞PCD的發生，GA起到對細胞PCD的正向調控作用[9]。與此同時，ABA可抵消GA的作用，它是糊粉層細胞PCD的負調控因子。因此，ABA對GA信號介導的細胞PCD具有拮抗效應[10]。到目前為止，有關ABA信號轉導的研究主要集中在通過誘導氣孔關閉來調節植物水分代謝，誘導脫水耐性蛋白的表達來增強植株對水分脅迫的抗性以及ABA增強水分脅迫耐性的作用和誘導的抗氧化防護系統等諸方面。

2?ROS 是誘發植物細胞凋亡的重要內源調節因子

O3、高光照、機械損傷、干旱、UV等，這些重要的環境脅迫因子，它們都是通過誘導ROS的產生而起作用的。它們通過產生氧脅迫的刺激因子，誘導了一些保護基因，如GST1、GPX、PR1的表達，啟動了一種由H2O2介導的PCD途徑。H2O2在這些眾多的非特異性反應中作為信號分子，很可能參與或調控了PCD信號傳導過程，并同時也可能誘導植物防御基因的表達。研究顯示，低濃度的ROS能誘導或激活了超抗壞血酸過氧化物酶（APX）、過氧化氫酶（CaT）、氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px） 等的表達或酶的活性；還能被如VitC、VitE、谷胱甘肽（GSH）和β-胡蘿卜素等非酶抗氧化化合物所清除；而大量產生的ROS則能迅速通過R基因誘導PCD過程。

Ca2+刺激會導致體內ROS和RON的積累，ROS和RON作為蛋白激酶的上游信號分子參與調控PCD過程[11]。正常情況下，在植物細胞中，ROS的產生和清除維持著一種動態平衡，CaT、GST、線粒體交替氧化酶（AOX）、APX和SOD等負責清除細胞內的ROS[12]。外源ROS、抗氧化劑或有可能改變著ROS的水平，突變體顯示ROS參與了植物PCD。一條極有可能的途徑是線粒體通過程釋放、產生細胞色素C，從而擾亂電子傳遞鏈產生ROS，并激活類Caspase活性[13]。

H2O2是一種氧化脅迫的一個刺激因子。H2O2可穩定地在細胞內存話較長的時間，并將它從產生位點輸送到細胞的各個部位。ROS的作用位點可能存在于信號傳遞途徑中不同的層次。既可將質膜受體上的巰基氧化或活化，還可激活或抑制信號級聯反應中的一些重要酶類。如活化酪氨酸激酶和蛋白激酶C，抑制酪氨酸磷酸化酶活性，同時還可可能活化基因應答元件等。

3?RON也是誘發植物細胞凋亡的重要內源調節因子

NO是在逆境下與ROS相互作用的主要的信號分子，也是植物細胞凋亡過程中的重要內源調節因子。在植物抵抗病原菌的入侵時，在植物過敏反應過程中（HR）中，NO與H2O2的相互協調作用可得到充分體現。隨著ROS的瞬間爆發，在NO合酶活性也隨之增強，NO的的合成到達了高峰[14]。在植物HR反應的細胞凋亡或死亡過程中，細胞色素C從線粒體中釋放到胞質的過程，并導致Caspase的信號級聯的反應是由H2O2和NO引起的[15]。在生物和非生物脅迫下，植物體內H2O2和NO通過產生單線態氧或羥自由基誘導了細胞凋亡或死亡。在使用NO供體SNP時，有人發現NO影響CaT、APX和細胞色素C氧化酶（COX）等酶活性來參與和調控植物體生理代謝過程是由NO通過抑制抗氧化物酶活性來調節細胞內ROS水平的。Clark[16]等在煙草中發現，SNP使H2O2積累是通過可逆抑制CaT和APX活性實現的。GuO[17]等發現，高水平的ROS是在不能表達At-NOS1擬南芥植物體內呈現的，這表明了在一定條件下NO有抗氧化作用，可降低細胞的損傷和衰老。在生物逆境下，NO的保護作用與由NO介導的降低植物體內ROS水平是密切相關的[18]。以上事實都為NO的抗氧化作用以及NO可能直接清除ROS提供了實驗支持。重要的是；有事實表明，植物體內O2-和H2O2產生的相對速率與調節NO參與的反應關系相當密切。就是說如果體內NO—O2-的平衡有利于O2-生成，NO就在與H2O2反應前就被清除了。而假如這種平衡有利于NO的進行，O2-就在它轉變成為H2O2前也被清除了。NO和H2O2的協同作用可能會導致細胞發生凋亡或死亡，沒有特殊的毒性的ONOO-形成是依靠NO和O2-的相互清除[19]。在百日草莖中的NO的產生的實驗中，Gabaldón等[20]利用激光共聚焦掃描顯微鏡，他們發現，木質部和韌皮部細胞是主要產生NO的部位，NO的爆發性釋放是發生在即將開始分化的木質部細胞中的。研究發現細胞內NO和亞硝基硫醇（SNO）水平對H2O2誘導的水稻葉肉細胞PCD起著很重要得作用，H2O2水平的升高將會激活硝酸還原酶（nitrate reductase）的活性，導致NO在細胞內被積累。在其突變體中發現，除去NO后葉子或懸浮細胞中的細胞死亡數量會呈現明顯降低的趨勢，這些都顯示出了NO在H2O2誘導的細胞PCD中是一個很重要的內源調節因子[21]。另外，他人也發現，促進病原誘導的植物細胞死亡中是NO與ROS協同作用的結

果[22]。

4?Ca2+和其它分子與植物細胞凋亡的關系

Ca2+及鈣調素系統可能是啟動PCD階段的關鍵因子。在細胞PCD發生以前，植物體內鈣調素水平會出現瞬間升高，有人發現使用鈣調素的類似物能有效阻止百日草細胞PCD的發生[23]。這說明了Ca2+和鈣調素系統可能是啟動PCD階段的關鍵因子。GrOOver和JOne[24]在一個能引發細胞死亡的模型中。絲氨酸蛋白酶出現在TE的分化過程中，它降解的細胞壁中的一些蛋白產物會刺激Ca2+的產生，細胞內Ca2+濃度的升高將導致液泡破裂，從而引起細胞PCD的發生。

細胞色素C胞質內的釋放與細胞凋亡的關系。細胞色素C 是電子傳遞鏈中的一個重要的電子載體。研究發現，當植物細胞凋亡發生時，線粒體的外膜被蛋白Bax穿透，將細胞色素c 釋放到細胞質中去。細胞色素C在細胞質中與Apaf- I有可能形成有7個臂的凋亡小體而激活了半胱氨酸蛋白切割酶，引起細胞發生凋亡現象[25]。有人在熱休克誘導煙草亮黃色2細胞2H后發現，細胞色素C可從完整的線粒體中被釋放到胞質內，當細胞色素C在胞質內達到一定濃度時，它通過激活或提高類Caspase-3活性導致植物細胞PCD的發生[26]。在向日葵中也發現，線粒體突變能誘導細胞色素C的釋放并誘導PCD的發生[27]。研究還發現，它們能調節線粒體的通透性而不需要Ca2+和其他因素，使線粒體發生不可逆的膜電位損傷及細胞色素C的釋放，誘導PCD的

產生[28]。

蛋白酶體可能是細胞凋亡的關鍵調節因子。研究顯示，激活依賴Ca2+的蛋白激酶可通過提高Ca2+水平來實現。在不親和罌粟花粉中，SI會激活一種促分裂原活化蛋白激酶（MAPK），并進一步激活類Caspase-3蛋白酶，最終導致PCD[29]。植物液泡加工酶VPE具有類Caspase-1的活性，可能是細胞凋亡的關鍵調節因子。在研究擬南芥中發現，在管狀分子分化和葉片衰老過程中出現αVPE和δVPE的高表達；在種皮中發生PCD的幾層細胞中，幾層細胞的PCD參與種皮的發育形成是通過γVPE特異地表達和調節的[30]。VPE同源基因的表達與次生木質部發育過程相關可通過楊樹莖的基因表達芯片分析來表明[31]。VPE還參與病毒以及真菌毒素誘導的植物超敏反應的PCD[32]。最新發現，具有類Caspase-3活性的20S蛋白酶體在木質部分化過程中起重要的作用，用類Caspase-3抑制劑（Ac-DEVD-CHO）處理后影響了擬南芥子葉葉脈的形成；而用蛋白酶體抑制劑clastO-lactacystin β-lactOne處理則延緩了管狀分子分化過程中的PCD的發生，這些表明了蛋白酶體參與植物細胞PCD的調控[33]。

核酸內切酶也參與了細胞PCD過程。DNase可協助完成胞內細胞核的清除，降解核DNa。利用DNa電泳法、TUNEL法和DNaSDS-PAGE 等方法檢測發現，多種植物細胞PCD過程中DNase活性的變化明顯。如谷物種子發育和胚乳的降解[34]，單性花的發育[35]，種子根尖的發育[36]，導管分子的分化[37]，雌雄配子體細胞的PCD[38]等，但在分子水平上對DNase基因的研究報道較少。

5?結束語

在效應物刺激下，細胞膜上的Ca2+、H+通道開放，Ca2+、H+內流，細胞質中Ca2+濃度增大，同時胞外介質pH值升高。Ca2+作為胞內信號分子，參與了外源刺激的細胞PCD信號轉導，它可能是啟動PCD階段的關鍵因子。胞質中Ca2+可刺激胞內H2O2產生，細胞質中較高水平Ca2+濃度以及胞外較高pH值使與ROS產生或清除有關的酶（APX、GR、膜NOX以及細胞壁POD等）活化，最終誘發了ROS的爆發，激活磷酸激酶（MAPK）等，啟動了PCD途徑。細胞膜上 NOX是ROS產生的重要酶之一，在多數情況下，NOX分別以NaDPH和O2作為電子供體及受體并產生ROS。酪氨酸激酶抑制劑HerbimyciNa、G-蛋白抑制劑蘇拉明（Suramin）、離子通道阻斷劑antHracene-9-CarbOxylate acia、Ca2+離子通道阻斷劑利福平（NiFedipine）、PLC抑制劑新霉素（NeOmycin）在誘導子處理后短時間內抑制氧爆發。可見，ROS是誘導細胞PCD發生的重要分子，與其他信號分子Ca2+、NO、MAPK一起都處于信號轉導的上游，起胞內傳遞外源誘導的

作用。

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（責任編輯：劉昀）