植物發育調節型程序性細胞死亡研究進展

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）

程序性細胞死亡（PCD）被認為是一種由基因控制，通過消除舊細胞、損壞或不需要的細胞來維持細胞平衡的過程[1-3]。在植物中，PCD 涉及生命的許多方面，從生殖發育到整個植物的衰老，從典型的生殖生長到對環境脅迫的適應反應都有PCD 的參與。總之，PCD 在植物發育和應對生物與非生物壓力方面都發揮著重要作用[4-6]。在植物中，PCD 可以分為發育調節型PCD（dPCD）和環境誘導型PCD（ePCD）。dPCD 是由細胞內部刺激激活的，在時間和空間上都有很好的程序性控制。在常規植物發育過程中，dPCD 是細胞類型特異性分化程序的最終步驟，例如根冠發育、葉片衰老、細胞質雄性不育，植物細胞在植物器官衰老的最后階段以發育受控的方式死亡。總之，dPCD在除具有短暫功能的組織、器官或芽的形態發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 來提高生產效率提供了重要依據。

1 植物dPCD 的功能

植物發育過程中，在營養和生殖發育的不同階段，人們發現了數量驚人的dPCD 過程[7]。

（1）木質部導管的分化。植物中dPCD 的一個范例發生在木質部導管的分化的過程中[8]。在高等植物中，PCD 作為木質部管狀分子細胞的最終分化步驟，誘導細胞死亡，死亡的細胞只保留細胞壁，從而形成了相互連接的中空系統，負責將水分和礦物質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。通氣組織的特征是巨大的細胞間隙（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，乙烯通過激活與細胞壁降解相關的基因和PCD 來誘導根皮層細胞中形成通氣組織[12]。

（3）根冠細胞的死亡。根冠覆蓋著正在生長的根尖，對根的生長和根系結構形成具有重要的作用，包括重力感應和對根尖中干細胞的保護[13-15]。與其他植物器官不同，根冠顯示出快速的細胞更新。在根生長期間，不斷產生新的根冠細胞層，同時不斷去除最外側的根冠層，這個過程被認為是PCD。例如擬南芥，精確定時和緊密協調的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）葉片形態的產生。雖然葉片形態發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、齒是需要消除細胞來形成的。而細胞的消除，是通過PCD 完成的[17-19]。復雜葉片形狀的形成是發育性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的PCD 特征，其次是DNA 斷裂，核形態變化，細胞質收縮和細胞器分解。

（5）大孢子細胞死亡。雌配子體產生的第一步是大孢子母細胞減數分裂，產生四個減數分裂產物。然而，在大多數植物物種中，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育控制的過程。同時這三個退化細胞表現出PCD 的一些典型癥狀，包括細胞收縮、細胞質紊亂和核裂解等現象。

（6）絨氈層細胞死亡。花粉發育是植物有性繁殖成功的關鍵，絨氈層退化的精確時間對花粉成熟至關重要[20-23]。花粉形成發生在花藥內。花藥由四種不同的細胞層組成，包括表皮、內皮、中間層和絨氈層[24]。在花藥發育中，絨氈層提供了許多花粉發育所必需的蛋白質、脂質、多糖和其他分子。絨氈層的分化和降解受發育調控，其在特定的時間進行dPCD 是至關重要的，因為延遲的絨氈層分化會導致花粉敗育。

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

總之，dPCD 在植物生長發育過程中，起到了非常關鍵的作用。

2 調控植物dPCD 的信號因子

（1）植物激素。許多植物激素，包括生長素、細胞分裂素、赤霉素、脫落酸（ABA）、茉莉酸鹽和乙烯，都與植物細胞死亡的調控有關[27]。植物中的天然生長素是吲哚-3- 乙酸（IAA）。死亡細胞被證明有助于產生惰性IAA，因為死亡細胞中的蛋白質被水解，一些色氨酸被釋放到相鄰的細胞，而植物體內產生IAA 的主要生化途徑是色氨酸途徑[28-32]。生長素通過dPCD 在垂死細胞和相鄰細胞之間的傳遞在植物生長和發育中起著至關重要的作用。已有研究證明當葉脈、花瓣和根部的木質部細胞死亡時，它們周圍的生長素水平會立即增加[33]。當極性生長素運輸受到抑制時，分化的木質部在局部進一步誘導，同時保持較高濃度的生長素水平[34]。在這個過程中，分化的木質部細胞被認為是“干細胞組織者”，導致形成層干細胞附近新的組織者的形成，并分化為成熟木質部本身。在側根帽中，dPCD 和生長素形成一種循環作用，協調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，生長素是參與細胞分化的重要信號，尤其是在發育調控的細胞死亡中。乙烯是第一種被鑒定的氣態植物激素，是植物生長發育的關鍵調節器[38]，乙烯同樣被認為是植物dPCD 的重要調節因子[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常表現出延遲衰老的現象。此外，抑制乙烯產生的番茄品種也顯示出葉片衰老延遲[42]。與乙烯有關的信號基因的表達和激活同時發生在絨氈層細胞中，并調節絨氈層細胞的死亡。乙烯也是花器官形成和發育的活躍信號[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 相關過程，例如，赤霉素在導管分化過程中至關重要[44]，茉莉酸是葉片衰老所必需的[45]。總之，植物激素在植物dPCD 中發揮著許多作用。

（2）活性氧。活性氧（ROS）是化學上不穩定的氧衍生物，在有氧生物的生長、發育和對環境刺激的反應等生物過程中充當信號分子[46-48]。ROS已被認為是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）的產生，或引起蛋白質翻譯后修飾，最終激活執行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，介導由葉綠體產生的H2O2觸發的dPCD。在發育過程中H2O2誘導dPCD 的一個很好的例子是糊粉細胞死亡。在種子萌發期間，糊粉層細胞通過α- 淀粉酶的合成代謝其儲備的碳水化合物，該過程結束后迅速發生細胞死亡[50]，這種細胞死亡依賴于乙醛體產生H2O2[51]。活性氧在dPCD 過程中的作用嚴格取決于其濃度，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，一些研究已經證明了鈣離子在dPCD 過程中的關鍵作用，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，通過將細胞質Ca2+濃度保持在較低水平來抑制G2 豌豆（Pisum sativumL.）和轉基因擬南芥頂端分生組織中的dPCD[54]。先前的研究表明，細胞核中Ca2+濃度的增加可能會激活分泌腔細胞中的dPCD，并且Ca2+濃度的升高改善了細胞對核DNA 降解的調節[55]。研究人員還發現，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+在花粉管的引導和接收中起著至關重要的作用。在這個過程中，它會引發花粉管和一個助細胞的PCD[57]。在荔枝花的發育過程中，研究人員發現雄花的內珠被細胞經歷了PCD，這是由Ca2+的分布變化觸發的[58]。

（4）一氧化氮。一氧化氮（NO）具有結構簡單、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，作為許多信號轉導途徑的基本組成部分參與調節植物的生長發育[61-62]。現已確定NO 在光周期、春化、赤霉素和生物鐘等內部和外部信號通路中調節植物生長發育[63-64]。在研究NO 對營養生長的影響時，發現施用NO 供體硝普鈉可以延遲植物開花[65]。研究人員還發現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、細胞死亡和DNA 斷裂有關。NO 和H2O2可以相互誘導合成，H2O2和NO 之間的信號串擾可以協同調節葉片細胞死亡[68]。在珠心細胞退化期間，大量NO 和H2O2的產生引發珠心dPCD[69]。

3 植物dPCD 的調控機制

植物發育調節型程序性細胞死亡（dPCD）過程存在復雜的調控網絡，以確保PCD 以精確的時空方式啟動和執行。

第一階段，在細胞分化過程中準備PCD。在未分化的細胞中，植物激素和轉錄因子協調作用誘導細胞重新編程。分化的細胞中開始積累活躍的蛋白酶。蛋白酶存在于液泡中，用于保持細胞分解代謝處于穩定狀態。當一組不同的轉錄因子激活分化程序的PCD 模塊后，分化的細胞開始通過在不同的專用隔室中積累裂解酶（或其酶原）來為細胞死亡做好準備。

第二階段，觸發PCD 的啟動。第二信使（Ca2+和ROS）和其他未知信號的級聯，觸發細胞開始執行死亡。作為分化程序的最后一步，植物細胞為執行dPCD 做準備是一個循序漸進的過程，涉及mRNA 和蛋白質的積累。一旦完成了這些積累，就必須存在一個嚴格控制的信號網絡，以確保dPCD 在恰好合適的時機（即所有需要活躍的細胞代謝的過程都已完成）被激活。已經觀察到與dPCD 相關的幾個第二信使和信號路徑，它們可能是觸發dPCD 執行的信令網絡的一部分。活性氧（ROS）被認為在植物生物學中起著雙重作用。它們是許多重要信號傳遞反應所必需的，也是有氧代謝的有毒副產物。之前細胞死亡被認為是ROS 通過氧化直接殺死細胞（即通過氧化應激）的結果，現在被認為是ROS 充當信號分子，觸發細胞死亡編程途徑的結果[70]。除ROS 外，dPCD 過程也包含鈣離子信號。細胞內的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境刺激而變化[71]。當鈣離子通道被激活后，引起大量Ca2+向細胞質流入，產生Ca2+離子通量以觸發dPCD。PCD 一旦觸發，一系列反應會導致細胞重要功能的有序終止。在垂死的細胞中，細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，死亡細胞的清除。最后一個階段，細胞的液泡膜破裂被認為是細胞死亡的最終時刻。在動物中，降解的凋亡細胞被碎片化為凋亡小體，被吞噬以進一步進行非細胞自主降解。與動物不同，對于死亡細胞，植物有另外一種清除體系。植物細胞尸體的清除是通過溶解酶來實現的，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胞區室中。一旦這些酶被激活或從它們的存儲空間中釋放出來，許多細胞成分就會迅速降解。在大多數細胞中，細胞尸體所有剩余的碎片都將被清除，但也存在特殊的細胞類型，細胞壁保留，細胞尸體將會執行特定的功能。

4 結語

綜上所述，dPCD 在植物的生長發育過程中發揮了重要的作用，并且dPCD 過程是由復雜的信號和轉錄調控網絡控制的。dPCD 作為某些細胞類型的最終分化步驟必須與早期的分化步驟緊密協調，過早或延遲的dPCD 可能會嚴重影響細胞功能。植物激素等信號因子已被證明在特定dPCD 事件中發揮關鍵作用。然而，相關信號通路與dPCD 相關基因表達之間調控的分子機制仍有待闡明。本文對植物dPCD 的功能和調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，也為利用基因工程方法調控植物的特定發育過程奠定基礎。