植物发育生物学中细胞死亡的研究进展

植物发育生物学中细胞死亡的研究进展

随着高等植物生长发育过程中细胞的克隆和分裂，以及细胞的正常死亡。在植物与外界环境的相互作用中,也会导致一些细胞的死亡,以保证个体的生存。与外界机械损伤所造成的细胞死亡不同,植物体某些部位的组织和细胞的死亡是植物对内外界环境变化的适应性生理反应,是由内外部信号引起的细胞自主死亡过程。细胞的这种死亡方式是植物发育和对环境的应答反应中一个必要的主动的过程。因此,生物体细胞的死亡可分为两种基本类型,即细胞程序性死亡(programmedcelldeath简称PCD)或细胞凋亡(apoptosis)和细胞坏死(necrosis)。20世纪90年代以来,植物细胞程序性死亡的研究逐年增多,遍布植物发育生物学的各个领域。1植物营养和pcd1.1木质部导管分化在高等植物中,无机盐及水分的运输是在特化的导管细胞之间进行的。导管细胞为死细胞,导管分子的分化包括细胞伸长、次生壁物质积累和细胞自溶。木质部导管的分化被认为是典型的PCD。Lai等发现导管自溶时,细胞质和核发生浓缩,接着破裂成许多小快,与PCD的发生相似。在以百日菊为材料研究导管细胞死亡过程中发生的形态学和生物化学变化时,发现导管的死亡受放线菌素D或放线菌酮所抑制,表明导管的死亡需要蛋白质合成。Mittler等在豌豆根木质部导管分化过程中证实了存在着核DNA的片段化,表明木质部导管的分化与PCD有关。1.2形态功能特点Raven推测,维持细胞所需的物质(如蛋白质等)可以通过胞间运转获得,筛管分子和伴胞之间通过大量的胞间连丝相连,伴胞可能执行这种功能。在蒜苔乳管的分化过程中,细胞结构发生一系列的变化。乳管是原生质局部退化而又局部保持活性的高度分化的细胞。在其分化过程中,细胞核DNA降解呈不定型的片段,游离核糖体大量消失,高尔基体和质体退化,内质网密度与活性显著下降,但线粒体仍存在,囊泡与多泡体大量出现,质膜呈现活跃的内吞与外排现象,胞间连丝在纹孔中密集分布等。筛管和乳管的这些特点可以看作是PCD进程中途被阻断,从而保证植物体内物质运输的畅通。依靠周围细胞的物质供给,这些分子可以在细胞功能不全的情况下继续延存并执行运输功能。1.3生组织的原始分离和培养在根的发育中,起保护作用的根冠不断脱落的过程被证明是PCD。在根发育时,根冠细胞由根尖分生组织的原始细胞不断分裂产生,从而取代位于根冠最外围不断死去的细胞。Wang等用洋葱根尖为材料,观察到洋葱根冠1-3层细胞中的DNA呈现出类似于动物细胞凋亡的变化,玉米根冠细胞中的DNA琼脂糖凝胶电泳呈现出清晰的DNA-ladder,在超微结构上呈现出染色质凝集等特征。1.4-oh基因突变在种子萌发和幼苗形成过程中,糊粉层细胞合成并分泌水解酶到淀粉性胚乳中,给正在生长的胚提供营养,一旦完成他们的分泌作用,糊粉层细胞立即死亡。通过对已死亡和行将死亡的糊粉层细胞的形态观察发现,这些细胞的细胞质和细胞核均发生浓缩。对大麦趋于死亡的糊粉层细胞DNA进行电泳,发现有寡聚核小体大小的DNA片段,Tunel实验表明死亡细胞的核内有3′-OH基团的积累。这些研究说明,糊粉层细胞在完成了它的短暂使命之后,通过POD结束自己的生命。1.5细胞凋亡的表现Arunika等在玉米根通气组织的形成过程中,首先观察到的现象是染色质凝集,然后才是细胞质的变化(包括质膜的变化以及囊泡的形成),之后,整个细胞皱缩,凝集的染色质和完整的细胞器被膜包裹,就象动物细胞凋亡过程中观察到的凋亡小体,而这一切现象都是在细胞壁结构保持完整的情况下发生的。说明植物通气组织的形成过程也是PCD。1.6相关组织的pcd在叶子的发育过程中中,叶缘的各种裂、齿和叶片中的空洞(如龟背竹叶片)的形成等都是由于相关部位细胞的PCD所造成的。此外,对叶片衰老过程的研究发现,衰老起始时,叶绿体首先被自体吞噬,此后水解酶、RNA酶等活性上升,而且以液泡内半胱氨酸蛋白酶活性最为显著,这些都是PCD的特征。因此,叶子脱落前叶片的衰老过程也是PCD。2在有性生殖过程中2.1红孢子体的诱导表达在被子植物胚囊发育过程中,大孢子母细胞减数分裂形成的4个大孢子中有3个退化,只保留1个大孢子继续经过3次有丝分裂,再经核迁移和细胞分化形成七胞八核的雌配子体。退化的大孢子呈现出细胞收缩、细胞质失去组织状态和细胞核裂解等现象,这些特征类似动物细胞程序性死亡现象。2.2绒毡层的超微结构在被子植物花药中,绒毡层是花药壁的最内层细胞组织,其发育及退化对花粉的发育有重要的生理作用。绒毡层细胞在特定时间的细胞程序性死亡与花粉的发育密切相关,许多研究表明绒毡层细胞死亡过程的异常往往导致花粉的败育。Papini等观察到绒毡层PCD的超微结构特征:细胞和细胞核收缩;染色质在核周缘区域浓缩;内质网增大,包围细胞质形成内吞噬泡;线粒体束缚在微丝束上等。在玉米T型细胞质雄性不育性系中,线粒体DNA重组产生了一个新基因,编码一个只在线粒体中存在的13kD多肽(URF13)。这种多肽位于线粒体内膜上,干扰了线粒体中的电子传递过程和ATP合成,很可能由于线粒体功能的异常引起了绒毡层细胞提早死亡,进而导致了雄性不育。2.3花粉管含钙的地方,可激发精细胞的释放和调节精细胞能否被送入胚囊参与受精,助细胞的退化起了非常更要的作用。在助细胞退化过程中,细胞质成分的电子密度增加,细胞器退化、液泡破裂、细胞自溶,这些现象都是细胞程序性死亡的特征。助细胞中的这些变化受胚胎发育控制,为吸引花粉管进入胚囊作准备;或受即将到达的花粉管的刺激而发生变化,为花粉管释放精细胞做好准备。花粉管穿入之前的助细胞也是胚囊中含钙最丰富的地方。离体实验早已表明,花粉管对钙浓度梯度具有特殊的向化性生长特征。进入子房中的花粉管需转弯90°才能进入珠孔抵达胚囊。不含生活胚囊的胚珠不具有吸引花粉管的能力,吸引花粉管弯曲的信号来自胚珠内的胚囊细胞。因此,助细胞程序死亡过程中释放的钙可能建立起了一种吸引花粉管生长的浓度梯度。2.4胚柄凋亡细胞分离胚柄是被子植物受精卵第一次分裂形成的,其主要功能是供应胚体营养物质,当胚发育至一定阶段时,胚柄细胞便开始死亡。Nomura等在诱导悬浮培养的胡萝卜体细胞形成胚的实验中,用电子显微镜观察到胚柄凋亡细胞与活细胞的区别,即凋亡细胞的细胞质与细胞壁分离,原生质体固缩,而活细胞中则见不到这些现象。Srivastava等报道,在挪威云杉体细胞发生早期,胚轴层细胞明显形成凋亡小体,核DNA断裂形成3′-OH端,拟南芥的胚柄细胞在胚发育至鱼雷期时开始凋亡和消失,成熟种子中即不复存在。张伟成等在小麦衰退珠心的研究中发现,随着反足细胞的迅速增殖,内层珠心细胞原生质逐步解体,内含物以多种囊泡和无定形核物质为主要形式,大量迁于胚囊为反足细胞所利用。2.5嫩前后原基细胞凋亡在大多数单性花的植物中,最初都含有原始的雄蕊群和雌蕊群,成熟之前其中的雌蕊或雄蕊原基细胞发生凋亡。玉米是雌雄同株的单性花植物,Delong等报道,玉米雄蕊发育成雄穗的过程中,原始的雌蕊群呈选择性死亡。3环境评估诱导的植物pcd3.1对植物细胞的作用超敏反应(hypersensitiveresponseHR)是植物被病原物侵染后所引起的适应性反应,其中的细胞死亡被证明是细胞程序性死亡。在植物超敏反应中,DNA片段化,特征性切割核小体的核酸酶被激活等生理生化特征和凋亡小体等形态特征都被证实。3.2盐胁迫对烟草、玉米根、dna的改变无机盐KCN、NaCl、CaCl2和一些重金属离子等在一定条件下均可诱导植物细胞出现与动物细胞凋亡类似的特征。宁顺斌等人的实验证明烟草、玉米的根尖在高盐(NaCl500mmol/L)处理后,出现明显的DNA梯状电泳图谱。Katsuhara发现大麦根在盐胁迫(500mmol/LNaCl)12h后也可发生类似细胞凋亡的PCD,分生组织细胞核开始解体,后降解。进一步研究表明,核在形态变化之前已有生化变化,胁迫8h后核中可见DNA-Ladder。3.3活性氧产生的影响活性氧是一类具有强氧化能力的物质,主要包括超氧化物、过氧化氢、羟自由基等,各种逆境条件,包括冷害、渗透胁迫、低氧、臭氧、紫外线等导致的植物PCD最终都与活性氧的产生有关。4植物细胞的程序性死亡在植物生长发育的整个过程中,几乎都伴随有细胞程序性死亡现象发生。植物细胞程序性死亡与植物的生长发育和形态建成具有密切的关系,主要特点如下:1)经历程序性死亡的植物细胞能形成植物特有的和必要的结构,如导管等;2)某些植物细胞程序性死亡过程的中途阻滞形成植物体功能特异的结构,如筛管和乳管的分化;3)植物细