唐山師范學(xué)院學(xué)術(shù)論文寫作.doc

植物細(xì)胞凋亡研究進(jìn)展 摘要細(xì)胞凋亡是存在于生物界多細(xì)胞有機(jī)體中的一種普遍現(xiàn)象, 它與細(xì)胞分裂、細(xì)胞增殖一樣, 同是生物有機(jī)體維持生命活動(dòng)和個(gè)體生存的2個(gè)重要方面。本文簡(jiǎn)要地介紹了有關(guān)植物細(xì)胞凋亡的研究進(jìn)展概況。關(guān)鍵詞植物細(xì)胞凋亡程序性細(xì)胞死亡細(xì)胞凋亡(apoptosis) 是生物界后生動(dòng)物和多細(xì)胞植物在其個(gè)體生長(zhǎng)、發(fā)育的不同階段所廣泛存在的一個(gè)普遍現(xiàn)象, 無(wú)論是在胚胎發(fā)育、形態(tài)形成等的正常發(fā)育過(guò)程中, 還是在畸變、癌瘤、疾病的異常情況下, 細(xì)胞凋亡都是極為重要的14 。細(xì)胞凋亡是程序性細(xì)胞死亡(Programmed Cell Death , PCD) 過(guò)程中的形態(tài)學(xué)概念。這種由自身基因調(diào)控的主動(dòng)而有序的細(xì)胞死亡與細(xì)胞分裂、細(xì)胞增殖一樣, 都是生物有機(jī)體維持生命活動(dòng)和個(gè)體生存的兩個(gè)重要方面。特定的細(xì)胞群在特定的時(shí)間和特定的部位, 按照特定的數(shù)量和特定的速度進(jìn)行死亡和增殖, 它們都不是隨意的, 從而使得包括人類在內(nèi)的多細(xì)胞生物有機(jī)體在總體上保障了細(xì)胞的數(shù)量和功能的平衡, 保持有機(jī)體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定, 保證后代的遺傳質(zhì)量。多年來(lái), 對(duì)于細(xì)胞凋亡遠(yuǎn)不如對(duì)細(xì)胞增殖那樣了解得深入、細(xì)致。事實(shí)上, 早在1665 年RobertHooke 發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞, 這些細(xì)胞是已分化的植物細(xì)胞, 并經(jīng)歷了程序性細(xì)胞死亡, 僅留下四周的細(xì)胞壁。雖然, 過(guò)去也曾有一些病理形態(tài)學(xué)家很早就注意并觀察到細(xì)胞凋亡的現(xiàn)象, 但是, 當(dāng)時(shí)他們并未意識(shí)到這是不同于病理性細(xì)胞壞死的另一種細(xì)胞死亡過(guò)程。直到1951 年, 才由lucksmann 指出: 細(xì)胞死亡是一種普遍的現(xiàn)象, 它不僅是成體兩棲類和昆蟲類動(dòng)物形態(tài)形成的重要因素, 也是植物形態(tài)行成的重要因素。至于細(xì)胞凋亡的概念則是由美國(guó)Kerr 等于1972 年首次提出的5 。Kerr等經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)達(dá)8年對(duì)細(xì)胞凋亡的研究, 于1980年提出細(xì)胞凋亡是不同于細(xì)胞壞死的一種正常生理?xiàng)l件下的程序性細(xì)胞死亡過(guò)程6 。在此后的近20 年時(shí)間里, 程序性細(xì)胞死亡(PCD) 引起了生命科學(xué)領(lǐng)域的廣泛重視。目前, 它已成為細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、免疫學(xué)、腫瘤學(xué)等生物學(xué)科和醫(yī)學(xué)學(xué)科所共同感興趣且極為活躍研究領(lǐng)域。1993年6月911日, 在意大利召開了關(guān)于Apoptosis 專題國(guó)際學(xué)術(shù)討論會(huì)。Cancer Research雜志在1994 年第1 期報(bào)道了這次會(huì)議的情況。對(duì)于bcl22 基因在PCD 中作用的研究與闡明, 被列為1994年生物學(xué)重大進(jìn)展之一, 表明對(duì)細(xì)胞凋亡的本質(zhì)已有初步的揭示。1 文獻(xiàn)分析盡管人們最先觀察到的細(xì)胞是經(jīng)歷了PCD 的植物細(xì)胞, 且凋亡一詞的本意又源于植物, 但對(duì)于植物細(xì)胞凋亡的研究卻起步較晚。我們查閱了1989 年4 月至1997 年2 月的國(guó)際植物學(xué)雜志, 直到1996年第1 期才出現(xiàn)有關(guān)植物細(xì)胞凋亡的全文7 。而國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究更為遲緩。1997 年5 月, 我們檢索了“中文科技期刊篇名數(shù)據(jù)庫(kù)CD2ROM 數(shù)據(jù)光盤(19891996) ”, 共檢出有關(guān)細(xì)胞凋亡的文獻(xiàn)31篇, 但沒(méi)有1 篇是專門論述植物的。只是1995 年的2 篇綜述性文獻(xiàn)中略有提及8 ,9 。1997 年5 月以后,已查閱到2 篇綜述性報(bào)道10 ,11 和1 篇譯文12 , 但還是未見研究性論著。在檢索中文文獻(xiàn)的同時(shí), 1997 年6 月通過(guò)Diolog 國(guó)際聯(lián)機(jī)情報(bào)檢索系統(tǒng)檢索到其中的9 個(gè)文檔中有關(guān)于植物細(xì)胞凋亡的資料(表1) , 共計(jì)64 篇。表1 國(guó)際聯(lián)機(jī)檢索情況名稱(年份) 文檔號(hào) 篇數(shù)BIOSIS PREVIEWS (1969199716) 5 30CAB Abstracts (1972199715) 50 4Inside Conferences (1993199716) 65 1Life Sciences Collection (1982199715) 76 3Pascal (1973199715) 144 2MEDLINE (19661997) 155 3Scisearch Cited Ref Sci (1974199714) 434 17AGRICOLA (1970199716) 10 3AGRIS (1974199714) 203 1此外, 從1997.11997.9 的醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)聯(lián)機(jī)檢索庫(kù)速遞(Medline Express) 中可見國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)植物細(xì)胞凋亡研究進(jìn)展的深度、廣度與速度。在短短的時(shí)間內(nèi), 僅在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所收錄的與植物和PCD有關(guān)的題錄和文摘就有16 篇, 其題目的內(nèi)容主要有:植物的細(xì)胞凋亡;大豆根壞死突變型中根皮層的程序性細(xì)胞死亡;dad1 水稻中存在的程序性細(xì)胞死亡抑制基因;植物過(guò)敏疾病阻礙反應(yīng)中受鈣調(diào)節(jié)的凋亡;大麥萌發(fā)過(guò)程中糊粉層的凋亡及脫落酸對(duì)它的限制;程序性細(xì)胞死亡植物生活的一種方式;面對(duì)敵人的犧牲植物中由病原體誘導(dǎo)的程序性細(xì)胞死亡;大孢子退化是選擇性細(xì)胞凋亡的結(jié)果嗎?挪威云杉二倍體孤雌生殖和早期體細(xì)胞胚胎發(fā)生過(guò)程中的細(xì)胞凋亡;蠶豆心皮衰老中乙烯調(diào)節(jié)的DNA 斷裂;煙草在低氧氣壓下由病原體導(dǎo)致的過(guò)敏性反應(yīng)過(guò)程中程序性細(xì)胞死亡的抑制;細(xì)胞凋亡: 植物發(fā)育過(guò)程中被選擇性植物毒素和寄生誘導(dǎo)的植物程序性細(xì)胞死亡的作用范例。2 植物細(xì)胞凋亡的部分形態(tài)學(xué)特征染色質(zhì)凝集與細(xì)胞核解體是動(dòng)物細(xì)胞PCD的主要特征。1986年, Eleftherio以小麥根尖為材料, 研究原生韌皮部篩管細(xì)胞的分化過(guò)程, 首次報(bào)道了細(xì)胞核的解體過(guò)程。R1Mittler 等在研究豌豆根尖發(fā)育時(shí), 進(jìn)一步觀察到在原生木質(zhì)部導(dǎo)管細(xì)胞分化過(guò)程中的PCD 現(xiàn)象, 細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)和DNA 的含量均發(fā)生明顯變化, 首先是細(xì)胞核體積膨大, DNA 含量增加, 當(dāng)次生壁形成以后, 細(xì)胞核體積開始縮小, 形成葉狀突起, 染色體凝集, 最后, 核仁消失, 所余核質(zhì)不易被著色, 細(xì)胞核仍是細(xì)胞中最遲消失的細(xì)胞器之一。但R1Mittler 和E1Lam在研究由過(guò)敏反應(yīng)誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡時(shí), 并沒(méi)有觀察到細(xì)胞染色體的凝縮與細(xì)胞核解體, 只是在細(xì)胞核某些區(qū)域有核物質(zhì)的明顯11 。核內(nèi)DNA 降解是動(dòng)物細(xì)胞PCD的典型特征。1995年, R.Mittler和E.Lam利用DNA斷裂原位雜交的方法, 證明在導(dǎo)管細(xì)胞核解體之前, 核內(nèi)DNA發(fā)生斷裂, 表明可能有類似動(dòng)物細(xì)胞凋亡時(shí)核酸內(nèi)切酶活化的相似機(jī)制導(dǎo)致植物細(xì)胞核內(nèi)DNA的降解。1996年, H1Wang等用末端標(biāo)記方法（UNEL) ,證明在洋蔥根冠的最外13 層細(xì)胞中存在DNA 的降解現(xiàn)象。另外, 在維管組織分化過(guò)程及轉(zhuǎn)基因引發(fā)的或者病毒誘導(dǎo)的植物細(xì)胞死亡中, 也發(fā)現(xiàn)了核內(nèi)DNA 的降解現(xiàn)象11 。3 與植物細(xì)胞凋亡有關(guān)的基因目前已發(fā)現(xiàn)的基因有4 ,11 :1) dad1 基因同系物(homolog of defender against apoptotic cell death gene)dad1 基因是小鼠基因組中對(duì)細(xì)胞生存十分重要的一個(gè)基因, 它被定位于第14 染色體, 在水稻中也找到了相似的基因。該基因與水稻中的相似基因在核酸序列上的同源性為64 % , 與倉(cāng)鼠、人類的同源性分別為94 %和91 %。2) sus 基因(suspensor gene , 胚柄基因)胚柄是植物形態(tài)發(fā)生過(guò)程中最早分化的短命結(jié)構(gòu)。在大多數(shù)被子植物中, 胚柄在早期發(fā)育過(guò)程中為胚提供營(yíng)養(yǎng)和生長(zhǎng)調(diào)控因子。在擬南芥中, 正常情況下胚柄細(xì)胞(1 列68 個(gè)) 在早期發(fā)生程序化死亡, 不出現(xiàn)在成熟種子中。而在sus 基因突變株(sus1 , sus2 , sus3) 中, 隱性突變體干擾胚胎形態(tài)發(fā)生并形成不正常的大胚柄。sus 基因被定位在1 號(hào)染色體上。3) twn 基因(twin gene , 孿生基因)與sus 基因相似, 在擬南芥的twn 突變株的種子中包含2 個(gè)或更多的能發(fā)芽并發(fā)育成成熟植株的胚。胚柄細(xì)胞具有潛在的發(fā)育為胚的能力, 而twn 基因則有可能在胚細(xì)胞中編碼一種能抑制胚柄發(fā)育的信號(hào)物質(zhì), 或在胚柄細(xì)胞中編碼一種物質(zhì)能接收抑制信號(hào)并抑制胚柄細(xì)胞的再分化, 隨后發(fā)生PCD。4) Ts 2 基因(tasselseed 2 gene , 雄穗結(jié)籽基因)玉米的tasselseed 2 突變株能夠在雄穗中不正常地形成雌花。Ts 2 基因已經(jīng)通過(guò)轉(zhuǎn)座子標(biāo)記的方法被克隆出來(lái), 并在野生型雌蕊細(xì)胞的亞種群中表達(dá)。5) acd 2 基因(accekerated cell death gene , 促細(xì)胞死亡基因)acd 2 基因定位于第4 染色體, 它可能參與過(guò)敏反應(yīng)PCD 的負(fù)調(diào)控。在玉米、大麥和擬南芥中還發(fā)現(xiàn)了與acd 2 基因功能相似的基因, 分別命名為les、mlo 、lsd , 統(tǒng)稱為R 基因(resistance gene) 。6) bo 基因(bacterio2opsin 基因)bo 是一種細(xì)菌視蛋白, 轉(zhuǎn)入bo 基因的煙草細(xì)胞表現(xiàn)出與過(guò)敏反應(yīng)病斑十分相似的現(xiàn)象, 包括顆粒狀物質(zhì)的積聚、細(xì)胞壁加厚和自發(fā)熒光物質(zhì)的聚集, 以及細(xì)胞結(jié)構(gòu)的降解。當(dāng)對(duì)質(zhì)子泵通道蛋白中某個(gè)特定的氨基酸進(jìn)行定點(diǎn)突變后, 轉(zhuǎn)基因煙草便失去了形成病斑及抵抗病原體侵染的能力。4 植物細(xì)胞凋亡發(fā)生的部位和階段植物中最好的PCD 例證也許是維管組織中水分和養(yǎng)分輸導(dǎo)管道的形成。木質(zhì)部(輸水細(xì)胞) 和韌皮部(運(yùn)輸養(yǎng)分細(xì)胞) 分化成熟時(shí)會(huì)發(fā)生自溶。如果存在維管束的話, 傷口也能誘導(dǎo)附近的薄壁組織細(xì)胞分化為木質(zhì)部, 這時(shí), PCD 的作用就顯而易見了?；虍a(chǎn)物TED2 是一種類似水晶般的醌氧化酶,它在維管結(jié)構(gòu)中得到表達(dá), 如果氧化信號(hào)像它們?cè)趧?dòng)物中的那樣, 可以觸發(fā)植物中細(xì)胞死亡, 那末這個(gè)基因產(chǎn)物就是這種信號(hào)的來(lái)源4 。植物根冠細(xì)胞中的核酸內(nèi)切酶導(dǎo)致DNA 單股斷裂, 提示它們的死亡是一個(gè)程序性過(guò)程。植物的形態(tài)發(fā)生取決于特定的細(xì)胞和組織生長(zhǎng), 只有少數(shù)植物的細(xì)胞死亡對(duì)葉片形狀的形成起決定作用。在龜背竹屬中, 葉片發(fā)育早期的細(xì)胞死亡造成斑塊, 產(chǎn)生孔洞和裂縫, 并最終導(dǎo)致成熟葉片中有一系列穿孔和邊緣裂片, 而一般植物的葉具有裂片或形成復(fù)葉是由于葉緣各部分的生長(zhǎng)速率不等造成的4 。植物繁殖的許多階段都有細(xì)胞死亡。例如在挪威云杉的體細(xì)胞胚胎發(fā)生過(guò)程中, 觀察到核解體、DNA 單股的3羥基端斷裂和凋亡小體的出現(xiàn)。在胚中, 連接胚體本身和母體組織并供應(yīng)營(yíng)養(yǎng)的胚性器官胚柄細(xì)胞在胚成熟之前死亡。玉米中, 性別決定是有選擇性地殺死雌性原始生殖細(xì)胞, 以有利于雄花序中雄花結(jié)構(gòu)(雄蕊) 的發(fā)育。絨氈層是花藥中圍繞著正在發(fā)育的花粉粒的細(xì)胞層, 細(xì)胞能執(zhí)行一個(gè)精確的分解程序, 使它們的內(nèi)含物釋放, 以滿足花粉發(fā)育的營(yíng)養(yǎng)需要。胚珠中的大孢子母細(xì)胞經(jīng)減數(shù)分裂, 產(chǎn)生4 個(gè)單倍的大孢子, 其中3 個(gè)退化, 只留下1 個(gè)產(chǎn)生胚囊內(nèi)的卵細(xì)胞和其它相關(guān)細(xì)胞, 這種大孢子的退化是由于種子植物中的細(xì)胞凋亡引起的4 。隨著生殖過(guò)程的進(jìn)行, 某些植物開始了機(jī)體的衰老和死亡。而個(gè)別器官的死亡則是更普遍的現(xiàn)象。最典型的例子是多年生植物所有的成熟葉衰老和死亡, 它們的脫落是通過(guò)在葉基附近出現(xiàn)離層而形成離區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。植物可以識(shí)別特定的病原物, 并激活防御反應(yīng), 從而限制病原物在侵染處的生長(zhǎng)。一個(gè)最為顯著的抗性反應(yīng)就是在侵染處誘發(fā)局部的細(xì)胞過(guò)敏性壞死反應(yīng)(HR) , 現(xiàn)已知HR 與PCD 有密切的關(guān)系4 ,10 。植物的過(guò)敏反應(yīng), 實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)細(xì)胞能查知一個(gè)單一細(xì)菌的感染, 不但本身歸于死亡, 也引起鄰近細(xì)胞的警惕而死亡。這種植物細(xì)胞的所謂利他性死亡, 能保護(hù)整個(gè)宿主機(jī)體, 并能使細(xì)胞死亡基因在生殖細(xì)胞中代代相傳, 以保持植物種的延續(xù)性和進(jìn)化性8 。5 植物與動(dòng)物細(xì)胞凋亡主要特征的比較植物細(xì)胞的死亡在某些情況下, 可能有類似動(dòng)物細(xì)胞凋亡的機(jī)制。第一, 垂死的植物細(xì)胞出現(xiàn)了類似凋亡細(xì)胞形成凋亡小體的形態(tài)特征。第二, 某些類型的植物細(xì)胞死亡伴隨著DNA 的斷裂, 而這些DNA 已顯出核內(nèi)分解的病變DNA 的特征, 這是凋亡的顯著特征之一。第三, 動(dòng)物中參與抑制PCD的基因dad1 的同源染色體已在植物中發(fā)現(xiàn), 但它在植物中的作用還有待于研究。盡管植物與動(dòng)物的PCD 過(guò)程很相似, 但植物中的PCD 作用和機(jī)制的某些方面有可能與動(dòng)物的不同, 例如, 植物細(xì)胞不會(huì)吞噬它們鄰近的死細(xì)胞, 有些植物死細(xì)胞可以形成角質(zhì)層的部分結(jié)構(gòu)4 。植物細(xì)胞與動(dòng)物細(xì)胞的程序化死亡存在以下5 個(gè)共同點(diǎn): 形態(tài)學(xué)方面主要是染色質(zhì)的凝集和細(xì)胞核的降解; 核內(nèi)DNA 斷裂; PCD 過(guò)程的啟動(dòng)都需要有新的蛋白質(zhì)合成; 都具有PCD 的負(fù)調(diào)控基因;都利用細(xì)胞程序化死亡作為對(duì)不良環(huán)境的反應(yīng)。不同之處是植物細(xì)胞具有以下4 個(gè)特征: 細(xì)胞壁的修飾; Camalexin 的積累; 系統(tǒng)抗病體系的活化; 離子滲漏11 。參考文獻(xiàn)1 Beaulation J , R. A. Lockshin. The realation of programmed cell death to development and reproduction : Comparative studies