第6章-植物細(xì)胞衰老與程序性死亡-改版

第六章衰老與程序性死亡對(duì)于許多真核生物（包括動(dòng)物和植物）而言，特定細(xì)胞的死亡確實(shí)是生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程所必不可少的。細(xì)胞死亡除了參與發(fā)育過(guò)程，也可以作為生物和非生物脅迫應(yīng)答的一部分。由于生物體自身控制著細(xì)胞死亡的啟動(dòng)和執(zhí)行過(guò)程，這種類(lèi)型的細(xì)胞死亡稱為程序性細(xì)胞死亡（programmedcelldeath,PCD）。植物中有兩個(gè)PCD的例子：衰老（senescence)和超敏反應(yīng)（hypersensitiveresponse,HR）中的細(xì)胞死亡。

衰老是植物組織在其生命盡頭發(fā)生的一種相對(duì)緩慢的細(xì)胞死亡，它包括衰老組織中胞內(nèi)成分有序地解體，以及在存活部位最大限度地回收和利用衰老組織中的營(yíng)養(yǎng)成分。

超敏反應(yīng)中觀察到的PCD是由病原體的侵染引起人侵部位及其周?chē)?xì)胞死亡，與衰老中的PCD是完全不同的。由于超敏反應(yīng)中局部的細(xì)胞死亡可以阻止感染的進(jìn)一步擴(kuò)散，因此其重點(diǎn)就是，在病原體勢(shì)力穩(wěn)固之前迅速殺死它們賴以生存的寄主細(xì)胞，而不是最大限度的營(yíng)養(yǎng)再利用。1.植物細(xì)胞死亡類(lèi)型及PCD實(shí)例2.衰老概述3.衰老過(guò)程中的代謝4.衰老的調(diào)節(jié)及誘導(dǎo)5.小結(jié)植物細(xì)胞死亡類(lèi)型

及PCD實(shí)例1.1動(dòng)物細(xì)胞死亡有二種形式：

細(xì)胞調(diào)亡和壞死

細(xì)胞調(diào)亡（apoptosis）是具有一系列形態(tài)特征的有序的過(guò)程，其中包括在質(zhì)膜、核膜外表面形成小泡，小泡分離，染色質(zhì)凝集，DNA發(fā)生核小體間斷裂，并切割成180bp大小的特征片段，形成調(diào)亡小體（apoptosis

body）,隨后被鄰近的細(xì)胞吞噬并降解。

壞死：在此過(guò)程中，質(zhì)膜和內(nèi)膜系統(tǒng)破裂，引發(fā)迅速釋放水解酶和其他細(xì)胞內(nèi)容物，而后引起炎癥反應(yīng)。細(xì)胞調(diào)亡和壞死的區(qū)別之一：炎癥發(fā)生與否二者的主要區(qū)別是，細(xì)胞凋亡過(guò)程中，細(xì)胞質(zhì)膜反折，包裹斷裂的染色質(zhì)片段或細(xì)胞器，然后逐漸分離，形成眾多的凋亡小體（apoptoticbodies），凋亡小體則為鄰近的細(xì)胞所吞噬。整個(gè)過(guò)程中，細(xì)胞質(zhì)膜的整合性保持良好，死亡細(xì)胞的內(nèi)容物不會(huì)逸散到胞外環(huán)境中去，因而不引發(fā)炎癥反應(yīng)。相反，在細(xì)胞壞死時(shí)，細(xì)胞質(zhì)膜發(fā)生滲漏，細(xì)胞內(nèi)容物，包括膨大和破碎的細(xì)胞器以及染色質(zhì)片段，釋放到胞外，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)特征◆凋亡的起始：細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)如微絨毛消失，細(xì)胞間接觸的消失，但細(xì)胞膜依然完整；線粒體大體完整，但核糖體逐漸從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上脫離，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)囊腔膨脹，并逐漸與質(zhì)膜融合；染色質(zhì)固縮，形成新月形帽狀結(jié)構(gòu)等形態(tài)，沿著核膜分布

◆凋亡小體的形成：核染色質(zhì)斷裂為大小不等的片段，與某些細(xì)胞器如線粒體一起聚集，為反折的細(xì)胞質(zhì)膜所包圍。細(xì)胞表面產(chǎn)生了許多泡狀或芽狀突起，逐漸形成單個(gè)的凋亡小體 ◆凋亡小體逐漸為鄰近的細(xì)胞吞噬并消化細(xì)胞色素c誘導(dǎo)的凋亡細(xì)胞DNA電泳圖1．細(xì)胞色素c誘導(dǎo)0h2．細(xì)胞色素c誘導(dǎo)1h3．細(xì)胞色素c誘導(dǎo)2h4．細(xì)胞色素c誘導(dǎo)3h5．細(xì)胞色素c誘導(dǎo)4h6．陰性對(duì)照7．Marker

（自趙允、翟中和）1.2植物中細(xì)胞死亡機(jī)制

和類(lèi)型植物細(xì)胞調(diào)亡少見(jiàn)，原因：細(xì)胞壁和吞噬細(xì)胞。此外在植物PCD中無(wú)染色質(zhì)凝集和DNA梯狀條帶二個(gè)明顯特征。1.2.1植物生活周期中的PCD

自體吞噬作用（autophagy)

細(xì)胞產(chǎn)生可吞噬細(xì)胞質(zhì)甚至完整細(xì)胞器的自噬體，而后這些自噬體被中央液泡所吞噬，并由其中的水解酶水解。1.2.1.1禾本科植物淀粉胚乳和糊粉細(xì)胞的死亡

禾本科植物胚乳細(xì)胞分為淀粉胚乳和糊粉，2者都發(fā)生PCD，但是途徑不同。淀粉胚乳成熟細(xì)胞是死的，其PCD過(guò)程和其他真核生物細(xì)胞不同，內(nèi)容物并沒(méi)有降解，而是以干化形式保存。當(dāng)種子萌發(fā)時(shí)，糊粉層分泌水解酶，降解整個(gè)點(diǎn)分胚乳。胚乳的PCD乙烯可以誘導(dǎo)淀粉胚乳細(xì)胞進(jìn)入PCD。糊粉細(xì)胞的死亡哥特利*哈勃蘭特于一百年前發(fā)現(xiàn)并描述了糊粉細(xì)胞在萌發(fā)過(guò)程中的變化。逐漸液泡化、原生質(zhì)體死亡和解體。

GA和ABA調(diào)控禾本科植物的細(xì)胞死亡(GA誘導(dǎo)大麥和小麥的糊粉層細(xì)胞進(jìn)入PCD而ABA則延遲PCD的發(fā)生)。糊粉層細(xì)胞PCD特點(diǎn)1.糊粉細(xì)胞的貯藏液泡PSV在GA處理后變?yōu)榱呀庑约?xì)胞器（pH降低，7-5.5，出現(xiàn)水解酶）2.糊粉細(xì)胞的DNA降解并不產(chǎn)生細(xì)胞調(diào)亡的梯狀條帶,無(wú)自噬體形成。3.多個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑參與了禾本科植物糊粉細(xì)胞的PCD。胞質(zhì)中子有的Ca2+、PH、cGMP、CaM、蛋白激酶和蛋白磷酸酶都是信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的元件。1.2.1.2管狀分子的形成

木質(zhì)部發(fā)育開(kāi)始于胚胎發(fā)生階段，并在植物整個(gè)生命周期中始終存在。原形成層和形成層不斷形成新的管狀分子。在管狀分子發(fā)育后期經(jīng)歷細(xì)胞壁次生加厚，細(xì)胞死亡和細(xì)胞內(nèi)容物自溶等事件。分化后的細(xì)胞只保留細(xì)胞壁且具有次生加厚的特征。培養(yǎng)的百日草葉肉細(xì)胞可以誘導(dǎo)形成管狀分子

管狀分子通常來(lái)源于原形成層和形成層。體外誘導(dǎo)導(dǎo)管分化為研究細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中的細(xì)胞分化和死亡程序提供了一個(gè)理想的系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)械分理處的細(xì)胞在含有生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素的培養(yǎng)基中培養(yǎng)時(shí)，40%-60%的細(xì)胞去分化，然后重新分化出管狀分子。百日草管狀分子分化的3個(gè)階段：1、去分化階段；2、與分化相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的出現(xiàn)；3、管狀分子的特異發(fā)育，次生壁特異加厚。管狀分子的PCD與液泡膜裂解有關(guān)液泡膜破裂后，水解酶釋放，細(xì)胞內(nèi)容物自溶。在啟動(dòng)細(xì)胞死亡程序時(shí)，半胱氨酸蛋白酶和蛋白酶體都起調(diào)節(jié)作用。液泡膜破裂后，細(xì)胞壁木質(zhì)化，在幾乎所有可辨認(rèn)的細(xì)胞器消失前，細(xì)胞膜保持完整。百日草管狀分子PCD調(diào)節(jié)

生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素是必需的，鈣和鈣調(diào)蛋白也可能是誘導(dǎo)管狀分子分化的信號(hào)途徑中的成員。油菜素類(lèi)固醇、絲氨酸蛋白酶也可能參與管狀分子的形成。1.2.2植物脅迫應(yīng)答PCD例子1.2.2.1通氣組織的形成通氣組織的形成是對(duì)水淹的應(yīng)答反應(yīng)。主要是由于根部組織缺氧。通氣組織是位于內(nèi)皮層和下皮層之間的一類(lèi)高度特異的皮層組織發(fā)生PCD時(shí)形成的。乙烯介導(dǎo)了通氣組織的形成Ca2+介導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在此過(guò)程中的作用Ca2+介導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑將低氧環(huán)境與產(chǎn)生乙烯聯(lián)系起來(lái),胞質(zhì)中自由鈣離子濃度變化是可逆的。P889在有氧環(huán)境中培養(yǎng)的玉米細(xì)胞，鈣濃度為50-100mmol/l低氧環(huán)境中，上升至250-300mmol/l.

胞內(nèi)Ca2+和CaM可以激活蛋白激酶和蛋白磷酸酶，從而促進(jìn)PCD相關(guān)蛋白的修飾。GTPrS能把G-蛋白鎖定在火星位點(diǎn)上，岡田酸一直蛋白激酶的活性。1.2.2.2超敏反應(yīng)細(xì)胞死亡是病原體入侵時(shí)的植物應(yīng)答反應(yīng)，植物防御反應(yīng)普遍存在，典型例子是超敏反應(yīng)。超敏反應(yīng)是植物的遺傳程序，是宿主進(jìn)行新的轉(zhuǎn)錄和翻譯的結(jié)果。它是許多抗病植物和無(wú)毒病原體之間不親和反應(yīng)的相關(guān)特征。

超敏反應(yīng)中的細(xì)胞死亡是自殺已證明超敏反應(yīng)相關(guān)的細(xì)胞死亡可能是由宿主控制而不是直接被病原體殺死。因此可知：1、它是一個(gè)主動(dòng)過(guò)程，需要宿主細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯。2、該過(guò)程有信號(hào)分子介導(dǎo)，已知的信號(hào)分子包括短肽和寡聚糖。

病斑模擬突變體有些植物發(fā)生突變，可在局部區(qū)域自發(fā)形成壞死組織，這些壞死細(xì)胞與超敏反應(yīng)中看到的死細(xì)胞很相似，這些突變體在沒(méi)有病原體時(shí)也產(chǎn)生超敏反應(yīng)類(lèi)型的病斑。機(jī)理假說(shuō)：1、顯性突變導(dǎo)致代謝受阻，從而使細(xì)胞進(jìn)入典型的PCD2、突變的大多數(shù)屬于信號(hào)應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)，它通常用來(lái)抵擋病原體入侵的。

病斑模擬突變體分為2類(lèi)：?jiǎn)?dòng)型突變體和增殖型突變體。

啟動(dòng)型突變體有不連續(xù)壞死部位而且不擴(kuò)散。此類(lèi)突變可能是由病斑啟動(dòng)功能的調(diào)控異常所致（信號(hào)受體本身或信號(hào)傳導(dǎo)早期步驟）。啟動(dòng)型突變體可能與抗病基因有關(guān)。

增殖型突變體，它們喪失了病斑形成開(kāi)始后限制病斑擴(kuò)散的能力。

超氧化物自由基對(duì)于病斑形成是必須的。病斑模擬突變體不只局限于葉組織。p895病斑模擬突變體主要影響病原體防御反應(yīng)中的細(xì)胞死亡，而對(duì)其他發(fā)育過(guò)程中的細(xì)胞死亡事件沒(méi)有影響活性氧中間體是超敏反應(yīng)PCD過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵誘發(fā)劑氧爆：植物在接種病原體后數(shù)小時(shí)內(nèi)就產(chǎn)生了活性氧中間體。有證據(jù)表明活性氧中間體產(chǎn)生后細(xì)胞死亡，原因有二：一是過(guò)氧化物直接殺死細(xì)胞，二是活性氧中間體作為一種信號(hào)分子誘發(fā)一條獨(dú)立的細(xì)胞死亡途徑或誘發(fā)防御基因的轉(zhuǎn)錄。2.衰老概述細(xì)胞衰老是一個(gè)PCD的過(guò)程，它與營(yíng)養(yǎng)器官和生殖器官發(fā)育的最后階段有關(guān)聯(lián)。衰老可以重塑植物形態(tài)，處理不需要或不正常細(xì)胞，同時(shí)回收有價(jià)值的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，特別是氮和磷，衰老通常發(fā)生在器官成熟后。衰老是一個(gè)受高度調(diào)控的過(guò)程，在這一過(guò)程中，啟動(dòng)了一些新的代謝途徑，同時(shí)關(guān)閉另一些途徑。葉綠體分化成衰老體是葉肉細(xì)胞和綠色幼果細(xì)胞衰老特征。SAG衰老相關(guān)基因，主要是一些編碼蛋白水解酶的基因，其中有三種半胱氨酸蛋白酶。衰老突變體是一些缺失了衰老相關(guān)的酶，或者是衰老計(jì)時(shí)系統(tǒng)改變了的植物。3.衰老過(guò)程中的代謝

3.1色素代謝

葉衰老最明顯的特征就是綠色逐漸褪去。葉綠素的降解，是一個(gè)復(fù)雜的酶促反應(yīng)過(guò)程，并涉及到多個(gè)亞細(xì)胞區(qū)室。

類(lèi)胡蘿卜素的合成通過(guò)異戊二烯途徑3.2苯丙烷類(lèi)化合物的代謝衰老組織中會(huì)積累一些其他色素和次級(jí)化合物，包括酚類(lèi)、鞣酸、類(lèi)黃酮和木質(zhì)素等。

3.3蛋白質(zhì)代謝

衰老組織中葉綠體是有機(jī)氮回收利用的主要來(lái)源。含量最豐富的蛋白質(zhì)是位于葉綠體可溶性基質(zhì)上的Rubisco和類(lèi)囊體膜上結(jié)合葉綠素的光俘獲蛋白（LHCP).SAG編碼的半胱氨酸蛋白酶與種子萌發(fā)時(shí)表達(dá)的蛋白水解酶高度同源，它們定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或液泡中，表明SAG編碼的半胱氨酸蛋白酶可能并不直接參與與衰老過(guò)程中蛋白質(zhì)的水解，而是在蛋白級(jí)聯(lián)反應(yīng)中間接起作用。蛋白質(zhì)降解機(jī)制3.5衰老對(duì)氧化代謝的影響3.5.1葉的衰老與過(guò)氧化物酶體轉(zhuǎn)變成乙醛酸循環(huán)體有關(guān)

在葉衰老的過(guò)程中，糖原異生作用的一個(gè)通路得到激活，就是脂轉(zhuǎn)變?yōu)樘堑耐??？梢詫⑷~片中大量的以脂類(lèi)形式存在的碳轉(zhuǎn)化為可溶性糖轉(zhuǎn)運(yùn)到植物其他部分的庫(kù)中，尤其是葉綠體膜中的脂。

3.5.2衰老與細(xì)胞內(nèi)氧化還原狀況敏感1.在細(xì)胞水平上，氧化代謝是衰老的一個(gè)主要特征。2.衰老細(xì)胞中存在多種活性氧。過(guò)氧化氫和超氧化物陰離子是過(guò)氧化物酶體、乙醛酸循環(huán)體、葉綠體以及其他區(qū)室中一般每促反應(yīng)的產(chǎn)物。3.氧化還原狀態(tài)的改變引起一系列信號(hào)系統(tǒng)的改變，影響基因的表達(dá)。3.6衰老過(guò)程中的核酸代謝核酸代謝可以產(chǎn)生無(wú)機(jī)磷酸。嘌呤代謝衰老過(guò)程中代謝調(diào)節(jié)多種機(jī)制調(diào)節(jié)蛋白對(duì)水解的敏感性基因差異表達(dá)、區(qū)室化、別構(gòu)效應(yīng)衰老時(shí)許多細(xì)胞質(zhì)酶要么不受影響，要么受到正調(diào)控作用，但細(xì)胞器內(nèi)的同工酶卻發(fā)生降解衰老細(xì)胞保持了高度的內(nèi)部組織性和區(qū)室化，細(xì)胞器之間受調(diào)控的物質(zhì)交流對(duì)于衰老的有序發(fā)生是必須的。4.衰老的調(diào)節(jié)及誘導(dǎo)衰老是外源和內(nèi)源多重因素共同作用的結(jié)果。研究植物生長(zhǎng)因子在植物衰老中的作用時(shí)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)二個(gè)方面：一、多重信號(hào)相互作用，決定了植物是否啟動(dòng)衰老進(jìn)程，這些信號(hào)包括內(nèi)源生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子，當(dāng)然不僅僅局限于這些因子。二、不同植物對(duì)衰老相關(guān)的特異生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子的反應(yīng)不盡相同。內(nèi)源生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子對(duì)衰老的影響

乙烯是主要的衰老促進(jìn)劑

轉(zhuǎn)基因晚熟植物（蜜瓜）利用基因工程技術(shù)使植物乙烯產(chǎn)量減少，可以抑制果實(shí)成熟和葉片衰老，氨基環(huán)丙烷羧酸（ACC）合酶和ACC氧化酶是催化乙烯合成最后步驟的酶，反義表達(dá)這些基因的植株乙烯濃度大大下降。細(xì)胞分裂素是衰老的拮抗物細(xì)胞分裂素抑制衰老進(jìn)程，“綠島”現(xiàn)象

轉(zhuǎn)