植物细胞的程序化死亡

1. 植物生理专题讨论 植物细胞的程序化死亡 姓名：刘满希 学号：D4035 导师：王忠教授

2. 信号转导 执行凋亡 凋亡细胞的清除 凋亡过程与调控总结 背景知识回顾 凋亡诱导因素 cAMP Ca2+ 神经酰胺 死亡信号 +受体 凋亡相关基因激活 DNase激活 Caspases激活 基因激活 巨噬细胞吞噬分解凋亡细胞 凋亡过程

3. 凋亡诱导因素 + 死亡信号 凋亡过程与调控总结 背景知识回顾 细胞膜 受体 cAMP Ca2+ 神经酰胺 信号转导 凋亡相关基因激活 Dnase激活 Caspases激活 细胞核 凋亡过程Ⅰ

4. 凋亡过程与调控 背景知识回顾 Caspases激活 DNase激活 凋亡细胞的清除 凋亡执行 凋亡过程Ⅱ

5. 植物细胞程序化死亡 1 植物PCD的一般特征 2 植物PCD的发生 3 PCD分子调控机制

6. ①植物与动物PCD有许多相似的形态特征，如：细胞浓缩、染色质边缘化、核浓缩、DNA片段化、凋亡小体的形成等。其中，DNA片段化被认为是最主要的凋亡特征，发生凋亡的细胞在核酸内切酶的作用下，产生180～200bp大小的DNA片段，在含溴化乙锭的琼脂糖凝胶上呈典型的梯状条带。①植物与动物PCD有许多相似的形态特征，如：细胞浓缩、染色质边缘化、核浓缩、DNA片段化、凋亡小体的形成等。其中，DNA片段化被认为是最主要的凋亡特征，发生凋亡的细胞在核酸内切酶的作用下，产生180～200bp大小的DNA片段，在含溴化乙锭的琼脂糖凝胶上呈典型的梯状条带。 1 植物PCD的一般特征

7. 1 植物PCD的一般特征 ②由于植物中没有巨噬细胞和嗜中性细胞，因此它不像动物细胞能够自我吞噬死亡细胞。但是，植物细胞重要的细胞器——液泡，已被发现在PCD中发挥着巨大的作用。液泡膜破裂，释放许多水解酶，引起细胞死亡。液泡裂解受细胞自身调节，而不是代谢下降的结果。

8. 2 植物PCD的发生 2.1 糊粉层细胞的退化 谷物胚乳分化为淀粉性胚乳和糊粉层。当谷物成熟时，所有淀粉性胚乳细胞死亡，只有糊粉层细胞还存活。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，一旦完成它们的分泌作用，糊粉层细胞立即死亡。研究发现糊粉层细胞DNA片段化过程受GA促进，ABA抑制。 活性氧（ROS）是糊粉层PCD过程中的关键因子。H2O2能够使GA处理的糊粉层细胞快速死亡，而不能导致ABA处理的细胞死亡；GA处理的糊粉层，过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶和超氧化物歧化酶数量和活性严重下降，最终导致氧化性损伤和细胞死亡。

9. 2 植物PCD的发生 2．2 管状分子（TEs）分化 管状分子包括导管分子和管胞，二者为纵向延长、次生壁木质化加厚的管状死细胞，是维管植物水分和无机盐的运输通道。TEs分化，是高等植物PCD的一个典型例子，也显现了一些接近细胞坏死的形态特征。研究发现：半胱氨酸（Cys）蛋白酶和核酸内切酶参与TEs分化；TEs分化需要次生壁合成和细胞死亡之间的严格协调，次生壁合成过程中分泌的一种40KD丝氨酸（Ser）蛋白酶可能是二者之间的协调因子；TEs分化包括自溶型和凝缩型两种细胞死亡方式；暂时性植物非特异性脂类转移蛋白———TED4蛋白，抑制蛋白酶活性，并防止其它活细胞受到将要死亡的细胞渗出的蛋白水解酶活性的伤害；百日草TEs分化过程中液泡破裂引起核降解，且在液泡破裂之前液泡膜失去选择透性能力。

10. 2 植物PCD的发生 2.3 植物病原物互作引发的过敏反应（HR） 过敏反应是指由于病原物侵染而引起的局部、快速的细胞死亡过程。该细胞死亡阻止了病原物进一步扩散，并伴随着一系列防卫反应，最终导致植物对病原物产生抗性。这些诱导的防卫反应包括：ROS的快速产生、细胞壁局部加厚以及水解酶、抗毒素的产生等。HR是由于病原物一个特异的无毒基因和寄主的一个特异的抗病基因之间非亲和互作而引起的。近年来许多报道说明HR与PCD之间的联系：HR中，烟草核酸酶被激活，可能参与DNA片段的形成；P47 蛋白激酶调节烟草细胞死亡；水杨酸（SA）调节植物病原物互作中的PCD，它与ROS的产生有关，低浓度的SA能够加速细胞死亡；一些贮藏酚类的细胞与PCD、HR有关，并在防卫反应中发挥关键作用；线粒体变化与植物HR相连的PCD有关。

11. 2 植物PCD的发生 2.4 植物衰老 衰老包括细胞营养物质的再次利用，是一个由基因控制的细胞死亡过程。膜完整性和细胞区域化可保持到衰老过程晚期，有极少数或没有细胞内含物的泄露。植物衰老包括许多细胞形态学变化：如叶绿体膨胀、线粒体膜和核膜完整性消失、液泡膜破裂，最后水解酶释放到细胞质中，引起细胞死亡等。研究发现蛋白酶和核酸酶参与衰老过程：在番茄、拟南芥中发现半胱氨酸蛋白酶参与衰老过程；传粉诱导的矮牵牛花瓣衰老过程中，DNase和RNase活性增强，Ca2+螯合剂EDTA减弱DNase和RNase活性，并有片段化DNA出现；在衰老的叶片和豌豆心皮中也发现片段化DNA，这表明植物衰老与PCD密切相关。此外，衰老能够被乙烯诱导，并伴随ROS增加，可被细胞分裂素、乙烯拮抗剂抑制。这些都暗示衰老过程涉及乙烯和Ca2+等参与的信号转导途径。

12. 3 PCD分子调控机制 细胞程序化死亡是由基因控制的、主动的细胞死亡过程。由于植物PCD深入研究较晚，因此对PCD相关基因的研究远没有动物深入。目前，动物细胞凋亡基因dad-1、bcl-2、ced-3、ras、p53等已被陆续发现，并且一些基因在植物中具有同源性，如在拟南芥、水稻中发现dad-1同源基因；在拟南芥、玉米中发现ras相关基因等，但是它们在植物中的功能是否与动物中相同有待于进一步研究。 在动物PCD研究中，已发现高浓度的活性氧诱导线粒体通透性转变孔（permeability transition pore,PTP）长时间开放，线粒体跨膜电位（Δψ）下降，ATP合成降低，细胞色素C、凋亡诱导因子（apoptosis inducing factor,AIF）、Ca2+等释放到细胞质中，半胱氨酸蛋白酶（caspase）被激活，引起细胞凋亡。在植物中，许多研究发现活性氧（ROS）、Ca2+、激素以及多种蛋白信号分子参与PCD，并起一定作用。

13. 以糊粉层降解过程中PCD为例， 分析PCD过程中的 调控和信号转导。 • 活性氧(ROS) • 是一类具有强氧化能力、能持续进行反应的物质，如超氧化物、过氧化氢、羟自由基等，可以被超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸过氧化物酶（APX）和过氧化氢酶（CAT）清除。活性氧同样参与了糊粉层降解过程中PCD的信号转导。实验证明，H2O2能大大提高GA处理过的糊粉层细胞原生质体的死亡率。用325mmolL-1的H2O2处理GA处理过的原生质体，不到1h死亡数量就达到90%以上；即使用3.25mmolL-1的H2O2处理，在7h内原生质体的死亡数量也达到80%左右；有可能GA处理使得原生质体对H2O2更敏感。

14. Ca2+ • 糊粉层细胞或原生质体内部Ca2+含量快速增加，同时钙调素（calmodulin，CaM）也缓慢升高。GA 处理的原生质体逐渐合成一系列的天冬氨酸蛋白酶和半胱氨酸蛋白酶。而用ABA处理的原生质体中细胞内Ca2+浓度下降，pH值迅速上升，有丝分裂原活化的蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）活性升高；而且检测不到GA处理时存在的蛋白酶。GA处理时，信号分子CaM和GAMyB基因及与胚乳动员相关的α-淀粉酶基因的表达增强，而与细胞分裂相关的MAPK基因和贮藏球蛋白基因减量表达。ABA处理时，与分裂相关的Em(early-methioine-labelled-polypeptide)，Rab16和与脱水耐性相关的脱水素（dehydrin）基因增量表达，而α-淀粉酶和GAMyB的基因则减量表达。

15. 激素类 • 研究发现，激素与植物PCD密切相关：如IAA和CTK参与TES分化；GA促进糊粉层细胞水解酶的释放，导致PCD发生，而ABA拮抗GA作用，抑制水解酶分泌；乙烯诱导玉米根通气组织形成过程中的PCD、胡萝卜原生质体凋亡和植物衰老，CTK抑制细胞衰老；玉米胚乳发育中的PCD过程需要ABA和乙烯之间的一种平衡等。然而，究竟是一种激素还是几种激素共同起作用，目前尚不清楚。

16. 总结： 生长素、细胞分裂素、蔗糖 病原物信号 乙烯 蛋白酶、核酸酶 植物抗毒素、几丁质酶 纤维素酶 激发子 自溶 细胞质裂解 细胞壁溶解 管状分子 HR斑 通气组织 钙流动 液泡裂解

17. 存在问题 植物PCD研究取得了很大进展的同时，仍有一些问题没有搞清楚：如在HR中，病原物进一步侵染的失败是由于寄主细胞死亡，还是由于寄主细胞死亡之前病原物的扩散就已经被抑制？PCD基因怎样被调节以确保基因产物在合适的时间地点转录或活化等？Ca2+如何诱导PCD基因表达，植物特有的细胞器———叶绿体在细胞死亡过程中如何变化？因此，只有清楚植物PCD内在的、特有的发生机制，才能真正了解植物PCD。

18. The end Thank you！