唐山师范学院学术论文写作.doc

植物细胞凋亡研究进展 摘要细胞凋亡是存在于生物界多细胞有机体中的一种普遍现象, 它与细胞分裂、细胞增殖一样, 同是生物有机体维持生命活动和个体生存的2个重要方面。本文简要地介绍了有关植物细胞凋亡的研究进展概况。关键词植物细胞凋亡程序性细胞死亡细胞凋亡(apoptosis) 是生物界后生动物和多细胞植物在其个体生长、发育的不同阶段所广泛存在的一个普遍现象, 无论是在胚胎发育、形态形成等的正常发育过程中, 还是在畸变、癌瘤、疾病的异常情况下, 细胞凋亡都是极为重要的14 。细胞凋亡是程序性细胞死亡(Programmed Cell Death , PCD) 过程中的形态学概念。这种由自身基因调控的主动而有序的细胞死亡与细胞分裂、细胞增殖一样, 都是生物有机体维持生命活动和个体生存的两个重要方面。特定的细胞群在特定的时间和特定的部位, 按照特定的数量和特定的速度进行死亡和增殖, 它们都不是随意的, 从而使得包括人类在内的多细胞生物有机体在总体上保障了细胞的数量和功能的平衡, 保持有机体内环境的稳定, 保证后代的遗传质量。多年来, 对于细胞凋亡远不如对细胞增殖那样了解得深入、细致。事实上, 早在1665 年RobertHooke 发现了细胞, 这些细胞是已分化的植物细胞, 并经历了程序性细胞死亡, 仅留下四周的细胞壁。虽然, 过去也曾有一些病理形态学家很早就注意并观察到细胞凋亡的现象, 但是, 当时他们并未意识到这是不同于病理性细胞坏死的另一种细胞死亡过程。直到1951 年, 才由lucksmann 指出: 细胞死亡是一种普遍的现象, 它不仅是成体两栖类和昆虫类动物形态形成的重要因素, 也是植物形态行成的重要因素。至于细胞凋亡的概念则是由美国Kerr 等于1972 年首次提出的5 。Kerr等经过了长达8年对细胞凋亡的研究, 于1980年提出细胞凋亡是不同于细胞坏死的一种正常生理条件下的程序性细胞死亡过程6 。在此后的近20 年时间里, 程序性细胞死亡(PCD) 引起了生命科学领域的广泛重视。目前, 它已成为细胞生物学、发育生物学、免疫学、肿瘤学等生物学科和医学学科所共同感兴趣且极为活跃研究领域。1993年6月911日, 在意大利召开了关于Apoptosis 专题国际学术讨论会。Cancer Research杂志在1994 年第1 期报道了这次会议的情况。对于bcl22 基因在PCD 中作用的研究与阐明, 被列为1994年生物学重大进展之一, 表明对细胞凋亡的本质已有初步的揭示。1 文献分析尽管人们最先观察到的细胞是经历了PCD 的植物细胞, 且凋亡一词的本意又源于植物, 但对于植物细胞凋亡的研究却起步较晚。我们查阅了1989 年4 月至1997 年2 月的国际植物学杂志, 直到1996年第1 期才出现有关植物细胞凋亡的全文7 。而国内在该领域的研究更为迟缓。1997 年5 月, 我们检索了“中文科技期刊篇名数据库CD2ROM 数据光盘(19891996) ”, 共检出有关细胞凋亡的文献31篇, 但没有1 篇是专门论述植物的。只是1995 年的2 篇综述性文献中略有提及8 ,9 。1997 年5 月以后,已查阅到2 篇综述性报道10 ,11 和1 篇译文12 , 但还是未见研究性论著。在检索中文文献的同时, 1997 年6 月通过Diolog 国际联机情报检索系统检索到其中的9 个文档中有关于植物细胞凋亡的资料(表1) , 共计64 篇。表1 国际联机检索情况名称(年份) 文档号 篇数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, 从1997.11997.9 的医学文献联机检索库速递(Medline Express) 中可见国际学术界对植物细胞凋亡研究进展的深度、广度与速度。在短短的时间内, 仅在医学领域所收录的与植物和PCD有关的题录和文摘就有16 篇, 其题目的内容主要有:植物的细胞凋亡;大豆根坏死突变型中根皮层的程序性细胞死亡;dad1 水稻中存在的程序性细胞死亡抑制基因;植物过敏疾病阻碍反应中受钙调节的凋亡;大麦萌发过程中糊粉层的凋亡及脱落酸对它的限制;程序性细胞死亡植物生活的一种方式;面对敌人的牺牲植物中由病原体诱导的程序性细胞死亡;大孢子退化是选择性细胞凋亡的结果吗?挪威云杉二倍体孤雌生殖和早期体细胞胚胎发生过程中的细胞凋亡;蚕豆心皮衰老中乙烯调节的DNA 断裂;烟草在低氧气压下由病原体导致的过敏性反应过程中程序性细胞死亡的抑制;细胞凋亡: 植物发育过程中被选择性植物毒素和寄生诱导的植物程序性细胞死亡的作用范例。2 植物细胞凋亡的部分形态学特征染色质凝集与细胞核解体是动物细胞PCD的主要特征。1986年, Eleftherio以小麦根尖为材料, 研究原生韧皮部筛管细胞的分化过程, 首次报道了细胞核的解体过程。R1Mittler 等在研究豌豆根尖发育时, 进一步观察到在原生木质部导管细胞分化过程中的PCD 现象, 细胞核的结构和DNA 的含量均发生明显变化, 首先是细胞核体积膨大, DNA 含量增加, 当次生壁形成以后, 细胞核体积开始缩小, 形成叶状突起, 染色体凝集, 最后, 核仁消失, 所余核质不易被着色, 细胞核仍是细胞中最迟消失的细胞器之一。但R1Mittler 和E1Lam在研究由过敏反应诱导的细胞死亡时, 并没有观察到细胞染色体的凝缩与细胞核解体, 只是在细胞核某些区域有核物质的明显11 。核内DNA 降解是动物细胞PCD的典型特征。1995年, R.Mittler和E.Lam利用DNA断裂原位杂交的方法, 证明在导管细胞核解体之前, 核内DNA发生断裂, 表明可能有类似动物细胞凋亡时核酸内切酶活化的相似机制导致植物细胞核内DNA的降解。1996年, H1Wang等用末端标记方法（UNEL) ,证明在洋葱根冠的最外13 层细胞中存在DNA 的降解现象。另外, 在维管组织分化过程及转基因引发的或者病毒诱导的植物细胞死亡中, 也发现了核内DNA 的降解现象11 。3 与植物细胞凋亡有关的基因目前已发现的基因有4 ,11 :1) dad1 基因同系物(homolog of defender against apoptotic cell death gene)dad1 基因是小鼠基因组中对细胞生存十分重要的一个基因, 它被定位于第14 染色体, 在水稻中也找到了相似的基因。该基因与水稻中的相似基因在核酸序列上的同源性为64 % , 与仓鼠、人类的同源性分别为94 %和91 %。2) sus 基因(suspensor gene , 胚柄基因)胚柄是植物形态发生过程中最早分化的短命结构。在大多数被子植物中, 胚柄在早期发育过程中为胚提供营养和生长调控因子。在拟南芥中, 正常情况下胚柄细胞(1 列68 个) 在早期发生程序化死亡, 不出现在成熟种子中。而在sus 基因突变株(sus1 , sus2 , sus3) 中, 隐性突变体干扰胚胎形态发生并形成不正常的大胚柄。sus 基因被定位在1 号染色体上。3) twn 基因(twin gene , 孪生基因)与sus 基因相似, 在拟南芥的twn 突变株的种子中包含2 个或更多的能发芽并发育成成熟植株的胚。胚柄细胞具有潜在的发育为胚的能力, 而twn 基因则有可能在胚细胞中编码一种能抑制胚柄发育的信号物质, 或在胚柄细胞中编码一种物质能接收抑制信号并抑制胚柄细胞的再分化, 随后发生PCD。4) Ts 2 基因(tasselseed 2 gene , 雄穗结籽基因)玉米的tasselseed 2 突变株能够在雄穗中不正常地形成雌花。Ts 2 基因已经通过转座子标记的方法被克隆出来, 并在野生型雌蕊细胞的亚种群中表达。5) acd 2 基因(accekerated cell death gene , 促细胞死亡基因)acd 2 基因定位于第4 染色体, 它可能参与过敏反应PCD 的负调控。在玉米、大麦和拟南芥中还发现了与acd 2 基因功能相似的基因, 分别命名为les、mlo 、lsd , 统称为R 基因(resistance gene) 。6) bo 基因(bacterio2opsin 基因)bo 是一种细菌视蛋白, 转入bo 基因的烟草细胞表现出与过敏反应病斑十分相似的现象, 包括颗粒状物质的积聚、细胞壁加厚和自发荧光物质的聚集, 以及细胞结构的降解。当对质子泵通道蛋白中某个特定的氨基酸进行定点突变后, 转基因烟草便失去了形成病斑及抵抗病原体侵染的能力。4 植物细胞凋亡发生的部位和阶段植物中最好的PCD 例证也许是维管组织中水分和养分输导管道的形成。木质部(输水细胞) 和韧皮部(运输养分细胞) 分化成熟时会发生自溶。如果存在维管束的话, 伤口也能诱导附近的薄壁组织细胞分化为木质部, 这时, PCD 的作用就显而易见了。基因产物TED2 是一种类似水晶般的醌氧化酶,它在维管结构中得到表达, 如果氧化信号像它们在动物中的那样, 可以触发植物中细胞死亡, 那末这个基因产物就是这种信号的来源4 。植物根冠细胞中的核酸内切酶导致DNA 单股断裂, 提示它们的死亡是一个程序性过程。植物的形态发生取决于特定的细胞和组织生长, 只有少数植物的细胞死亡对叶片形状的形成起决定作用。在龟背竹属中, 叶片发育早期的细胞死亡造成斑块, 产生孔洞和裂缝, 并最终导致成熟叶片中有一系列穿孔和边缘裂片, 而一般植物的叶具有裂片或形成复叶是由于叶缘各部分的生长速率不等造成的4 。植物繁殖的许多阶段都有细胞死亡。例如在挪威云杉的体细胞胚胎发生过程中, 观察到核解体、DNA 单股的3羟基端断裂和凋亡小体的出现。在胚中, 连接胚体本身和母体组织并供应营养的胚性器官胚柄细胞在胚成熟之前死亡。玉米中, 性别决定是有选择性地杀死雌性原始生殖细胞, 以有利于雄花序中雄花结构(雄蕊) 的发育。绒毡层是花药中围绕着正在发育的花粉粒的细胞层, 细胞能执行一个精确的分解程序, 使它们的内含物释放, 以满足花粉发育的营养需要。胚珠中的大孢子母细胞经减数分裂, 产生4 个单倍的大孢子, 其中3 个退化, 只留下1 个产生胚囊内的卵细胞和其它相关细胞, 这种大孢子的退化是由于种子植物中的细胞凋亡引起的4 。随着生殖过程的进行, 某些植物开始了机体的衰老和死亡。而个别器官的死亡则是更普遍的现象。最典型的例子是多年生植物所有的成熟叶衰老和死亡, 它们的脱落是通过在叶基附近出现离层而形成离区来实现的。植物可以识别特定的病原物, 并激活防御反应, 从而限制病原物在侵染处的生长。一个最为显著的抗性反应就是在侵染处诱发局部的细胞过敏性坏死反应(HR) , 现已知HR 与PCD 有密切的关系4 ,10 。植物的过敏反应, 实质上就是一个细胞能查知一个单一细菌的感染, 不但本身归于死亡, 也引起邻近细胞的警惕而死亡。这种植物细胞的所谓利他性死亡, 能保护整个宿主机体, 并能使细胞死亡基因在生殖细胞中代代相传, 以保持植物种的延续性和进化性8 。5 植物与动物细胞凋亡主要特征的比较植物细胞的死亡在某些情况下, 可能有类似动物细胞凋亡的机制。第一, 垂死的植物细胞出现了类似凋亡细胞形成凋亡小体的形态特征。第二, 某些类型的植物细胞死亡伴随着DNA 的断裂, 而这些DNA 已显出核内分解的病变DNA 的特征, 这是凋亡的显著特征之一。第三, 动物中参与抑制PCD的基因dad1 的同源染色体已在植物中发现, 但它在植物中的作用还有待于研究。尽管植物与动物的PCD 过程很相似, 但植物中的PCD 作用和机制的某些方面有可能与动物的不同, 例如, 植物细胞不会吞噬它们邻近的死细胞, 有些植物死细胞可以形成角质层的部分结构4 。植物细胞与动物细胞的程序化死亡存在以下5 个共同点: 形态学方面主要是染色质的凝集和细胞核的降解; 核内DNA 断裂; PCD 过程的启动都需要有新的蛋白质合成; 都具有PCD 的负调控基因;都利用细胞程序化死亡作为对不良环境的反应。不同之处是植物细胞具有以下4 个特征: 细胞壁的修饰; Camalexin 的积累; 系统抗病体系的活化; 离子渗漏11 。参考文献1 Beaulation J , R. A. Lockshin. The realation of programmed cell death to development and reproduction : Comparative studies