第6章-植物細胞衰老與程序性死亡-改版

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

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

超敏反應中觀察到的PCD是由病原體的侵染引起人侵部位及其周圍細胞死亡，與衰老中的PCD是完全不同的。由于超敏反應中局部的細胞死亡可以阻止感染的進一步擴散，因此其重點就是，在病原體勢力穩(wěn)固之前迅速殺死它們賴以生存的寄主細胞，而不是最大限度的營養(yǎng)再利用。1.植物細胞死亡類型及PCD實例2.衰老概述3.衰老過程中的代謝4.衰老的調節(jié)及誘導5.小結植物細胞死亡類型

及PCD實例1.1動物細胞死亡有二種形式：

細胞調亡和壞死

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

body）,隨后被鄰近的細胞吞噬并降解。

壞死：在此過程中，質膜和內膜系統破裂，引發(fā)迅速釋放水解酶和其他細胞內容物，而后引起炎癥反應。細胞調亡和壞死的區(qū)別之一：炎癥發(fā)生與否二者的主要區(qū)別是，細胞凋亡過程中，細胞質膜反折，包裹斷裂的染色質片段或細胞器，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胞所吞噬。整個過程中，細胞質膜的整合性保持良好，死亡細胞的內容物不會逸散到胞外環(huán)境中去，因而不引發(fā)炎癥反應。相反，在細胞壞死時，細胞質膜發(fā)生滲漏，細胞內容物，包括膨大和破碎的細胞器以及染色質片段，釋放到胞外，導致炎癥反應細胞凋亡的形態(tài)學特征◆凋亡的起始：細胞表面的特化結構如微絨毛消失，細胞間接觸的消失，但細胞膜依然完整；線粒體大體完整，但核糖體逐漸從內質網上脫離，內質網囊腔膨脹，并逐漸與質膜融合；染色質固縮，形成新月形帽狀結構等形態(tài)，沿著核膜分布

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

（自趙允、翟中和）1.2植物中細胞死亡機制

和類型植物細胞調亡少見，原因：細胞壁和吞噬細胞。此外在植物PCD中無染色質凝集和DNA梯狀條帶二個明顯特征。1.2.1植物生活周期中的PCD

自體吞噬作用（autophagy)

細胞產生可吞噬細胞質甚至完整細胞器的自噬體，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胞的死亡

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

GA和ABA調控禾本科植物的細胞死亡(GA誘導大麥和小麥的糊粉層細胞進入PCD而ABA則延遲PCD的發(fā)生)。糊粉層細胞PCD特點1.糊粉細胞的貯藏液泡PSV在GA處理后變?yōu)榱呀庑约毎鳎╬H降低，7-5.5，出現水解酶）2.糊粉細胞的DNA降解并不產生細胞調亡的梯狀條帶,無自噬體形成。3.多個信號轉導途徑參與了禾本科植物糊粉細胞的PCD。胞質中子有的Ca2+、PH、cGMP、CaM、蛋白激酶和蛋白磷酸酶都是信號轉導途徑中的元件。1.2.1.2管狀分子的形成

木質部發(fā)育開始于胚胎發(fā)生階段，并在植物整個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)育后期經歷細胞壁次生加厚，細胞死亡和細胞內容物自溶等事件。分化后的細胞只保留細胞壁且具有次生加厚的特征。培養(yǎng)的百日草葉肉細胞可以誘導形成管狀分子

管狀分子通常來源于原形成層和形成層。體外誘導導管分化為研究細胞發(fā)育過程中的細胞分化和死亡程序提供了一個理想的系統。當機械分理處的細胞在含有生長素和細胞分裂素的培養(yǎng)基中培養(yǎng)時，40%-60%的細胞去分化，然后重新分化出管狀分子。百日草管狀分子分化的3個階段：1、去分化階段；2、與分化相關基因轉錄產物的出現；3、管狀分子的特異發(fā)育，次生壁特異加厚。管狀分子的PCD與液泡膜裂解有關液泡膜破裂后，水解酶釋放，細胞內容物自溶。在啟動細胞死亡程序時，半胱氨酸蛋白酶和蛋白酶體都起調節(jié)作用。液泡膜破裂后，細胞壁木質化，在幾乎所有可辨認的細胞器消失前，細胞膜保持完整。百日草管狀分子PCD調節(jié)

生長素和細胞分裂素是必需的，鈣和鈣調蛋白也可能是誘導管狀分子分化的信號途徑中的成員。油菜素類固醇、絲氨酸蛋白酶也可能參與管狀分子的形成。1.2.2植物脅迫應答PCD例子1.2.2.1通氣組織的形成通氣組織的形成是對水淹的應答反應。主要是由于根部組織缺氧。通氣組織是位于內皮層和下皮層之間的一類高度特異的皮層組織發(fā)生PCD時形成的。乙烯介導了通氣組織的形成Ca2+介導信號轉導途徑在此過程中的作用Ca2+介導信號轉導途徑將低氧環(huán)境與產生乙烯聯系起來,胞質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)的玉米細胞，鈣濃度為50-100mmol/l低氧環(huán)境中，上升至250-300mmol/l.

胞內Ca2+和CaM可以激活蛋白激酶和蛋白磷酸酶，從而促進PCD相關蛋白的修飾。GTPrS能把G-蛋白鎖定在火星位點上，岡田酸一直蛋白激酶的活性。1.2.2.2超敏反應細胞死亡是病原體入侵時的植物應答反應，植物防御反應普遍存在，典型例子是超敏反應。超敏反應是植物的遺傳程序，是宿主進行新的轉錄和翻譯的結果。它是許多抗病植物和無毒病原體之間不親和反應的相關特征。

超敏反應中的細胞死亡是自殺已證明超敏反應相關的細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、它是一個主動過程，需要宿主細胞進行轉錄和翻譯。2、該過程有信號分子介導，已知的信號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，這些壞死細胞與超敏反應中看到的死細胞很相似，這些突變體在沒有病原體時也產生超敏反應類型的病斑。機理假說：1、顯性突變導致代謝受阻，從而使細胞進入典型的PCD2、突變的大多數屬于信號應答網絡，它通常用來抵擋病原體入侵的。

病斑模擬突變體分為2類：啟動型突變體和增殖型突變體。

啟動型突變體有不連續(xù)壞死部位而且不擴散。此類突變可能是由病斑啟動功能的調控異常所致（信號受體本身或信號傳導早期步驟）。啟動型突變體可能與抗病基因有關。

增殖型突變體，它們喪失了病斑形成開始后限制病斑擴散的能力。

超氧化物自由基對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中的細胞死亡，而對其他發(fā)育過程中的細胞死亡事件沒有影響活性氧中間體是超敏反應PCD過程中的一個關鍵誘發(fā)劑氧爆：植物在接種病原體后數小時內就產生了活性氧中間體。有證據表明活性氧中間體產生后細胞死亡，原因有二：一是過氧化物直接殺死細胞，二是活性氧中間體作為一種信號分子誘發(fā)一條獨立的細胞死亡途徑或誘發(fā)防御基因的轉錄。2.衰老概述細胞衰老是一個PCD的過程，它與營養(yǎng)器官和生殖器官發(fā)育的最后階段有關聯。衰老可以重塑植物形態(tài)，處理不需要或不正常細胞，同時回收有價值的營養(yǎng)物質，特別是氮和磷，衰老通常發(fā)生在器官成熟后。衰老是一個受高度調控的過程，在這一過程中，啟動了一些新的代謝途徑，同時關閉另一些途徑。葉綠體分化成衰老體是葉肉細胞和綠色幼果細胞衰老特征。SAG衰老相關基因，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的酶，或者是衰老計時系統改變了的植物。3.衰老過程中的代謝

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，是一個復雜的酶促反應過程，并涉及到多個亞細胞區(qū)室。

類胡蘿卜素的合成通過異戊二烯途徑3.2苯丙烷類化合物的代謝衰老組織中會積累一些其他色素和次級化合物，包括酚類、鞣酸、類黃酮和木質素等。

3.3蛋白質代謝

衰老組織中葉綠體是有機氮回收利用的主要來源。含量最豐富的蛋白質是位于葉綠體可溶性基質上的Rubisco和類囊體膜上結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)時表達的蛋白水解酶高度同源，它們定位于內質網或液泡中，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程中蛋白質的水解，而是在蛋白級聯反應中間接起作用。蛋白質降解機制3.5衰老對氧化代謝的影響3.5.1葉的衰老與過氧化物酶體轉變成乙醛酸循環(huán)體有關

在葉衰老的過程中，糖原異生作用的一個通路得到激活，就是脂轉變?yōu)樘堑耐?。可以將葉片中大量的以脂類形式存在的碳轉化為可溶性糖轉運到植物其他部分的庫中，尤其是葉綠體膜中的脂。

3.5.2衰老與細胞內氧化還原狀況敏感1.在細胞水平上，氧化代謝是衰老的一個主要特征。2.衰老細胞中存在多種活性氧。過氧化氫和超氧化物陰離子是過氧化物酶體、乙醛酸循環(huán)體、葉綠體以及其他區(qū)室中一般每促反應的產物。3.氧化還原狀態(tài)的改變引起一系列信號系統的改變，影響基因的表達。3.6衰老過程中的核酸代謝核酸代謝可以產生無機磷酸。嘌呤代謝衰老過程中代謝調節(jié)多種機制調節(jié)蛋白對水解的敏感性基因差異表達、區(qū)室化、別構效應衰老時許多細胞質酶要么不受影響，要么受到正調控作用，但細胞器內的同工酶卻發(fā)生降解衰老細胞保持了高度的內部組織性和區(qū)室化，細胞器之間受調控的物質交流對于衰老的有序發(fā)生是必須的。4.衰老的調節(jié)及誘導衰老是外源和內源多重因素共同作用的結果。研究植物生長因子在植物衰老中的作用時，應強調二個方面：一、多重信號相互作用，決定了植物是否啟動衰老進程，這些信號包括內源生長調節(jié)因子，當然不僅僅局限于這些因子。二、不同植物對衰老相關的特異生長調節(jié)因子的反應不盡相同。內源生長調節(jié)因子對衰老的影響

乙烯是主要的衰老促進劑

轉基因晚熟植物（蜜瓜）利用基因工程技術使植物乙烯產量減少，可以抑制果實成熟和葉片衰老，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，反義表達這些基因的植株乙烯濃度大大下降。細胞分裂素是衰老的拮抗物細胞分裂素抑制衰老進程，“綠島”現象

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