对活性氧与植物细胞程序性死亡关系的研究进展

对活性氧与植物细胞程序性死亡摘要细胞程序性死亡(PCD)发生在许多植物生长发育过程中和非生物的逆境条件下，是由细胞自身基因编码的、主动的、有序的细胞死亡形式。在植物细胞中，线粒体ETC的复合物I和III是ROS产生的主要部位。大量证据表明，活性氧(ROS)在植物的生长、发育和对外界生物和非生物环境刺激的反应及细胞程序性死亡等调控过程中是一个重要的信号分子。而线粒体处于PCD调控的中心位置。本文综述了ROS的产生、ROS在植物抵御环境胁迫中的作用以及存在的问题与展望。关键词细胞程序性死亡(PCD)活性氧(ROS)信号转导ReactiveOxygenSpeciesandProgrammedCellDeathinHigherPlantsAbstractThispaperdiscribedplantprogrammedcelldeath(PCD),generallyoccuringduringmanydevelopmentalprocessesandabioticstressconditions,isadrivingcelldeathprocessregulatedandcontrolledbygene.Inplantcells,complexesIandIIIofmitochondrialelectrontransportchain(ETC)aremajorsitesofreactiveoxygenspecies(ROS)production.AlotofevidencesuggestedthatROScanactasubiquitoussignalmoleculesduringPlantGrowthandDevelopment,environmentalstimuliresponsedandprogrammedcelldeath(PCD)regulatedinplants.Mitochondrionplaysaroleofcentralpostiton.Keywordsprogrammedcelldeath(PCD)reactiveoxygenspecies(ROS)signaltransduction前言植物细胞程序性死亡(programmedcelldeath,PCD)普遍存在于植物生长发育及环境相互作用过程中,是由基因调控的、主动的细胞死亡过程[1]。大量研究已证明,在逆境胁迫因子如病原体、盐害、低氧、低温、热激、金属离子等作用下，植物为了抵御不良环境的侵害，诱导植物体的特定部位发生PCD，形成细胞主动性死亡，从而避免逆境对其他组织进一步伤害，并使植物获得对不良环境的适应性。近年来，植物对各种环境胁迫的反应已在生化和分子水平上进行了广泛的分析。越来越多的证据表明活性氧(ROS)在植物适应不同的环境胁迫的生命过程中起着重要的作用。植物中的活性氧ROS最初被认为是氧化代谢的有毒的副产物，能被各种抗氧化剂和抗氧化酶清除。近年来才慢慢发现ROS在植物在生长、发育、对外界生物和非生物环境刺激的反应,细胞程序性死亡等调控过程中是一个重要的信号分子。在植物细胞中线粒体是产生活性氧的主要部位[2]。ROS既可通过电子传递过程产生，也可通过代谢产生。当出现环境胁迫时ROS的产生与清除将失去平衡,产生氧胁迫[3]。这时会产生过量的ROS，如超氧阴离子自由基(O2-)、过氧化氢(H2O2)、羟自由基(·OH)、一氧化氮(NO)等，通过与细胞内生物大分子反应，导致DNA、蛋白质的损伤和膜脂质的过氧化。自从1923年Allen和1961年Leopold对植物细胞死亡进行研究，并引入了细胞程序性死亡的概念以来，植物PCD的研究逐渐引起植物学家的关注[4]。目前人们普遍认为，ROS与植物细胞的程序性死亡有关；在植物的PCD过程中ROS可能起到三方面的作用:一是低浓度时作为信号分子传递环境胁迫信号；二是中等浓度时能诱导细胞发生PCD；三是高浓度时细胞发生坏死[3]。1.环境胁迫下植物ROS的生成ROS的生成是与环境胁迫相关的,主要为超氧阴离子(O2-)、过氧化氢(H2O2)和羟自由基(·OH)等。ROS通常在植物光合作用和光呼吸作用的需氧相中产生[5]。在细胞凋亡中ROS的积累主要来自于过氧化物酶、胺氧化酶和NADPH氧化酶活性的增强和细胞内ROS清除能力的降低[6]。植物中,叶绿体被认为是ROS产物新陈代谢的中心，它是O2-和H2O2主要生产者，并包含一系列的ROS清除机制[7]。线粒体可能也是重要的反应中心，需氧生物中大部分的氧被线粒体用来氧化底物和生产ATP，ROS稳态的转变激发了线粒体的转运孔的开放和形态学的变化将细胞色素C从线粒体中释放出来[8]。2.ROS在植物抵御环境胁迫中的作用2.1ROS的双重作用ROS在植物PCD中作为信号分子的最早实验证据是在细胞的悬浮培养中，H2O2诱导的细胞死亡能被放线菌酮和蛋白酶抑制剂所阻碍[9]。从那时起,越来越多的证据表明在激发PCD中ROS起着关键的作用。ROS根据积累水平的不同起着双重作用。高浓度的ROS能导致不可逆转的伤害和细胞死亡。在高浓度下(氧胁迫),各种ROS表现为十分活跃的分子。它们几乎杂乱的和细胞内所有组分发生反应,破坏蛋白质结构、诱变DNA链断裂、氧化嘌呤等[10]。此时,生物膜发生了脂质过氧化,这不仅直接影响正常细胞的功能,也使脂质衍生的有毒产物进一步加重了氧化胁迫。尽管ROS的性质和活性使它们对细胞是有害的,但植物利用它们在不同的生命过程(细胞分裂、趋向性生长、细胞死亡和防御机制等)中的信号转导级联中充当第二信使[11]。现已广泛接受ROS的积累在植物发育和防御机制中起着关键的作用。一个瞬时的氧爆发和接下来的瞬时的细胞内氧化还原状态的改变是在生物和非生物胁迫反应中却是普遍存在的。植物细胞具有高效的ROS清除机制,使细胞免受ROS的毒害，并能使这些具有短暂活性的分子作为信号转导因子的作用。ROS能被很多酶所清除,包括超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(CAT)，还能被非酶抗氧化化合物VC、VE、谷胱甘肽和β-胡萝卜素清除。2.2活性氧在植物防适反应中的信号分子作用最近的研究表明,在超敏反应(Hypersensitiveresponse,HR)中，小GTP结合蛋白Rac(动物NADPH氧化酶调节因子)能介导依赖于ROS的HR的发生[12].。推测在HR反应中，ROS跃升很可能是由NADPH氧化酶的活性所致。PCD是受遗传控制的，具有动物细胞中细胞凋亡(apoptosis)的特征：细胞皱缩、细胞质和细胞核浓缩，异染色质增加，细胞质空泡化以及DNA片段化等[13]。有结果显示ROS可能参与了植物生长发育中的PCD。在植物胚芽形成的晚期迸行干旱处理，超氧化物歧化酶(superoxide,SOD)和过氧化氢酶(catalase,CAT)首先在胚芽中大量表达，可能是为了防止ROS的产生[14]。最近，在莴苣叶子的导管细胞中发现有O2-和H2O2等ROS积累。在百日菊的TE分化中也发现有Ca2+、G蛋白和细胞外源蛋白酶的参与。1994年Demura和Fukuda发现百日菊的叶肉细胞被诱导分化成导管时，在NADPH氧化还原酶作用下产生了大量的O2-和H2O2，从而诱导了PCD发生。但也有实验表明，H2O2在TE分化中诱导了坏死或ZRNasel(TE细胞特异死亡基因)的表达而不是PCD，且Diphenyleneiodonium(NADPH氧化酶抑制剂)对TE的PCD过程并无抑制作用，显示木质部分化的过程中并没有活性氧爆发的现象。环境胁迫诱导PCD的产生是通过一系列信号分子介导的，这些信号分子包括ROS、乙烯、Ca2+、水杨酸(SA)和NO等。由于ROS具高度的活泼性，能造成细胞和细胞器的伤害，因此常被认为是有害的甚至是致命的。然而最近的研究表明ROS很可能作为信号转导途径的重要组成物质来影响PCD及其保护系统的表达。这些保护系统的防御反应包括活性氧的产生、过敏反应、防御屏障(如木质素和富含羟脯氨酸的细胞壁蛋白质)的形成、病程相关蛋白和其它防御相关蛋白的合成、植保素的合成等。最近的研究结果表明活性氧在植物防御机制中可能起关键作用。环境胁迫因子如O3、冷害、高光照、重金属、机械损伤、干旱、UV以及病程反应都是通过ROS产生而起作用，且这些产生氧胁迫的刺激因子都能诱导某种保护基因(如GST1、GPX、PR1)的表达，并启动一种O3或H2O2特异性PCD途径。ROS能使病原-植物产生不亲和性从而诱导过敏反应，ROS既可作为毒性分子直接杀死病原，也可通过引起细胞壁木质化、富羟脯氨酸细胞壁结构蛋白的氧化交联、胼胝质合成等加固细胞壁结构，阻碍病原的继续侵入。此外ROS还可诱导某些产物如植保素、水解酶(几丁质酶、β-葡聚糖酶等)、蛋白酶抑制剂等的合成以抵御入侵的病原。这种过敏性反应与动物组织中的发炎和吞噬作用非常相似。继过敏之后，植物会产生一种对各种再次入侵的病原广谱且较为持久的周身抗性，称为系统获得性抗性。许多证据显示，在这种非特异性反应中，H2O2可能作为信号分子，参与信号传导、诱导植物防御基因的表达。病原菌入侵时植物体内不亲和的R基因诱导细胞致死前，大量ROS在细胞内迅速产生并积累。含细菌或真菌Avr基因的培养基中培养的细胞内活性氧含量增加。在该体系中，有两个活性氧产生高峰，第一个峰在1h内产主,而第二个峰在4-5h后产生，且较为稳定。少量活性氧能诱导抗氧化酶如谷胱甘肽氧化酶、谷胱甘肽转化酶等的表达，而活性氧的大量产生则能迅速诱导R基因诱导的PCD。这说明ROS可诱导被感染的细胞发生PCD,又扩散至其周围细胞诱导其体内保护系统的表达。近来的研究表明ROS在PCD中执行两种重要功能:首先在PCD初期作为一种可选择性诱导信号分子；其次在PCD后期，作为线粒体膜透性改变的一种共同结果，最终导致细胞解体[15]。在拟南芥突变体lsd1中，大剂量ROS直接参与植物细胞的原位“自杀”作用,而低剂量的ROS则作为一种信号，诱导细胞凋亡。突变体lsd1常在细胞间积累过氧化物，lsd1细胞对胞间过氧化物很敏感，诱导细胞发生PCD。野生型LSD1可看作一个调节细胞死亡的变速箱，在高信号水平时启动细胞死亡，低信号水平时则阻止细胞死亡。因此ROS的生物学效应具双重性。虽然越来越多的事实证明活性氧在诱导和启动HR中起作用，也有一些研究显示活性氧没有参与HR诱导死亡。细菌引起的活性氧爆发有两个阶段,其中阶段II能引起HR，但这个阶段在烟草中也能被突变细菌诱导但没有HR。另外虽然H2O2在某些情况下能引起细胞死亡，但当死亡因子C.fulvum菌存在时，它并不能诱导烟草的死亡。可能象哺乳动物一样，它需要与氮氧化物共同起作用。在大豆和玉米中发现HR过程中NO合成酶活性上升。NO本身并不能引发细胞死亡，但它可能协同ROS引发细胞死亡及调节相夫的由ROS调节的防卫基因的表达。ROS诱导HR的情况可能因不同植物不同情况而有所不同。H2O2是一种相对稳定的代谢物，而且在细胞内存话时间较长，可以从产生位点扩散到细胞中的各个部位。因此，可被认为是第二信使,是目前研究较为深入的氧化胁迫的一个刺激子。作为信使的活性氧，其作用位点可能位于信号传递途径中的不同层次：它可以氧化质膜受体上的巯基，便受体活化；它可以活化或抑制信号级联反应中的重要酶类，例如H2O2可以活化酪氨酸激酶、蛋白激酶C或抑制酪氨酸磷酸化酶；H2O2可以活化基因应答元件(responseelement)。2.3ROS在诱导细胞程序性死亡中与其他信号分子的作用在植物发生PCD过程中也存在着ROS和其他信号分子紧密的相互作用。2.3.1与水杨酸和乙烯的交互作用研究表明依赖H2O2的PCD与水杨酸SA和乙烯水平的增长相关联。潘秋红[16]等在高温锻炼(37℃，2h)过程中,豌豆叶片H2O2和游离态SA含量都有一个高峰，H2O2的迸发早于游离态SA的积累。王弋博[17]等发现UV-B能诱导玉米幼苗活性氧和乙烯的产生，其中ROS参与了