活性氧对植物自噬调控的研究进展_景红娟

植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2012, 47 (5): 534–542, doi: 10.3724/SP .J.1259.2012.00534 ——————————————————收稿日期: 2012-01-09; 接受日期: 2012-05-24基金项目: 国家自然科学基金(No.31101931)和河南工业大学引进人才专项(No.2009BS006) 活性氧对植物自噬调控的研究进展景红娟*, 周广舟, 谭晓荣, 平康康, 任雪建河南工业大学生物工程学院, 郑州 450001摘要 自噬是一种在真核生物中高度保守的降解细胞组分的生物过程, 在饥饿、衰老和病菌感染等过程中起关键作用。

而活性氧是有氧生物在正常或胁迫条件下产生的一种代谢副产物, 在植物的生长发育、胁迫适应和程序性细胞死亡过程中起重要作用。

最新研究结果表明, 当植物受到病菌感染产生超敏反应时活性氧和自噬在程序性细胞死亡、生长发育和胁迫适应过程中起重要调控作用。

因此, 该文结合最新的研究进展, 从活性氧的种类及特点、自噬的分子基础以及活性氧在植物自噬中的作用等方面, 探讨了活性氧与植物自噬之间的信号转导关系。

关键词 植物自噬, 程序性细胞死亡, 活性氧景红娟, 周广舟, 谭晓荣, 平康康, 任雪建 (2012). 活性氧对植物自噬调控的研究进展. 植物学报 47, 534–542.自噬(autophagy, self-eating)是指细胞内的液泡(酵母, 植物)或溶酶体(哺乳动物)降解自身细胞器和其它大分子的过程(Reumann et al., 2010)。

植物自噬主要有3种作用(Reumann et al., 2010): (1) 在C 、N 元素缺乏、生长因子减少或衰老过程中, 通过自噬可以使营养元素得到充分再利用; (2) 在植物受到氧化胁迫时, 自噬是清除氧化蛋白、减轻氧化损伤的重要方式(Xiong et al., 2007b); (3) 在植物免疫过程中, 自噬通过反向调控病菌感染引起的超敏反应程序性细胞死亡(hypersensitive reaction-proceeding cell death, HR-PCD)限制病原菌的传播(Liu et al., 2005)。

活性氧(reactive oxygen species, ROS)是细胞正常条件下进行有氧代谢的副产物, 植物饥饿或衰老会打破ROS 生成与清除之间的动态平衡引起ROS 积累(Van Breusegem et al., 2001)。

植物在受到生物胁迫或非生物胁迫时, 也会使细胞内产生大量的ROS, 该过程称为氧化猝发(oxidative burst)(Gechev et al., 2006)。

研究表明, ROS 和自噬之间关系密切。

本文对近年来有关ROS 和自噬研究的最新进展进行了总结概括, 综述了ROS 和植物自噬之间的关系及相互作用。

目前, 植物自噬研究主要集中在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana )。

因此, 本文以拟南芥为例介绍ROS 与植物自噬之间复杂的调控关系。

1 活性氧的种类及作用1.1 活性氧的种类及性质ROS 的种类很多, 包括单线态氧(O 21)、超氧阴离子(O 2–. )、过氧化氢(H 2O 2)、羟自由基(·OH)等(Vranová et al., 2002)。

除了O 21, 其它的ROS 都是分子氧接收电子经过4步还原生成的。

该还原反应的起始是限速步骤, 接下来的反应是放热的, 可以在酶的催化下完成或自发完成(Van Breusegem et al., 2001)。

O 2→(H)O 2–. →H 2O 2→·OH+H 2O →2H 2O O 2–.的半衰期很短(约为2–4 μs), 能迅速与生成部位的分子发生氧化还原反应, 并对该部位细胞造成损伤(Van Breusegem et al., 2001)。

O 2–.的另一个去向是自动歧化或经超氧化物歧化酶(superoxide dis-mutase, SOD)催化生成H 2O 2(Van Breusegem et al., 2001; Ślesak et al., 2007)。

O 2–.的来源很多, 叶绿体光合作用光系统II(PS II)和光系统I(PS I)以及线粒体糖酵解和三羧酸循环过程中产生的高能电子, 经过电子传递链均能传给氧分子生成O 2–. (Vranová et al., 2002; Ślesak et al., 2007)。

另外, 与细胞壁结合的酶(pH 依赖的细胞过氧化物酶、草酸氧化酶、多胺氧化酶)和细胞膜结合的酶类(NADPH 氧化酶)是O 2–.另一个主要来源(Vranová et al., 2002; Rinalducci et al.,・专题论坛・景红娟等:活性氧对植物自噬调控的研究进展 5352008)。

H2O2与其它的ROS相比不带净电荷(Halliwell and Gutteridge, 2006), 因此具有相对较长的寿命(半衰期约为1 ms), 可以作为信号分子从产生部位运输到作用位点。

细胞膜上的水通道(aquaporin)可以在运输水分子的同时运输部分H2O2(Henzler and Steu-del, 2000)。

H2O2不仅来源于O2–.的歧化作用, 而且来源于抗坏血酸、硫氢基及含铁蛋白等一些还原性物质对O2–.的还原。

因此, H2O2的生成往往与O2–.的生成相关(Ślesak et al., 2007)。

另外, 乙醇酸氧化酶、葡萄糖氧化酶、氨基酸氧化酶、亚硝酸盐氧化酶在氧化其底物时也会产生H2O2。

例如, 在过氧化物酶体中, 乙醛酸循环在乙醇酸氧化酶的作用下生成H2O2(Ślesak et al., 2007)。

O21是分子氧的第一电子激发态, 与电子传递无关, 因此是一种特殊的活性氧(Triantaphylidès and Havaux, 2009)。

O21首先来源于叶绿体, 叶绿素的第三激发态(3Chl*)寿命(10–3 s)比第一激发态(1Chl*)寿命(10–8 s)长, 能够与基态的分子氧反应生成O21。

O21主要产生部位是光捕获天线复合体(light-harvesting antenna complexes, LHCs)和PS II。

O21的另一个来源是在植物感染病原菌的过程中。

O21的寿命很短(在μs范围), 故其氧化还原反应只集中在O21的生成部位。

1.2 活性氧作为信号分子在植物中的作用ROS都具有不成对的电子(H2O2除外), 性质非常活跃, 容易与一些生物大分子(如核酸、蛋白质和脂类)发生反应, 对细胞造成伤害甚至致其死亡(Van Breusegem et al., 2001; Halliwell and Gutteridge, 2006)。

但是, 越来越多的研究表明: ROS作为信号分子, 在植物的生长发育、胁迫适应和PCD过程中起重要调节作用(Gechev et al., 2006)。

ROS对细胞的生物学效应(细胞毒性或信号作用)主要取决于生成系统和清除系统之间的平衡。

例如: 高浓度O21能够引起叶片组织损伤, 除草剂就是利用过量表达O21杀除杂草的。

但拟南芥突变体flu中, 少量生成的O21反而起信号作用诱导了几种特异基因的表达(Triantaphylidès et al., 2008)。

ROS的清除主要靠抗氧化剂。

根据抗氧化剂分子量的大小, 分为高分子量抗氧化剂和低分子量抗氧化剂2种。

前者包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶(catalase, CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathion peroxidase, GPX)等酶类和转铁蛋白、清蛋白等非酶分子; 后者包括亲水性的维生素C、谷胱甘肽、尿酸及亲脂性的维生素E和辅酶Q等(Halliwell and Gutteridge, 2006)。

ROS作为信号分子在植物细胞中的作用, 目前已有大量综述进行了详尽报道(Van Breusegem et al., 2001; Gechev et al., 2006; Swanson and Gilroy, 2010), 在此不再赘述。

2植物自噬植物体内主要存在2种降解蛋白质的途径, 分别是植物自噬和泛素/26S蛋白酶体系统(ubiquitin-protea- somal system)。

前者主要降解单个长寿蛋白、蛋白质复合体和亚细胞细胞器; 而后者则主要降解细胞内的短寿命蛋白。

植物在饥饿、衰老及受到病菌感染时能够诱导自噬, 但是在正常生长条件下也存在组成型自噬(Inoue et al., 2006; Xiong et al., 2007b)。

越来越多的研究证明, 自噬在真核生物中是一种高度保守的过程。

根据在酵母、哺乳动物和植物中自噬分子基础的最新研究进展, 可总结出植物自噬的一些基本特点。

2.1 自噬的种类和特点自噬的种类主要包括Cvt途径(cytoplasm-to-vacu- ole)、伴侣蛋白介导的自噬(chaperone-mediated autophagy, CMA)、微自噬(microautophagy)和巨自噬(macroautophagy)(Essick and Sam, 2010; Re- umann et al., 2010)。

目前, Cvt途径仅组成型存在于酵母中, 而且与生物合成相关(Reumann et al., 2010)。

CMA途径只存在于哺乳动物中, 并要求降解物在运入溶酶体之前完全无折叠及能够识别个别蛋白进行降解(Kon and Cuervo, 2010)。

相反, 微自噬和巨自噬都是大规模降解细胞质组分的过程。

而且, 微自噬的特点是通过溶酶体(动物)或液泡(植物)膜内陷直接包裹需要降解的胞内物质(Klionsky and Oh-sumi, 1999)。

巨自噬的特点是围绕被消化的长寿命蛋白或细胞器形成双层膜的自噬小泡(autopha- go-some), 自噬小泡的外层膜与溶酶体或中央液泡膜融合, 在溶酶体或中央液泡中完成后续的消化过程(Levine and Kroemer, 2008)。

因此, 在自噬发生的后536 植物学报 47(5) 2012期, 在电子显微镜下清晰可见溶酶体或液泡中存在大量泡状结构, 即自噬小体(autophagic body)。

巨自噬(简称自噬)是细胞内溶酶体或液泡中最常见且最复杂的消化细胞器的方法。

因此, 本文主要围绕巨自噬探讨ROS在其过程中的信号作用。

2.2 自噬发生的过程尽管很早就在植物中发现了自噬, 但一直停留在形态观察的阶段。