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

Reactive Oxygen Species and Programmed Cell Death in Higher Plants

Abstract This paper discribed plant programmed cell death (PCD) , generally occuring during many developmental processes and abiotic stress conditions, is a driving cell death process regulated and controlled by gene.In plant cells, complexes I and III of mitochondrial electron transport chain(ETC) are major sites of reactive oxygen species(ROS) production.A lot of evidence suggested that ROS can act as ubiquitous signal molecules during Plant Growth and Development ,environmental stimuli responsed and programmed cell death(PCD) regulated in plants. Mitochondrion plays a role of central postiton.

Keywords programmed cell death (PCD) reactive oxygen species (ROS) signal transduction 前言

植物细胞程序性死亡(p rogrammed cell death,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A TP，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(CA T)、谷胱甘肽过氧化物酶(CA T)，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( Hypersensitive response, 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, CA T) 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