全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 17卷 第 3期
2005年 6月
Vol. 17, No. 3
Jun., 2005
细胞程序性死亡在植物适应逆境中的意义
姜丽丽1，连秀芬1,2， 樊明寿1*
（1 内蒙古农业大学农学院，呼和浩特 010019；2 内蒙古兴安盟农业局，乌兰浩特 137400）
摘　要：细胞程序性死亡是近年来生命科学的研究热点之一，它不仅在植物生长发育中起重要作用，
而且与植物适应逆境也密切相关。本文就细胞程序性死亡在植物适应逆境中的重要作用进行了综述，以
期对细胞程序性死亡的研究进一步深入和对植物适应逆境的潜力有新的认识。
关键词：细胞；程序性死亡；逆境；适应
中图分类号：Q 94 5；Q 25 5　　文献标识码：A
Role of programmed cell death in adaptation of plant to
environmental stress
JIANG Li-Li1, LIAN Xiu-Fen1,2, FAN Ming-Shou1*
(1 College of Agronomy, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010019, China; 2 Xingan Colleague
Agricultural Bureau, Wulanhot 137400, China)
Abstract: Programmed cell death (PCD) is a hot research topic recently, since it has significance in plant
development and it correlates with adaptation of plant to environment stress as well. Research progress for the
process of PCD was summarized and role of PCD in plant adaptation to environmental stress was discussed.
Research prospective was also put forward in this paper.
Key words: cell; PCD; stress; adaptation
无论在植物的生殖过程中，还是在植物营养体
的生长发育过程中都有许多细胞发生自然死亡。近
年来的大量研究证明，这一自然死亡过程是由细胞
内业已存在的、由基因编码的代谢过程控制的。所
以，人们将这种细胞死亡称为细胞程序性死亡
(programmed cell death, PCD)。早在 300多年前，
人类就已经观察到了细胞程序性死亡现象，Hooke
(1665)在显微镜下观察到的软木塞细胞实际就是已经
完成程序性死亡的细胞，但当时还不了解这一奇特
的生命现象，直到 1951年Gluchsman在研究两栖类
动物的变态现象时才正式提出了细胞程序性死亡的
收稿日期：2004-09-13；修回日期：2005-01-06
基金项目：国家自然科学基金（30370 836）资助项目
作者简介：姜丽丽(1978 —)，女，硕士研究生；连秀芬(1962 —)，女，高级农艺师；樊明寿(1965—)，男，博士，
博士生导师，* 通讯作者。
文章编号 ：1004-0374(2005)03-0267-04
概念。从此，特别是近 20年来在动物上对其发生
规律和生理学意义逐步进行了广泛深入的研究。
1961年，Carl Leopold发表文章阐述了程序性细胞
死亡的形式及对植物正常生理活动的重要性，首次
提出了植物体内也存在PCD过程。植物的一些发育
过程，如木质部导管分子的形成等较早地被认为有
PCD参与，但对植物细胞程序性死亡的研究一直未
引起人们的注意。近十年来的研究发现，植物细胞
程序性死亡具有许多动物细胞凋亡(apoptosis)的特
点。普遍认为籽粒糊粉层细胞的退化消失、根冠细
胞的死亡、导管分子的形成、花的发育、大小孢
268 生命科学 第17卷
子的形成与发育、雌雄配子体的发育、胚的发育等
都是 PCD的结果或有 PCD过程[1~6]，PCD被认为是
植物生长发育必不可少的生理过程[7]。近年来，国
内几个研究小组也开展了这方面的研究，取得了一
些成果。于惠敏(1998)[6]、崔克明(2000)[8]、朱美
君(1999)[9]、潘建伟(2000)[3]、宁顺斌(2001)[5]、于
明革(2002)、林久生(2002)[4]等先后作过多次综述，
对植物细胞程序性死亡的定义、特点、发生的部
位、发生机理及调控、PCD 的检测方法以及与动
物细胞凋亡的异同等方面作了较为详细的阐述，这
里不再重复讨论。本文将重点从以下几个方面对环
境胁迫引起的PCD过程以及细胞程序性死亡在植物
适应逆境中的生理学意义作一论述。
1　细胞程序性死亡与植物抗病性
许多植物感病后，细胞、组织、器官乃至整
株植物会逐渐死亡，但是有一些细胞的死亡被认为
是植物抵抗病原物进一步侵染的机制，最典型的例
子就是“超敏反应(HR)”。HR是由于病原物的一
个特异无毒基因和寄主的一个特异的抗病基因之间
非亲和互作而引起的[2]。HR表现为受病原物感染的
部位迅速出现死斑，由于死亡组织的迅速水解，阻
断了病原物的营养供应。同时，水杨酸(SA) 合成
增加，发病相关蛋白(PRs)以及植物抗毒素等抗病
原物质的积累，限制了病原物的扩散，使植物整体
得以保护，这已被广泛认为是植物抗病品种的一个
显著特征[10]。细胞染色反应显示HR中死亡的细胞
都靠近维管束，表明维管束鞘细胞的死亡，对于阻
止病原物进入维管系统，防止病原体的系统传播有
积极意义。现在已有充分的证据表明，植物抗病反
应中，特别是 HR中的细胞死亡是 PCD的一种形
式[2,11]。玉米和拟南芥的一些突变体可以在无病原
侵染时就出现类似HR的坏死斑(lession)，被称为仿
坏死突变体(lession mimic mutant)。当这些突变体
的基因转录或蛋白质合成被抑制时，即使用细菌或
其毒素处理，也不会引起 HR，这就表明 HR中的
细胞死亡是在遗传控制之下的主动过程[1,7,11]。在大
豆品种与锈菌互作的过敏反应中观察到DNA梯状条
带；在烟草(接种 TMV)、大豆、豇豆、番茄(毒
素AAL处理)等植物的HR中都发现有脱氧核糖核酸
酶活跃表达，并伴有核 DNA的片段化；在拟南芥
上还发现HR中死亡的细胞表现为细胞质浓缩，最
终出现了类似于凋亡小体的结构[11]。DNA梯形条
带、细胞质浓缩、凋亡小体等均属于 PCD的典型
特征。
关于 HR 的机理及信号传递等已经有许多研
究，而且取得了一些进展。值得注意的是由于植物
种类繁多，病原物也极其复杂。所以，并非所有
HR都表现已知的 PCD特征，也并非所有植物在受
病原物侵染后均表现出 HR[7]。
2　植物细胞程序性死亡与缺氧胁迫
通气组织(aerenchyma )是植物薄壁组织内一些
气室或空腔的集合。许多水生和湿生植物在根、茎
内均形成通气组织，其他植物(包括两栖类和陆生
植物)在缺氧环境中也分化产生或加速通气组织的发
育。通气组织被认为是氧气运入根内的通道，是对
淹水缺氧逆境的良好适应。通气组织有两类，即裂
生性(schizogenous)和溶生性(lysigenous)。前者具有
种属的特异性，是成熟细胞经过有规律的相互分离
形成的细胞间空腔，是许多水生植物的基本特性；
后者源于一些活细胞的死亡和溶解。虽然在淹水缺
氧逆境条件下，根轴皮层部分细胞自溶的过程非常
复杂，甚至对接受缺氧信号的靶细胞和行将解体的
细胞还难以辨认，但感受缺氧逆境后，皮层薄壁组
织中只有部分细胞选择性地发生解体死亡，而周围
的细胞还保持完整的现象，这意味着在皮层内细胞
的解体是一个调控严格的代谢过程。因此，是一个
程序性过程。研究已表明通气组织的形成，包括感
受氧的缺乏、信号的产生、原初信号传递，进而
诱导乙烯的合成，通过乙烯浓度变化引起级联反
应，最终诱导细胞死亡，是一系列联系紧密而有序
的过程[12]。乙烯合成抑制剂和乙烯作用抑制剂，如
银离子、CoCl2、AVG(aminoethoxyvinlglycine)明显
抑制通气组织的形成[11~12]，厌氧胁迫会很快引起乙
烯合成的增加，这种现象在 1~2 h内即可观察到，
而且这种促进作用是可逆的，即当供氧量增加时，
乙烯的合成逐渐减少。所以，普遍认为乙烯是通气
组织形成过程中的信号物质，其浓度变化可调节通
气组织的形成。Ca2+、G蛋白和磷酸激酶也许参与
了信号传递过程，在动物细胞中，缺氧信号导致细
胞中 Ca2+浓度的增加，进而启动受蛋白激酶和磷酸
酶调节的蛋白质磷酸化和脱磷酸化过程，这样的连
锁反应在植物中也可能发生。支持这一假说的证据
有：Ca2+络合物 EGTA和铷红可抑制通气组织的形
成；蛋白激酶抑制剂K252a和蛋白激酶抑制剂冈田
酸(okadaic acid)可显著抑制玉米根尖细胞的死亡[13]。
这些结果也暗示类似动物体内的信号传导过程介入
269第3期 姜丽丽，等：细胞程序性死亡在植物适应逆境中的意义
了植物体内与乙烯感受相联系的信号传递，从而加
速了细胞的死亡和通气组织的形成，同时证明皮层
细胞的解体是一个主动过程。
3　植物细胞程序性死亡与抗盐性
盐浓度达到一定值时，会破坏许多植物根尖细
胞的正常生命活动，部分细胞甚至死亡，使根尖乃
至植株整体的生长受到抑制，这是一种常见的生理
现象。Katsuhara[14]发现高盐胁迫下的大麦根尖分生
组织细胞死亡具有PCD典型的形态和生化特征。林
久生和王根轩[15]用 20%PEG溶液(-0.63 MPa)对小麦
根系进行渗透胁迫，在小麦叶片DNA琼脂糖凝胶电
泳图谱上观察到明显的梯状DNA条带，表明 PEG
处理诱发了DNA核小体间的断裂，末端脱氧核糖核
酸转移酶介导的3-OH末端标记法(TUNEL)检测出现
阳性结果。这些结果表明，在 PEG诱导小麦叶片
死亡过程中，有一个阶段存在明显的细胞程序性死
亡过程。研究结果同时还表明在小麦叶片处于程序
性死亡时期，蛋白质含量、叶绿素含量的下降和电
解质泄漏率的增加都比处于坏死时期的慢。宁顺斌
等[16]对玉米、水稻和烟草等植物根尖分生组织在高
盐胁迫下，细胞死亡的形态和生化变化进行了研
究，发现根尖细胞原生质体皱褶、形态不规则、核
物质浓缩、DNA片段化等现象。因此，认为这种
盐胁迫诱导的根尖细胞死亡具有PCD典型的形态和
生化特征，PCD可能是植物抗盐的一种普遍的生理
机制，其主要功能是根尖细胞通过局部细胞死亡而
主动形成一道死细胞屏障，阻止了盐离子进入植物
体的其他组织。Katsuhara等[17~18]研究表明，活性
氧(ROS)代谢失衡是盐胁迫导致的植物细胞氧化损伤
及细胞程序性死亡的重要原因。陈明等[19]研究发现
以一氧化氮(NO)供体硝普钠(SNP)处理小麦可以明显
提高 ROS清除酶，如过氧化物酶、超氧化物歧化
酶、抗坏血酸氧化酶等活性，从而清除因盐胁迫产
生的氧自由基或活性氧ROS，或直接清除ROS来保
持细胞处于还原状态。近年来，一氧化氮(NO)作
为信号分子备受关注，1992 年，NO 被美国《自
然》(Nature)杂志选为明星分子。越来越多的证据
表明NO参与胁迫信号应答，一定浓度的外源NO可
抑制或清除由胁迫而产生的活性氧，进而抑制细胞
DNA的片段化，缓解胁迫对植物造成的伤害。Zhao
等[20]的研究还表明，NO 作为一种信号分子可通过
提高细胞内K /Na比诱导植物的抗盐性。因此，从
这一角度理解，宁顺斌等[16]提出的“PCD 可能是
植物抗盐的一种普遍的生理机制”就不一定成立。
但由于PCD过程极为复杂，其是否在植物抵御或适
应盐胁迫中具有积极作用还需要大量深入的研究。
4　植物细胞程序性死亡与低温胁迫
Koukalova等[21]研究表明，低温胁迫可以诱导
产生 PCD，引起烟草 BY-2细胞内染色质发生特殊
的变化。低温处理早期，DNA被裂解为小片段；
低温处理 2周以后，核内出现 DNA ladder，细胞
总活力下降；再延长低温处理时间，培养细胞仍可
保持 11%活力。这一结果暗示低温处理诱导产生了
具有抗低温的细胞群体。宁顺斌等[16]研究也发现，
玉米根尖在 4℃下处理 3周后，能用常规琼脂糖电
泳检测出较清晰的DNA梯状图谱，但尚有部分大片
段存在。处理 4周后，几乎所有的大片段都断裂成
小片段。从分子量marker可得出“梯子”是以 180
bp为单位组成的，由此可见，低温胁迫可以诱导
玉米根尖细胞的 PCD过程。
5　营养胁迫与植物细胞程序性死亡
Koning(1980)发现缺氮或缺磷可诱导玉米根系
皮层细胞解体产生通气组织，Drew(1992)领导的研
究小组进一步证实了这一发现。Eshel等[22]和樊明寿
与张福锁[23]在缺磷的菜豆和小麦等植物的根轴内也
发现了类似的现象。大量研究表明，在氮磷胁迫条
件下，由于光合产物有优先向地下部供应的趋势，
植物根系的相对生长量增加，从而导致对光合产物
有更多的需求，以维持现有组织的正常代谢，而此
时植物叶丛生长变缓，光合面积显著减小，而且叶
丛的光合能力也显著减小，同化产物的供给能力明
显减弱。因此，器官间对同化物的竞争趋于更加激
烈。Fan和 Richard[24]研究发现，此时部分皮层细
胞解体以及通气组织的形成显著地降低了根部老组
织的呼吸消耗，减缓老幼组织间对同化物的竞争，
对保证幼嫩组织的正常生长，特别是根系的伸长生
长有一定的作用；在皮层薄壁细胞逐渐解体形成通
气组织的过程中，胞内所含的氮磷营养被运往生长
旺盛部位循环利用，以保证植物的生长发育，在一
定程度上缓解了养分的缺乏。
6　植物细胞程序性死亡与金属离子胁迫
Patricia等[25]研究发现，36 µmol/L铝离子胁迫
玉米根尖 48ｈ时，TUNEL检测呈阳性，发生了
PCD。低浓度的 Hg2+胁迫时，浮萍叶片细胞抗氧
化酶活性足以清除体内活性氧，而一旦Hg2+浓度增
高时，活性氧水平超出一定域值，抗氧化酶不能及
270 生命科学 第17卷
时清理所产生的活性氧，导致了PCD的发生[26]。目
前有关金属离子诱导植物PCD的研究很少，在重金
属环境污染成为世界面临的重要问题的今天，加强
这方面的研究有着很重要的现实意义。
7　小　结
由于植物不能像动物那样通过运动方式来逃避
不良环境。因此，植物更容易遭受逆境侵害，但
植物在与环境互作中获得了对不良环境的适应性。
从上面的综述不难发现细胞程序性死亡是植物适应
逆境的有效方式之一。细胞程序性死亡与坏死的最
典型的区别就在于前者是一个完全由自身基因调控
的过程，越来越多的研究发现PCD现象在植物中广
泛存在，其不仅存在于植物的正常发育(如导管和
筛管的分化)过程和抗病过程中，而且还可以被许
多外源因子诱导，并在植物的特定部位发生。从生
理学角度来说，植物细胞程序性死亡的主要特点在
于它的主动性，无疑这是植物抵抗不良环境的一种
生理反应。从进化的角度来看，这种主动的细胞死
亡是植物在长期的胁迫环境中所获得的一种适应机
制。利用 TUN EL对玉米、水稻、烟草根尖细胞
PCD进行的组织化学定量分析结果表明，胁迫诱导
的 PCD在分子水平上可能随物种不同而有一定差
异。因此，可以推测，越是容易发生 PCD的植物
对外界的不良反应越快，其适应性也越强。对环境
胁迫下的植物细胞程序性死亡机理的深入研究，不
仅有助于在细胞水平上理解植物适应胁迫的生理机
制，而且有可能为进化生物学的研究提供基础资料
和研究手段，同时还可为选育抗逆能力强的作物品
种提供理论指导。
[参　考　文　献]
[1] Lorrain S, Vailleau F, Balagué C, et al. Lesion mimic mutants:
keys for deciphering cell death and defense pathways in
plants. Trends Plant Sci, 2003, 8(6): 263~271
[2] Lam E, Kato N, Lawton M. Programmed cell death, mito-
chondria and the plant hypersensitive response. Nature,
2001, 411(6839): 848~853
[3] 潘建伟, 董爱华, 朱睦元. 高等植物的 PCD研究进展(一).
遗传, 2000, 22(3): 189~192
[4] 林久生, 王根轩. 细胞程序性死亡与生态适应. 生命科学,
2002, 14(4): 232~233
[5] 宁顺斌. 玉米中的细胞程序性死亡及其遗传机制. 常德
师范学院学报, 2001, 13(1): 68~72
[6] 于惠敏. 植物中的细胞程序性死亡.植物学通报, 1998, 15
(6): 30~37
[7] Greenberg J T. Programmed cell death, a way of life for
plants. Proc Natl Acad Sci USA, 1996, 93: 12094~12097
[8] 崔克明. 植物细胞程序死亡的机理及其与发育的关系. 植
物学通报, 2000, 17(2): 97~107
[9] 朱美君, 王学辰. 植物的编程性死亡. 植物生理学通讯,
1999, 35(5): 353~358
[10] 杨　征, 蔡陈崚, 宋运淳. 植物细胞凋亡研究进展. 生物化
学与生物物理进展, 1999, 26(5): 439~443
[11] 史刚荣. 环境胁迫下的植物细胞程序性死亡及其意义. 生
物学通报, 2003, 38(5): 3~4
[12] 樊明寿, 张福锁. 植物通气组织的形成过程和生理生态
学意义. 植物生理学通讯, 2001, 38(6): 615~618
[13] Jackson M B, Armstrong W. Formation of aerenchyma and
the processes of plant ventilation in relation to soil flooding
and submerge. Plant Biol, 1999, 1: 274~287
[14] Katsuhara M. Cell death and growth recovery of barley after
transient salt stress. J Plant Res, 2000, 113: 239~243
[15] 林久生, 王根轩. 渗透胁迫诱导的小麦时片细胞程序性死
亡. 植物生理学报 , 2001, 27(3): 221~225
[16] 宁顺斌, 宋运淳, 王玲, 等. 药物诱导的王米根尖细胞凋
亡.植物学报, 2000, 42(7): 693~696
[17] Katsuhara M. Intracellular pH and proton-transport in bar-
ley root cells under salt stress: in vivo 31P-NMR study. Plant
Cell Physiol, 1997, 38(9): 1091~1093
[18] Katsuhara M, Kawasde T. Salt stress induced nuclear and
DNA degradation in meristematic cells of barley roots. Plant
Cell Phyiol, 1996, 37(2): 169~173
[19] 陈　明, 沈文飚, 阮海华, 等. 一氧化氮对盐胁迫下小麦幼
苗根生长和氧化损伤的影响. 植物生理与分子生物学学
报, 2004, 30(5): 569~576
[20] Zhao L Q, Zhang F, Guo J K, et al. Nitric oxide functions as
a signal in salt resistance in the calluses from two ecotypes
of reed. Plant Physiol, 2004, 134: 849~857
[21] Koukalova B, Kovarik A, Fajkus J, et al. Chromatin fragmen-
tation associated with apoptotic changes in tobacco cells
exposed to cold stress. FEBS Lett, 1997, 414: 289~292
[22] Eshel A, Nielsen K L, Lynch J P. Screening bean genotypes
for differences in phosphorus utilization efficiency. Israeli J
Plant Sci, 1996, 44: 225
[23] 樊明寿, 张福锁. 低磷胁迫条件下植物根内通气组织的形
成. 自然科学进展, 2003, 13: 190~193
[24] Fan M C, Richard J L. Aerenchyma formation and possible
physiological roles in low P stressed maize roots. Funct
Plant Biol, 2003, 30: 1~14
[25] Patricia R S B, Marcelo M, Renato A J. Aluminum-induced
oxidative stress in maize. Phytochem, 2003, 62: 181~189
[26] Xu N, Shi G X, Zeng X M, et al. Damage to DNA primary
structure and antioxidant enzymes in Lemon minor induced
by Hg2+. Acta Phytoecologica Sin, 2003, 27(3): 299~303