全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2013, 48 (4): 357–370, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2013.00357
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收稿日期: 2013-06-24; 接受日期: 2013-07-09
基金项目: 国家自然科学基金(No.31070156, No.31070159)和国家重点基础研究发展规划(No.2012CB114503)
∗ 通讯作者。E-mail: wh@scau.edu.cn

植物发育性细胞程序死亡的发生机制
贺新强1, 吴鸿2*
1北京大学生命科学学院, 北京 100871; 2华南农业大学生命科学学院, 广州 510642
摘要 细胞程序死亡是多细胞生物体在内源发育信号或外源环境信号作用下在特定时间和空间发生的细胞死亡过程, 在植
物的生长发育过程中起着重要作用。该文介绍了植物细胞程序死亡类型的几种划分方法、植物发育性细胞程序死亡研究常
用的实验体系, 并着重概述有关植物发育性细胞程序死亡发生机制的研究进展。
关键词 植物发育, 细胞程序死亡, 调控机制
贺新强, 吴鸿 (2013). 植物发育性细胞程序死亡的发生机制. 植物学报 48, 357–370.
细胞程序死亡(programmed cell death, PCD)是
多细胞生物体在内源发育信号或者外源环境信号作用
下在特定时间和空间发生的细胞死亡过程。PCD与细
胞增殖和细胞分化一样, 是多细胞生物生长发育过程
中不可缺少的一部分, 是生物体自主地通过细胞死亡
消除损伤、衰老与病变的细胞, 维持正常生长发育及
生理代谢活动的一种基本的生理机制, 它伴随多细胞
生物个体的整个生命过程(Watanabe and Lam, 2009;
Bialik et al., 2010)。对于植物而言, PCD在植物体发育
过程中普遍存在, 是在植物发育的特定时间、特定区
域发生的细胞死亡过程, 是植物细胞分化的最后阶
段。同时, PCD又是植物抵御环境中生物或非生物胁迫
的基本机制。近10多年来, 人们对于植物PCD现象及
其类型和形态学过程等已进行了大量研究(Fukuda,
2000; Young and Gallie, 2000; Gunawardena, 2008;
Watanabe and Lam, 2009; van Doorn, 2011), 并对
植物PCD的发生机制, 尤其对病原微生物侵染诱导植
物产生的超敏反应PCD的发生机制有了较为深入的了
解(Coll et al., 2011)。相对而言, 人们对植物发育性
PCD的机制尚不甚了解。本文简要介绍植物PCD类型
及植物发育性PCD研究常用的实验体系, 并重点综述
植物发育性PCD发生机制的研究进展。
1 植物细胞程序死亡的类型
细胞死亡对动物和植物等多细胞生物来说是非常重
要的一个细胞事件, 涉及生物体的生长和发育、抗病、
抗逆及过敏(超敏)反应等过程。由于种类繁多, 细胞
死亡的类型在描述及名称使用上常出现混淆。2005
年, Cell Death and Differentiation期刊编委成立了细
胞死亡命名委员会, 对动物细胞死亡进行了统一定
义 , 将细胞死亡的类型依照形态和机制分为凋亡
(apoptosis)、自噬(autophagy)、坏死(necrosis)等, 并
建议不要拘泥于形式的命名, 而要使用体现功能的术
语, 如发育性细胞死亡(developmental cell death)、
渗压休克性细胞死亡(cell death induced by osmotic
shock)等(Kroemer et al., 2005)。2009年, 该委员会
进一步更新了该分类体系和各术语的定义(Kroemer
et al., 2009)。
目前, 根据形态、调节和执行因子的不同, 动物
细胞PCD主要分为3种类型: 细胞凋亡、自噬性细胞死
亡和程序性细胞坏死(programmed necrosis)(Hen-
riquez et al., 2008; Kroemer et al., 2009)。细胞凋亡
是多细胞动物中最主要的PCD形式。在凋亡过程中,
细胞具有细胞质浓缩、染色质凝结、形成凋亡小体和
DNA片段化等特征(Henriquez et al., 2008)。
自噬性细胞死亡在形态上具双层膜结构的自噬
体(autophagosomes)、自溶酶体(autolysosome)和
裂解泡 (lytic vacuoles)数量增加 , 并且受 ATG
(autophagy-related genes)基因家族的调控, 是一种
溶酶体依赖的细胞内物质降解和循环再利用的机制
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(van Doorn, 2011)。由于坏死通常都与各种物理损伤
(细胞膜损伤、细胞内离子的平衡态破坏)或化学损伤
(毒性、ATP耗尽)相联系 , 因此 , 坏死性细胞死亡
(necrotic cell death)一直都被认为是一种被动的细胞
死亡模式。然而, 近年来的研究已经逐渐使人们认识
到, 坏死性细胞死亡也是一种细胞主动选择的结果
(Henriquez et al., 2008; Bialik et al., 2010)。坏死性
细胞死亡在病理条件以及正常的发育过程中都会出
现, 是不同于凋亡和自噬性细胞死亡的另一种PCD
方式(Henriquez et al., 2008)。
植物PCD的类型划分多借鉴动物细胞PCD的类
型。van Doorn和Woltering在比较动、植物细胞死亡
的特征后, 认为植物没有真正的细胞凋亡(van Doorn
and Woltering, 2005)。但是, 在拟南芥(Arabidopsis
thaliana)细胞培养的过程中, 发现通过温和加热可诱
导发生类似的细胞“凋亡”, 此过程中存在着细胞色
素C和其它凋亡蛋白的释放, 随后迅速出现形态明显
变化的细胞死亡, 并在线粒体膜间隙发现Mg2+依赖
的DNase(Balk et al., 2003)。在向日葵(Helianthus
annuus)胞质雄性不育突变体PET1-CMS中, 由于线
粒体基因组的突变, 出现绒毡层细胞提前发生PCD,
并引起花粉囊中其它细胞的PCD, 这一过程中也有
很多凋亡的特征, 如细胞色素C的释放、细胞皱缩、
核DNA断裂及染色体凝集等 (Balk and Leaver,
2001)。因此, Theresa等提出将这一类PCD定义为类
凋亡PCD(apoptotic-like PCD)(Reape et al., 2008)。
对于自噬性PCD, 溶酶体或液泡膜破裂造成水
解酶释放引起的自噬(mega-autophagy)被认为是植
物PCD中最常见的类型, 如木质部和韧皮部细胞发
育、通气组织形成和叶片衰老等 (van Doorn and
Woltering, 2005)。虽然有报道显示植物细胞中具有
类似自噬体和自溶酶体结构的报道, 也发现了ATG
基因, 如杨树木纤维PCD过程中有一些自噬相关的
基因表达上调(Courtois-Moreau et al., 2009), 管状
分子(tracheary element, TE)分化过程中有ATG基因
的表达(Kwon et al., 2010), 但是通过对拟南芥悬浮
培养的转分化TE进行芯片分析, 发现13个与自噬有
关的基因在TE分化过程中都没有出现表达上调, 因
此认为TE分化过程中的PCD并不是自噬(Turner et
al., 2007)。目前, 尚未发现植物PCD过程伴随着自噬
体和自溶酶体数量的增加, 植物ATG基因与自噬、
PCD的关系还不十分清楚(van Doorn, 2011)。因此,
严格按照自噬PCD的定义, 植物PCD中并不存在与
动物细胞自噬PCD完全相同的类型 , 如果将自噬
PCD理解为一种溶酶体依赖的细胞内物质降解和循
环再利用的机制 , 则部分植物PCD可纳入其范畴
(van Doorn, 2011)。
根据植物PCD的特殊性, van Doorn(2011)建议
将植物PCD分为两类: 自溶性PCD(autolytic PCD)和
非自溶性PCD(non-autolytic PCD)。自溶性PCD的特
征是液泡膜破裂后细胞质快速解体消失, 染色质凝
聚, 液泡体积扩大, 包括木质部分化以及胚柄的消
除、双子叶植物种子成熟和萌发过程中胚乳的降解、
从两性花原基中发育形成具有功能的单性花发育过
程中的PCD等。非自溶性PCD的特征是没有细胞质的
快速解体消失, 细胞器膨大, 液泡体积无明显扩大。
细胞死亡发生在液泡膜破裂之前, 如病原体-植物互
作过程中植物超敏反应中的PCD, 或者细胞死亡并
不发生液泡膜破裂, 如禾谷类植物种子中的胚乳等
(van Doorn, 2011)。
以上是根据PCD的形态特征进行的类型划分。如
果根据诱导因素, 即内因还是外因引起的, PCD可分
为发育性细胞死亡和环境因素诱导的细胞死亡。前者
指植物细胞分化中的细胞死亡, 包括分化之后成为死
细胞并发挥特殊功能的细胞死亡(如导管、纤维和表
皮毛等), 或当执行完功能就发生的细胞死亡; 而后
者则是指各种病原体引起的免疫反应及非生物因素
引起的PCD(Gunawardena, 2008)。植物发育性细胞
死亡广泛见于植物的多种发育事件中, 如根冠脱落、
花粉囊开裂和叶子的形态建成等。这些PCD事件都是
由内因诱导的, 在预定的时间和位置发生, 从而保证
植物体的正常功能。环境诱导的植物细胞死亡常见于
各种病原体入侵导致的超敏反应以及各种非生物胁
迫下的植物发育的改变, 如缺氧引起的溶生通气组织
的形成等(Gunawardena, 2008)。
植物发育性PCD绝大部分属于上述的自溶性
PCD, 但是, 禾谷类植物种子发育过程中胚乳细胞的
PCD过程因为不涉及液泡膜破裂 , 属于非自溶性
PCD。环境诱导的植物PCD中, 超敏反应中的PCD及
坏死性PCD属于非自溶性PCD, 而非生物胁迫条件
下引起的溶生通气组织的形成或衰老等则属于自溶
性PCD(van Doorn, 2011)。
贺新强等: 植物发育性细胞程序死亡的发生机制 359
2 植物发育性PCD研究的实验体系
在整体水平上研究植物PCD的调控机制很困难, 因
为PCD细胞只是发生在特定的发育时期和特定的区
域, 且PCD的调控机制复杂多样。因此, 选择或建立
合适的实验体系十分重要。一般来说, 适于PCD调控
机制研究的实验体系具有以下几个特点: 能够获得不
同PCD阶段的大量细胞; 便于进行细胞形态观察; 具
有简单可行的评估细胞死亡程度的方法; 能够有效地
将潜在的PCD调控因子引入该实验体系。下面介绍几
种目前使用较为广泛的研究植物发育性PCD的实验
体系。
2.1 木质部管状分子分化过程中的PCD
将百日草(Zinnia elegans)叶肉细胞进行离体培养 ,
诱导其不经过细胞分裂就直接转分化为管状分子
(tracheary elements, TEs), 成熟的TEs为具有次生
壁加厚的死细胞。该系统的优越之处在于TEs细胞的
分化效率高, 分化同步性好, 能够为研究者提供相对
单一的不同发育阶段的细胞。利用这个实验系统, 可
以揭示PCD过程中的细胞学变化, 包括液泡膜破裂、
细胞核降解, 参与PCD的核酸酶和蛋白酶, 钙离子、
活性氧、一氧化氮(NO)在TE分化中的作用以及PCD
与次生壁形成的调控关系等(Groover and Jones,
1999; Obara et al., 2001; Ito and Fukuda, 2002;
Böllhoner et al., 2012)。因此该体系是研究植物PCD
调控机理的最重要的实验系统之一。
2.2 胚柄细胞的PCD
植物胚胎发育过程中, 胚柄细胞的PCD对于胚胎的
正常发育起着重要作用。在裸子植物云杉 (Picea
aspoerata)体细胞胚培养过程中, 能够获得不同发育
时期的大量体细胞胚, 包括胚柄细胞发生PCD的各
个阶段。体细胞胚诱导的实验体系便于控制, 且胚柄
细胞数量多、易于观察。利用这个体系, 研究了类
caspase蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶metacaspase和核
酸酶参与胚柄细胞PCD的机制(Bozhkov et al., 2004,
2005; Suarez et al., 2004; Sundström et al., 2009;
Smertenko and Franklin-Tong, 2011)。最近, 通过研
究拟南芥胚柄发育的关键调控基因, 发现了一个参与
胚柄细胞PCD起始调控的多肽KOD(Blanvillain et al.,
2011)。
2.3 雄配子体发育过程中绒毡层细胞的PCD
在被子植物的小孢子母细胞发生和形成过程中, 绒毡
层细胞逐步发育到高度发达的状态, 但当减数分裂接
近完成时, 绒毡层细胞开始出现退化迹象, 在小孢子
发育过程中解体并被小孢子吸收, 其过程是典型的发
育性PCD。一旦绒毡层细胞的PCD提前或推后, 甚至
不发生, 就会引起小孢子退化, 形成雄性不育(Parish
and Li, 2010)。最近, 通过对拟南芥、水稻(Oryza
sativa)相关突变体的鉴定分析, 发现了一系列调控这
一PCD过程的重要基因, 如拟南芥中的AMS、MS188
和MS1(Zhu et al., 2011a)和水稻中MS1的同源基因
PTC1(Li et al., 2011a)、在绒毡层中特异性表达的
bHLH转录因子EAT1和TDR、天冬氨酸蛋白酶ASP、
动物抗凋亡基因API5的水稻同源基因OsAPI5、半胱
氨酸蛋白酶基因CP1等(Li et al., 2006, 2011b; Niu et
al., 2013)。在水稻野败型细胞质雄性不育系中
(CMS-WA lines), CMS基因WA352的蛋白在花药特
定发育阶段的特异性积累, 通过拟制COX11在过氧
化物代谢中的作用导致绒毡层细胞程序性死亡提前
发生, 进而引起花粉败育(Luo et al., 2013)。这些研
究为全面了解植物PCD调控机理提供了重要实验依
据。
2.4 自交不亲和反应过程中的PCD
自交不亲和性是指某一植物的雌雄两性机能正常, 但
不能进行自花受精的现象。比如, 有些植物的花粉在
柱头上可以萌发并侵入柱头, 但在花柱组织中延伸一
段后就受到抑制并产生PCD。采用花粉体外培养, 通
过施加不亲和柱头及亲和柱头提取物或某种诱导剂,
可以诱导或抑制花粉管生长和细胞的PCD。利用这个
实验系统, 研究了植物PCD过程中具有caspase活性
的蛋白酶、蛋白激酶、细胞骨架与PCD的关系以及钙
信号、活性氧及NO在PCD中的作用等(Thomas and
Franklin-Tong, 2004; Bosch and Franklin-Tong,
2007; Li et al., 2007; Wilkins et al., 2011)。
2.5 叶形态建成中的PCD
在叶子的发育过程中, 叶缘各种裂片和叶片中空洞的
形成是由于相关部位细胞的PCD造成的。如水生植物
360 植物学报 48(4) 2013
网草(Aponogeton madagascariensis)叶中穿孔的形
成始于叶脉之间的网状空隙的中央, 然后向四周扩
散, 最后扩散到距离叶脉4–5个细胞的位置。由于网
草叶片很薄且是透明的, 因此便于对发生PCD的细
胞进行活体观察跟踪。利用这个实验系统研究了植物
PCD的细胞学过程, 如液泡膜破裂、细胞核降解以及
乙烯等植物激素的调控作用(Gunawardena et al.,
2004; Gunawardena, 2008; Elliott and Gunawar-
dena, 2010)。
2.6 分泌组织发育过程中的PCD
植物分泌结构包括分泌囊、分泌道和乳汁器等。分泌
道或分泌腔的形成有溶生型、裂生型等不同方式, 其
中溶生型发生方式涉及分泌细胞的解体。对柑橘类植
物果实的分泌腔(Liang et al., 2009; Chen and Wu,
2010; Liu et al., 2012)和木通科植物矮杞树的乳汁管
(Zhou and Liu, 2011)的超微结构观察均显示, 这两
种结构的发育均有细胞程序死亡参与。在前者细胞破
毁过程中, 果胶酶和纤维素酶分别参与细胞壁果胶和
纤维素的降解, 促使细胞解体(Liang et al., 2009)。
此外, 根生长过程中根冠和根毛的死亡(Wang
et al., 1996)及表皮毛的死亡(Schnittger et al., 2003)
也都适合进行PCD调控机制的研究。
3 植物发育性PCD的发生机制
目前, 有关动物细胞PCD发生及调控机制已研究得
很系统深入, 发现了一系列的调控因子并建立了细胞
PCD发生的调控网络(Bialik et al., 2010)。与动物细
胞PCD发生机制研究相比, 植物细胞PCD发生机制
的研究尚处于起步阶段。植物细胞PCD发生机制研究
包括植物发育性PCD机制和环境诱导的植物细胞
PCD机制, 前者主要集中在木质部TEs形成、花粉自
交不亲和、胚柄细胞退化和绒毡层细胞的PCD, 后者
包括病原体-植物互作、逆境胁迫条件下的PCD等
(Gunawardena, 2008; Watanabe and Lam, 2009)。
本文重点介绍植物发育性PCD的发生及调控机制的
研究进展。
3.1 植物PCD的诱导信号及信号转导
许多因素都可诱导植物细胞发生PCD, 如诱导管状
分子、纤维、石细胞、木栓细胞等分化成熟为死细胞
的诱导因子, 细胞分裂素、赤霉素、乙烯和脱落酸等
激素, 钙离子、活性氧和NO也是诱导植物细胞发生程
序性死亡的重要内在因子。但是, 对这些诱导植物细
胞启动死亡程序的因子的作用机制目前仍然所知甚
少。

3.1.1 Ca2+、活性氧和NO
在许多植物PCD过程中, 包括TEs分化、通气组织的
形成、糊粉层细胞分化、叶片衰老、超敏反应等, 都
伴随着细胞内Ca2+水平的升高(Torres et al., 2006)。
Roberts和 Haigler(1990)对培养的百日草 (Zinnia
elegans)细胞用金霉素染色后发现, 正在分化的TE
及TE前体细胞都出现Ca2+浓度的升高, 而且使用钙
通道阻遏剂证实转分化进入PCD阶段前, 细胞需要
Ca2+。另一方面, 在PCD阶段前钙调素浓度会瞬时升
高, 使用钙调素的类似物也能阻止百日草细胞进入
PCD阶段(Kobayashi and Fukuda, 1994)。这些现象
说明钙及钙调素系统可能是启动PCD阶段的关键因
子。由于Ca2+的作用明显, Groover和Jone(1999)在发
现一个TE分化过程中的丝氨酸蛋白酶后提出一个引
发细胞死亡的模型, 这种丝氨酸蛋白酶被分泌出来用
于降解细胞壁中的某些蛋白, 而降解产物刺激产生进
入细胞的Ca2+流, 升高的Ca2+流导致液泡破裂, 从而
引起PCD。然而, Ca2+流入对于次生壁的加厚也是必
需的 , 因此 , Ca2+流入也可能引起次生壁的形成
(Fukuda, 2000)。此外, 在组成型出现防御反应或自
发形成超敏反应样病变的 3个拟南芥突变体
(cpn1/bon1、dnd1和cpr22)中, 都发现存在Ca2+相关
蛋白的缺陷(Watanabe and Lam, 2009)。Ca2+流也参
与自交不亲和过程中的PCD。罂粟属植物花粉萌发和
花粉管的伸长对Ca2+浓度变化非常敏感, Ca2+作为第
二信使将SI的胞外信号转变为胞内信号, 形成一个信
号传递网络, 引起相关花粉蛋白磷酸化, 并引起蛋白
激酶被激活和F-肌动蛋白解聚等。有研究显示, Ca2+
的增加激活了依赖Ca2+的蛋白激酶, 从而直接或间接
地影响花粉管的生长。进一步的研究发现在不亲和罂
粟花粉中SI会激活一种植物细胞中的促分裂原活化
蛋白激酶(mitogen activated protein kinase, MAPK),
并进一步激活类caspase-3蛋白酶, 最终导致PCD(Li
et al., 2007)。另外, Ca2+刺激产生活性氧(reactive
贺新强等: 植物发育性细胞程序死亡的发生机制 361
oxygen species, ROS)和NO的积累, 后者作为蛋白
酶活性的上游信号分子参与调控PCD过程(Thomas
and Franklin-Tong, 2004; Wilkins et al., 2011)。
活性氧包括超氧化物(·O2–)、羟自由基(HO•)、单
线态氧(1O2)和过氧化氢(H2O2), 主要产生于叶绿体、
线粒体和过氧化物酶体。正常情况下, ROS的产生和
清除维持着动态平衡。过氧化氢酶、谷胱甘肽-S-转
移酶(GST)、线粒体交替氧化酶(AOX)、抗坏血酸过
氧化物酶(APX)和超氧化物歧化酶(SOD)等负责清除
细胞内的ROS(Watanabe and Lam, 2009)。已有报
道显示, ROS参与拟南芥、白杨(Populus alba)和烟草
(Nicotiana tabacum)悬浮培养细胞的PCD(Doyle et
al., 2010; Balestrazzi et al., 2011; Cheng et al.,
2011)。外源施加活性氧、抗氧化剂或改变活性氧水
平的突变体显示活性氧参与植物PCD。一条可能的途
径是线粒体释放产生细胞色素C, 又通过细胞色素C
扰乱电子传递链产生活性氧并激活类caspase活性的
蛋白酶活性(Reape and McCabe, 2010)。调控花发
育的重要转录因子MADS-box基因MADS3在水稻花
药发育后期的绒毡层和小孢子中高表达, 并通过影响
ROS动态平衡相关蛋白的基因表达调节水稻胞内活
性氧水平。如MADS3可以调节一种富含半胱氨酸的
金属结合蛋白MT-1-4b的表达, 而MT-1-4b具有超氧
化物和羟自由基的清除活性。因此, MADS3是一种关
键的胞内活性氧水平调节因子(Hu et al., 2011)。活性
氧的升高参与低温胁迫诱导的大麦(Hordeum vul-
gare)小孢子体胚发生过程中的 PCD, 并与类
caspase蛋白酶激活有密切联系(Rodríguez-Serrano
et al., 2012)。线粒体产生的ROS在燕麦(Avena sa-
tiva)细胞凋亡中起着重要的调节作用 (Yao et al.,
2002)。ROS还是超敏反应中植物PCD的关键因子
(Watanabe and Lam, 2009; Torres, 2010; Coll et
al., 2011)。如上所述, 尽管已有大量研究显示ROS在
植物PCD中起作用, 但对PCD过程中ROS产生的亚
细胞定位及其机制仍了解不多(Pinto et al., 2012)。
一氧化氮(NO)是植物细胞PCD过程中的重要內
源调节因子。Gabaldón等(2005)利用激光共聚焦扫描
显微镜对百日草茎中的NO的产生进行了检测, 结果
显示NO主要在木质部和韧皮部细胞内产生, 尤其是
即将开始分化的木质部细胞中会产生NO的爆发性释
放。在百日草体外培养系统中 , 加入NO的捕获剂
PTIO将抑制TE的转分化发生, 但能延长细胞的存活
能力。这表明NO的释放和维持是TE分化的发生和完
成所必需的。H2O2诱导水稻叶肉细胞PCD过程中, 细
胞内NO和亚硝基硫醇(S-nitrosothiol, SNO)水平起着
重要作用, H2O2升高激活硝酸还原酶(nitrate reduc-
tase), 使NO被积累。在突变体中, 去除NO后, 叶子
或悬浮细胞中的细胞死亡明显降低 , 显示出NO在
H2O2诱导细胞PCD过程中是一个重要的内源调节因
子(Lin et al., 2012)。另外, NO与ROS协同作用促进
了病原诱导的植物细胞死亡(Torres et al., 2006), 并
参与镉诱导的烟草培养细胞的PCD(Ma et al.,
2010)。

3.1.2 多肽KISS OF DEATH(KOD)
通过研究并鉴定拟南芥胚柄发育的关键调控基因 ,
Blanvillain等(2011)发现了一个编码25个氨基酸多肽
的基因参与胚柄细胞PCD起始的调控, 并将其命名
为kiss of death(KOD)。KOD含有一个75 bp的ORF,
其功能缺失突变体显示胚柄细胞发生PCD的数量减
少, 并且其在55°C下诱导产生根毛PCD的数量也明
显减少。而过量表达KOD以诱导叶片或幼苗产生
PCD, 并且KOD在PCD中的作用可能处于类casp-
ase蛋白酶活性作用的上游并受H2O2调节(Blanvillain
et al., 2011)。

3.1.3 植物激素
植物激素中的细胞分裂素(CK)、赤霉素(GA)、水杨酸
(SA)和脱落酸(ABA)等参与植物PCD过程的调节。已
有实验证明高水平的CK可以诱导植物细胞发生PCD,
并 且 CK 的 受 体 CRE1/AHK4 是 PCD 所 必 需 的
(Vescovi et al., 2012), 从而将PCD过程与CK的信号
转导联系起来。GA调节水稻、大麦等作物种子萌发
过程中α-淀粉酶和其它水解酶的活性, 而这些酶参与
种子胚乳糊粉细胞的PCD。在这个PCD的启动过程
中, GA通过调节糊粉细胞中的ROS水平行使对PCD
的正向调控作用(Eastmond and Jones, 2005)。在大
麦种子发育过程中, HVA22蛋白由ABA信号诱导产
生, 同时它又是GA信号启动的糊粉层细胞PCD的负
调控因子, 因此, ABA在这里则对GA信号介导的细胞
PCD具有拮抗作用(Guo and Ho, 2008)。SA是植物信
号分子, 参与植物体对病原的局部性及全身性的防卫
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反应。在感染部位周围的组织中, SA的水平会显著增
加(Torres et al., 2006)。NPR1是一个重要的SA信号
下游因子。通过NPR1突变体或SA水解酶转基因来抑
制水杨酸在植物中的积累, 发现在一些突变体背景下
SA对激活植物细胞死亡是必需的, 但在另外一些突
变体背景下SA却能抑制细胞死亡。这一情况表明, SA
同时处在一个调节植物PCD的反馈回路的上游和下
游。依据浓度和细胞状况的不同, SA可以作为促死亡
或促生存信号分子起作用 (Durrant and Dong,
2004)。施加H2O2能刺激SA的合成, 而SA的积累能够
通过下调ROS的清除系统进一步增加ROS的水平
(Torres et al., 2006)。这表明SA与ROS之间在植物
PCD调节中存在着复杂的相互作用关系。

3.1.4 BI-1、BON1和BAP1
Bax inhibitor-1(BI-1)是一个进化上保守的内质网定
位蛋白, 可能参与所有真核生物PCD的调控(Wata-
nabe and Lam, 2009)。BI-1在各种植物组织中都有
表达, 其表达水平在衰老及各种胁迫条件下会增强。
尽管植物中不存在Bax的同源基因, 但是在植物细胞
中过表达Bax却能够诱导植物细胞发生PCD(Kawai-
Yamada et al., 2004)。在植物以及酵母中, 过表达
BI-1能够抑制Bax、病原及非生物胁迫所诱导的细胞
死亡(Hückelhoven, 2004)。BI-1对于拟南芥正常的生
长和发育不是必需的, 但能提高植物应对霉菌毒素和
热胁迫诱导的PCD (Watanabe and Lam, 2006)。
BON1(BONZAI 1)编码一个Ca2+依赖的膜结合
蛋白 , 能与细胞膜紧密结合并促进脂质体的融合
(Hua et al., 2001)。BON1结合蛋白BAP1(BON1
associated protein)编码一个具有类C2结构域并具有
Ca2+依赖的磷脂结合活性的小蛋白 (Yang et al.,
2006)。 BON1和BAP1的表达都受温度调节, 并且可
能参与低温下细胞扩大和细胞分裂的调节(Zhu et al.,
2011b)。BAP1缺失突变体能够通过SA等的参与增强
植物抵抗细菌和霉菌的能力(Yang et al., 2006)。过表
达BON1及其结合蛋白BAP1或BAP2能抑制Bax、
ROS等诱导的植物PCD, 但并不影响ROS的产生水
平, 所以BAP1或BAP2应该是作用在ROS信号的下
游(Yang et al., 2007)。在调节植物PCD方面, BON和
BAP基因有可能与BI-1一起在调节CaM和细胞内
Ca2+动态平衡过程中起作用(Watanabe and Lam,
2009)。
3.2 植物体参与PCD过程的蛋白酶
3.2.1 类caspase蛋白酶
半胱天冬蛋白酶caspase(Cysteine-dependent aspa-
rate-specific proteases)是动物细胞凋亡的关键调节
因子。基于真核生物进化上的保守性, 人们一直试图
寻找在植物PCD中起作用的caspase蛋白酶, 但是在
拟南芥等植物的基因组中并不存在caspase的同源基
因。尽管如此, 使用人工合成的caspase底物却能够
在植物中检测到类caspase蛋白酶活性(表1)。使用
caspase抑制剂也能够抑制植物中的许多PCD过程。
这些研究结果表明类caspase蛋白酶可能参与植物
PCD过程。
尽管在结构和序列上都与caspase没有相关性,
植物液泡加工酶VPE(vacuolar processing enzyme)
却具有类caspase-1的活性。在拟南芥中, αVPE和
δVPE在管状分子分化和叶片衰老过程中高表达 ,
γVPE特异地在种皮中发生PCD的几层细胞中表达并
通过调节这几层细胞的PCD参与种皮的发育形成
(Nakaune et al., 2005; Hara-Nishimura and
Hatsugai, 2011)。通过杨树茎的基因表达芯片分析表
明, VPE同源基因的表达与次生木质部发育过程相关
(Courtois-Moreau et al., 2009)。VPE还参与病毒以
及真菌毒素诱导的植物超敏反应的PCD(Hatsugai et
al., 2004; Rojo et al., 2004; Kuroyanagi et al.,
2005)。
最近发现20S蛋白酶体在木质部发育过程中具有
类caspase-3的活性, 并且caspase-3抑制剂Ac-DE-
VD-CHO处理影响拟南芥子叶叶脉形成, 而蛋白酶体
抑制剂clasto-lactacystin β-lactone延缓管状分子分
化过程中的PCD, 表明蛋白酶体参与植物PCD的调
控(Han et al., 2012)。
另外, 从真菌毒素victorin诱导燕麦(Avena sa-
tiva)叶片PCD中检测到类caspase蛋白酶活性, 将其
纯化鉴定出2种丝氨酸蛋白酶, 命名为saspases。
Saspases在pH6.5的中性环境下具有最高酶活性,
可以剪切多种caspase底物, 尤其对caspase-6的底
物(如VKMD、VEHD和VNLD)的剪切活性很强, 但其
对caspase-3的底物没有酶切活性。Rubisco的蛋白水
解是真菌毒素引起的PCD反应中的一个重要事件,
贺新强等: 植物发育性细胞程序死亡的发生机制 363
表1 植物发育过程中检测到类caspase蛋白酶活性的组织或细胞
Table 1 Plant tissues or cells with caspase-like activities detected in plant development
类caspase活性 植物组织或细胞 参考文献
YVADase 烟草BY2细胞 Mlejnek and Prochazka, 2002
(类caspase-1) 豌豆营养生长早期的次生茎 Belenghi et al., 2004
自交不相容诱导的罂粟花粉 Bosch and Franklin-Tong, 2007
DEVDase 烟草BY2细胞 Mlejnek and Prochazka, 2002
(类caspase-3) 白皮松受精后雌配子体细胞PCD He and Kermode, 2003, 2010
豌豆营养生长早期的次生茎 Belenghi et al., 2004
大麦发育中的胚 Maraschin Sde et al., 2005
自交不相容诱导的罂粟花粉 Thomas and Franklin-Tong, 2004; Bosch and Franklin-Tong, 2007
杨树次生木质部细胞 Han et al., 2012
化橘红果实分泌腔细胞 Liu et al., 2012
LEVDase 自交不相容诱导的罂粟花粉 Bosch and Franklin-Tong, 2007
VEIDase 挪威云杉体胚发育 Bozhkov et al., 2004; Suarez et al., 2004
自交不相容诱导的罂粟花粉 Bosch and Franklin-Tong, 2007
大麦种子 Borén et al., 2006
IETDase 自交不相容诱导的罂粟花粉 Bosch and Franklin-Tong, 2007
(类caspase-8) 挪威云杉体胚发育 Bozhkov et al., 2004


saspases参与导致Rubisco降解的蛋白酶水解级联
反应。但saspases在体外不能剪切Rubisco, 说明它
位于级联反应的上游(Coffeen and Wolpert, 2004)。

3.2.2 Metacaspase
Metacaspase(MC)是植物、真菌和原生动物中存在的
caspase远源基因家族, 与caspase在序列上的相似
性很低。这些进化上相关的蛋白酶具有类似于
caspase的空间结构以及相类似的催化结构域
(Koonin and Aravind, 2002)。MC是在Arg/Lys的C端
酶切其底物, 而caspase是在Asp的C端酶切其底物,
并且MC在体外不能酶切任何人工合成的caspase底
物。在多数情况下, MC虽然参与PCD过程, 但并不表
现出类caspase活性。在云杉中, 下调MC mcII-Pa基
因的表达能够显著抑制胚胎形成时期胚柄细胞的
PCD过程(Suarez et al., 2004)。进一步的研究发现,
MC mcII-Pa能够在正常发育或者胁迫诱导的PCD过
程中降解TSN(tudor staphylococcal nuclease)蛋白
酶 , TSN有可能是MC的底物 (Sundström et al.,
2009)。在拟南芥基因组中 , 存在 3个 I型的MC
(AtMC1–3)和6个II型的MC(AtMC4–9)。AtMC1正调
节拟南芥的PCD, 其功能需要一个潜在的类caspase
催化残基, 而AtMC2则负调节细胞死亡(Coll et al.,
2010)。AtMC8/AtMC2d是生物或非生物胁迫的PCD
中的一个正调节因子, 在其缺失突变体中, ROS诱导
的PCD会被削弱, 而其过表达植株对PCD诱导因子
则会变得更加敏感(Watanabe and Lam, 2011)。
AtMC9在分化中的木质部导管中特异表达, 被认为
参与木质部管状分子的PCD过程 (Turner et al.,
2007; Bollhöner et al., 2013)。
在木质部细胞PCD的研究中, 发现2种木瓜蛋白
酶XCP1和XCP2特异性地参与木质部细胞PCD过程
中胞质物质的降解(Avci et al., 2008)。木质部细胞分
化的PCD和次生壁构建是紧密联系的, TERE顺式作
用元件负责次生壁构建和PCD基因的协同表达(Pyo
et al., 2007), 而具有TERE顺式作用元件的基因受到
VND6等 TEs 分化主 控转 录因 子的 直接调控
(Ohashi-Ito and Fukuda, 2010)。对于这些蛋白酶和
调节因子的功能及其与木质部发育的关系仍然需要
进一步的生物化学和分子遗传学研究(Böllhoner et
al., 2012)。
最近, 在水稻绒毡层细胞PCD的研究中发现了1
个在绒毡层中特异表达的 bHLH转录因子EAT1
(eternal tapetum 1), 它在转录水平上直接调节2个天
冬氨酸蛋白酶(aspartic preotease, ASP)的表达。
ASPs在酵母、拟南芥和烟草体内过表达会造成细胞
364 植物学报 48(4) 2013
和组织的死亡, 而EAT1则是通过控制ASPs的表达调
控绒毡层细胞PCD(Niu et al., 2013)。同时, 另一个
bHLH转录因子TDR(TAPETUM DEGENERATION
RETARDATION)可以通过直接调节一个半胱氨酸蛋
白酶OsCP1(Cysteine Protease 1)的表达控制绒毡
层细胞死亡(Li et al., 2006)。基因表达分析表明, TDR
对绒毡层的发育调控可能部分通过EAT1实现 , 而
EAT1不能直接调节OsCP1的表达, TDR也不能直接
调节ASPs的表达, 说明在绒毡层细胞死亡调控过程
中, EAT1和TDR可能具有不同的调控途径(Niu et al.,
2013)。另外, 动物抗凋亡基因API5的水稻同源基因
OsAPI5突变后, 绒毡层降解延迟, 引起小孢子发育
异常。OsAPI5通过与半胱氨酸蛋白酶基因CP1的启
动子和RNA解旋酶AIP1/2的结合分别在转录和转录
后水平上调控与绒毡层细胞PCD相关的基因表达 ,
显示了细胞PCD机制的保守性(Li et al., 2011b)。
尽管已有大量研究显示类caspase蛋白酶、MCP
和其它一些蛋白酶参与了植物PCD过程, 但对它们
的调控机理所知甚少。如它们的功能特异性、它们是
如何激活的以及作用底物是什么等都需要深入研究。
4 植物体内参与PCD过程的核酸内切酶
植物体内参与PCD过程的核酸内切酶主要是指
DNase, 其作用是协助完成细胞核的清除, 降解核
DNA。利用核 DNA电泳、 TUNEL反应和 DNA-
SDS-PAGE DNase活性等检测方法 , 在多种植物
PCD事件中发现了DNase活性, 如谷物种子发育和
胚乳的降解(Domínguez et al., 2004; Domínguez
and Cejudo, 2006), 单性花的发育(Hao et al., 2003;
Gu et al., 2011), 种子根尖的发育 (Liljeroth and
Bryngelsson, 2001), 导管分子的分化(Obara et al.,
2001; Ito and Fukuda, 2002; Chen et al., 2012), 雌
雄配子体细胞的PCD(He and Kermode, 2003, 2010)
等, 但在分子水平上对DNase基因的研究报道较少。
核酸内切酶依据其活性离子的依赖性可分为4
类: Zn2+依赖、Ca2+依赖、Mg2+依赖及同时依赖Ca2+
和Mg2+的核酸内切酶(Sugiyama et al., 2000; Ito and
Fukuda, 2002)。植物发育过程的PCD有多种核酸内
切酶的参与。如在谷物种子的成熟和萌发过程中胚乳
的降解包括3个阶段, 有多个核酸酶参与其中。第1阶
段, 淀粉性胚乳细胞伴随着种子的成熟发生降解失去
生理活动, 但还保留有细胞核、核糖体、内质网和
RNA。在玉米中, Young等(1997)发现3个参与这一阶
段的Ca2+依赖DNase, 它们在pH6.8时具有活性。第2
阶段, 糊粉层细胞在赤霉素的诱导下分泌出帮助清除
细胞内残余物的降解酶。在大麦的种子中发现了这一
阶段糊粉层分泌的35 kDa核酸酶并克隆到其基因,
命名为BEN1。BEN1是Zn2+依赖的核酸内切酶, 还具
有3′外切酶功能, N端序列还具有信号肽(Aoyagi et
al., 1998)。第3阶段就是糊粉层自身的PCD, 会产生
DNA ladder。Domínguez等(2004)在小麦糊粉层内发
现了受赤霉素诱导产生的DNase, 它在中性环境下,
依赖Ca2+和Mg2+的激活产生活性, 同时被Zn2+强烈
抑制。Domínguez和Cejudo(2006)在发生PCD的小麦
(Triticum aestivum)珠心细胞提取物中检测到由Ca2+
或Mg2+激活的DNase, 它和丝氨酸蛋白酶一起定位
在珠心细胞的细胞核中, 并且这些细胞核的提取物还
可以诱导培养的人细胞发生凋亡。
植物的衰老过程, 如叶片和花的发育及衰老过程
的PCD也有核酸内切酶的参与。Panavas等(1999)在
萱草花瓣衰老过程中克隆到的核酸酶基因DSA6, 其
编码N端含有信号肽、Zn2+依赖的核酸内切酶。
Pérez-Amador等(2000)在拟南芥中克隆到1个核酸
酶基因BFN1, 它表达38 kDa的蛋白, 与百日草中的
ZEN1序列相似, 过表达后纯化的BFN1在Zn2+作用下
能够消化RNA和DNA。BFN1在幼嫩的根、茎、叶中
均不表达, 只在衰老的叶和茎中表达。Hao等(2003)
报道在黄瓜(Cucumis sativus)的雌花滞育雄蕊中检
测到了35 kDa的Ca2+激活核酸酶。进一步研究发现这
个Ca2+依赖的核酸酶活性受乙烯诱导 (Gu et al.,
2011)。
在百日草管状分子分化过程中发现了7种核酸
酶, 其中Zn2+激活的43 kDa的核酸酶可以降解单、双
链D N A , 被认为是木质部细胞分化的分子标记
(Thelen and Northcote, 1989)。随后分离得到了它的
基因ZEN1, 并发现ZEN1蛋白定位在液泡中, 根据
ZEN1在管状分子分化过程的表达、定位、活性及与
PCD过程的分析, 认为ZEN1合成后首先贮存在液泡
中, 在PCD过程中液泡破裂, ZEN1被释放激活并发
贺新强等: 植物发育性细胞程序死亡的发生机制 365

图1 植物细胞程序死亡调控机制模式图(改自Watanabe and Lam, 2009)
ABA: 脱落酸; AOX: 线粒体交替氧化酶; BI-1: Bax抑制因子; ET: 乙烯; GA: 赤霉素; GST: 谷胱甘肽-S-转移酶; JA: 茉莉酸; NO:
一氧化氮; ROS: 活性氧; SA: 水杨酸; SOD: 超氧化物歧化酶; TF: 转录因子; VPE: 液泡加工酶

Figure 1 A schematic diagram illustrating the mechanisms of plant programmed cell death (modified from Watanabe and Lam,
2009)
ABA: Abscisic acid; AOX: Alternative oxidase; BI-1: Bax inhibitor-1; ET: Ethyl; GA: Gibberellin; GST: Glutathione stransferase;
JA: Jasmonic acid; NO: Nitricoxide; ROS: Reactive oxygen species; SA: Salicylic acid; SOD: Superoxide dismutase; TF: Trans-
cription factor; VPE: Vacuolar processing enzyme


挥作用, 导致细胞核降解(Obara et al., 2001; Ito and
Fukuda, 2002)。最近, 从杨树次生木质部细胞中, 鉴
定得到了一种Ca2+依赖的核酸酶, 其表达限于分化中
的次生木质部细胞, 蛋白定位于细胞核, 其活性与木
质部细胞分化密切相关, 显示其可能参与木质部细胞
分化过程中的PCD(Chen et al., 2012)。此外, 从番茄
(Lycopersicon esculentum)中还发现了参与木质部
细胞分化的RNase LX, 但它不是定位在液泡或细胞
核中, 而是在内质网中(Lehmann et al., 2001)。
植物细胞PCD发生过程中的主要信号分子、调节
因子、蛋白质以及它们之间可能的作用方式和途径见
图1。
5 问题与展望
植物细胞是否进入PCD是由一系列复杂的信号调控
过程决定的。与动物细胞PCD发生机制的认识相比,
我们对植物细胞PCD发生机制的了解十分有限。过去
10多年的研究已经为我们积累了大量实验资料, 对
于植物细胞PCD的类型及其与动物细胞PCD的区别
和联系已有了比较清楚的认识。目前, 已建立了一些
十分有效的实验体系, 发现了一些重要的植物细胞
PCD的信号分子, 如Ca2+、活性氧和NO等, 调节因子
如KOD多肽、植物激素、BI-1、BON1和BON1结合
蛋白等, 以及执行PCD的蛋白酶和核酸酶等。但尚未
解决的问题还有很多, 如已知的植物PCD信号分子
之间的相互关系, 信号分子与植物激素等调节因子之
间的调控关系, BI-1、BON1和BON1结合蛋白在植物
发育性PCD中是否执行调节作用, 核酸酶和蛋白酶
的激活途径和作用底物, 不同类型植物PCD发生机
制的异同等。相信通过对这些问题的深入研究, 将会
构建一个清晰的植物细胞PCD发生机制的调控网络。
366 植物学报 48(4) 2013
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Mechanisms of Developmental Programmed Cell Death in Plants
Xinqiang He1, Hong Wu2*
1College of Life Sciences, Peking University, Beijing 100871, China; 2College of Life Sciences, South China Agriculture
University, Guangzhou 510642, China
Abstract Programmed cell death is a genetically regulated process of cellular suicide at special time and position with
endogenous or environmental induction signals for multicellular organisms. It plays an important role in plant
development. In this paper, we introduce the different kinds of programmed cell death in plants, several model systems for
research in this field, and describe the current advances in the regulatory mechanisms of developmental programmed cell
death in plants.
Key words plant development, programmed cell death, regulatory mechanisms
He XQ, Wu H (2013). Mechanisms of developmental programmed cell death in plants. Chin Bull Bot 48, 357–370.
———————————————
* Author for correspondence. E-mail: wh@scau.edu.cn
(责任编辑: 白羽红)