全 文 ：广 西 植 物 Guihaia 24(2)：146— 151 2004年 3月
植物细胞程序性死亡(PCD)的研究进展
于维华，陈 鹏，王 莉，李小平
(扬州大学农学院园艺系．江苏扬州 225009)
摘 要：细胞死亡是动、植物生长发育过程中常见的一种生命现象，而细胞程序性死亡(PCD)是细胞遵循自
身生命活动程序 ，并受多种因子调控的一种积极的死亡方式．近年来随着动物中 PCD研究的深入 ，植物 PCD
亦得到相应的研究．植物细胞程序性死亡研究不仅可揭示植物衰老、死亡 的内部变化规律 。而且可为其生长
发育的调控提供依据和技术。该文试对有关PCD的特点、研究意义及近年来的研究概况与方法进行简述与
评价．
关■词：植物；细胞程序性死亡；发育调控；综述
中蛋分类号：Q942 文献标识码：A 文章编号：1000—3142(2004)02—0146—06
■ 1 ● ‘ 一‘ 。 AdvanCeS ln studies On program m ed
cell death(PCD)in plants
YU W ei-hua，CHEN Peng，W ANG Li，LI Xiao—ping
(Department of Horticulture，Agricultural College of Yangzhou University，Yangzhou 225009，China)
Abstract：Cell death is a commonly encountered life phenomenon in animals and plants during their growth and
development．Programmed cel death(PCD)controled by multi—factors is an active behaviour of terminating
life，which folows itself programine．In recent years，PCD is further researched in animals as well as in
plants．A study on PCD in plants not only enunciates their inside changing laws of senescence and death，but
also could give a basis and technique to control and regulate their growth and development．Based on above i—
deas，this article gives a brief introduction of the characters of PCD and its significance，conditions and meth—
ods of researches．
Key words：plant；programmed celI death；developmental regulation；overview
植物细胞程序性死亡(Programmed cel death，
PCD)是细胞正常发育过程中采取的一种 自身基因
调控的主动死亡方式，是植物发育过程中不可缺少
的一部分。二十世纪 80年代尤瑞麟(1985)首次报
道了正常小麦珠心细胞衰退的超微结构变化，90年
代初，Greenberg等(1994，1996)发现在植物对病原
体的防御反应中存在类似动物细胞的程序性死亡现
象，从此植物 PCD引起了人们的关注。植物和动物
PCD两者之间是否存在差异，逆境中植物 PCD如
何发生和调控，以及 PCD在植物生长发育过程中起
了何种作用，这些问题的提出使植物 PCD成为当前
生物学研究的热点。
1 PCD的特点
PCD最初是在动物中发现的。Gluchsman在
1951年提出了PCD的概念；1965年 Lockshio首次
提出PCD是多细胞动物组织中细胞对特定生理性
收稿日期 ：2003-05—07 修订 日期 ：2003-07-22
基金项目：江苏省科技攻关项目(苏科技(2002)467号)
作者筒介：于维华(1978一)．女．山东肥城人．硕士生．植物学专业．研究方向为果树发育生理．
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2期 于维华等 ：植物细胞程序性死亡(PCD)的研究进展 147
刺激产生的反应的死亡方式(陈毅坚，2000)；Kerr
等(1972)在描述多细胞有机体在发育过程中出现的
细胞 自然死亡现象时提 出了细胞 凋亡 (Apoptosis)
的概念。由于 PCD和凋亡时细胞表现相同的形态
特征，许多人认 为凋亡就是 PCD。研究表 明，凋亡
是 PCD过程中伴随出现的特定形态、生化特征，也
有一些细胞在 PCD过程 中并不表现凋亡的特征 ，这
一 类细胞死 亡 被称 为 非程 序 性细 胞 死 亡 (王忠 ，
1999)。Lee和 Chen(2002)在水稻 叶片的衰老过程
中观察到非程序性的细胞死亡。通过电子显微技
术 ，TUNEL(terminal de0xynucle0tidyl transferase—
meditated dUTP nick end in situ labeling)和 DNA
梯带等检测方法，观察到死亡细胞的细胞质降解，但
没有明显的和凋亡相关 的形态学特征。由此可见 ，
凋亡是 PCD在形态学上的表现，两者不完全等同。
PCD与一般意义上的衰老、坏死不同，其表现出的
特点是 ：PCD发 生时细胞和染色质浓缩 ，细胞 膜突
出形成质膜小泡，脱落后形成 PCD小体；同时核酸
内切酶激活，DNA断裂，在含溴化乙锭的琼脂糖凝
胶上 电泳出现典型的“梯 状”条带 (Wacker等，
1997)。
2 PCD研究的意义
植物 PCD是植物生长过程中的必要组成部分。
细胞死亡后被其它细胞吸收利用或构成利于自身发
展的特殊结构，对植物的生长发育及新陈代谢起重
要作用。如皮层细胞死亡后形成通气组织；筛管细
胞死亡后形成了输导组织；植物表面覆盖的一层死
亡细胞，具有保护机体，减少水分蒸发的作用等。植
物在遇到某些逆境，如高盐、水涝和低温时，某些细
胞、组织或器官也会发生 PCD，从而度过不良环境，
这是植物在进化过程中自身形成的对环境的适应能
力 。深入研究 PCD的发生机制 ，了解植物的生长发
育的本质及逆境条件下植物的自身调控，对控制植
物病害的发生 ，农作物品种选优 、粮食生产及贮藏保
鲜的改良具有重要意义。
3 植物PCD的研究概况
细胞死亡伴随在组织和器官形态分化过程中，
对生物的发育和生存都有重要意义。动物中PCD
的研究较早，其发生机理和生化特征均得到较为深
入的研究，目前在免疫学、胚胎学及医学方面已取得
了许多成果。其中最能引起人们广泛兴趣的是如果
能改变 PCD中起关键作用的基因的活性，就可以调
节致病细胞的死亡 ，这无疑对治疗疾病将有重大意
义。植物的衰老死亡是其生长发育的重要过程，随
着研究的不断深入，动物 PCD的研究结果推动了植
物方面的研究。研究发现植物和动物 PCD发生时
两者表现出相似的细胞学特征，及伴随 DNA条带
及酶活性的变化。但两者又有差异 ，动物发生 PCD
后，细胞很快被其他细胞吞噬降解，以防有害细胞内
含物泄露引起周 围细胞受损 (Jacobson和 weil，
1997)；而植物中的死亡细胞在有些情况下可构成某
种特殊组织，如维管系统中导管及筛管细胞通过
PCD形成的机械组织(王雅清等，1998)。许多证据
还显示，活性氧、乙烯、Ca抖、水杨酸及氧化氮等是
外界环境诱导 PCD发生的信号(Pan等，2002)，使
植物在逆境下表现出一些特殊反应，如受病原菌侵
害时发生超敏反应；高温或高浓度时产生热激蛋白、
防卫蛋白等。这些情况引起了人们的极大兴趣，通
过大量研究，目前植物 PCD取得了较明显的进展。
3．1植物 PCD的细胞学研究
尤瑞麟在研究小麦珠心细胞衰退过程时引入了
PCD的概念。随后 Eleftherion(1986)研究 了小麦
原生韧皮部细胞核解体过程中的超微结构变化，但
其中并没有提及 PCD。Li等(2002)在银杏胚珠贮
粉室的早期发育中发现参与形成贮粉室的珠心细胞
死亡是 PCD过程。玉米胚胎发育过程中母体组织
通过胚柄传送营养物质，当完成其功能后，胚柄细胞
发 生 程 序 性 死 亡 (Yeung 和 Meinke，1993)。
Giuliani等(2002)通过 TUNEL和 DNA梯带检测
也发现玉米胚胎发育中在特定的位点和时期发生
PCD。
植物体中运输水分和无机盐的管状分子及行使
机械支持功能的各种厚壁组织，成熟时都是丧失生
命力的死亡细胞，它们的发育成熟过程本身就是
PCD。Miller等(1995)用原位检测 DNA片段的方
法研究了高等植物中导管分子的分化。王雅清等用
原位末端标记的方法，通过观察杜仲次生木质部发
育过程的超微结构变化，证实了其导管分子的分化
是 PCD过程。
3．2植物 PCD的生理学研究
生物体内的细胞受 自身发育阶段提供的遗传信
息，或其周围细胞和微环境提供的信号作用，包括细
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胞相互接触提供的信号以及周围环境中的活性物
质、激素等。陈鹏等 (1994，1999)在银杏种核形状及
其种仁成分的分析研究 中发现，不同品种类型间的
种核三维度具显著或极显著差异；种仁中的氢氰酸
含量与种核的宽／厚比呈极显著相关。林久生等
(2001)发现在小麦叶片发生 PCD时期 ，其蛋 白质下
降缓慢，这是由于此时部分蛋白质降解而同时新蛋
白质不断合成的综合表现；当大部分细胞进入死亡
时期 ，含量迅速下降。
Orzaez等(1997)发现乙烯处理豌豆可促使其
心皮衰老及 DNA降解；Morgan等(1997)发现乙烯
介入玉米根中缺氧和机械障碍诱导的通气组织后形
成的细胞程序性死亡。尽管乙烯在控制植物生长发
育过程中的巨大作用早为人知，但乙烯信号传导途
径与细胞凋亡 的关系还不清楚 。另外 ，GA也能刺
激 PCD发生 ，乙烯 和 GA 的作用 又 可被 CTK 及
ABA所逆转。因此乙烯很可能与其他信号分子一
起作用来调节 PCD。
Ca 促进乙烯产生 ，已知在动物 PCD过程 中，
Ca 具有启动作用 (McConkey和 Orrenius，1995)。
虽然植物 PCD的诱导信号和机理仍不清楚，但许多
实验证据已经表明 Ca 在该过 程 中起着重要作用
(Roberts和 Haigler，1989；Raz和 Fluhr，1993)。研
究发现 Ca 的升高，能直接激活依赖钙的核酸内切
酶，使之作用于 DNA，产生 DNA降解(Gaido和 ci—
dlowski，1991)。
活性氧是机体发生 PCD的信号，H：o：含量上
升可诱导 PCD的发生。光呼吸条件下转基因烟草
中过氧化氢酶活性降低，H：o：浓度升高，诱导叶脉
栅栏细胞死亡，超微结构可看到染 色质浓缩和线粒
体完整性的丧失(James等 ，2003)。
动物中研究发现 PCD过程是 由一系列特异 的
半胱氨酸蛋 白酶类 (cysteinyl aspartate—specific pro～
teinases，caspases)所 控制 的。caspases被激 活后 ，
作用于底物蛋白，使蛋白质分解，引起细胞的凋亡。
许多试验表明植物 PCD中也发生 caspase的活化。
茶叶的主要成分茶多酚在诱导鼻咽癌细胞发生凋亡
过程中，caspase-3活化，切割 DNA，使一些参与
DNA损伤修复的酶及 DNA依赖的蛋白激酶失活，
从而导致细胞凋亡 (罗非君等 ，2000)。大豆根 的节
结的发育过程是 PCD过程，在其发育过程中有半胱
氨酸蛋 白酶 (cysteine protease，CP)的表达 。对根
节停止固氮后 的第 5周、7．5周、1O周的研究发现随
着根的生长和衰老，CP基因表达增 强，H：o2大量
积累(Florence等，2003)，这也 可解释 PCD过程中
H：o：含量的升高。
3．3 PCD的生物学研究
超敏反应 (Hypersensitive response，HR)也是
一 种 PCD。PCD不仅是细胞正常发育所必须的过
程，也是植物一种重要 的防卫反应。植物一旦受病
原菌侵染后，其感染点周围细胞发生 PCD，使植物
体产生系统获得性抗性(System Acquired Resist—
ance，SAR)，以防止病原菌的传播。这是植物对不
良环境条件做出的反应。通过分离突变体，调节超
敏性细胞死亡反应的相关组成已被检测到，但具体
是哪些执行 了细胞的程序性死亡，还没有结论，且植
物中这种形式的PCD是否和其他方式的 PCD以及
动物中的细胞凋亡相同，还需要进一步的遗传和生
化分析(Dominique等，1998)。
3．4植物 PCD的诱导研究
尽管 PCD参与植物发育的许多过程，但由于植
物体中发生 PCD的细胞比率小，相对过程短，因此
不利于 PCD的检测及其机制的深入研究。许多实
验表明，植物 PCD可以被一定的外界条件诱导产
生。Wang等(1996)用真菌毒素三羧酸丙烯酸单酯
诱导番茄原生质体及小叶凋亡，观察到典型的 DNA
“梯状”条带和类似 PCD小体的结构。周军等
(1999)发现，在适当浓度的乙烯利处理下，胡萝 卜原
生质体也产生了典型的凋亡特征。另外 Morgan等
(1997)在不同类型的植物中的研究证明，乙烯能诱
导豌豆、玉米和胡萝 卜等产生细胞凋亡。孙英丽等
(1999)发现细胞色素 c可以诱导植物细胞产生典
型的 PCD。Jones(2002)也发现在管状分子分化过
程中，线粒体释放细胞色素 c到细胞质中，而且
Ca 也诱导细胞色素 c的释放，这和管状分子分化
时需要 Ca 的结论是一致的。
4 PCD的研究途径与方法
PCD的研究途径与方法很多，目前主要采用的
有形态学观察法和生化检测法 (张亚历等 ，l996)。
4．1形态学观察法
形态学观察法是研究细胞形态最直接的方法。
发生 PCD和坏死的细胞形态存在显著差别，可通过
切片来观察 。
4．1．1石蜡切 片染色法 石蜡能切成极薄而连续的
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切片，是显微技术上最重要的一种方法 ，制片时可根
据不同要求进 行染色 。吖啶橙 (AO)和溴化 乙锭
(EB)双重染色法 、台盼蓝染色法及 DAPI染色法利
用染料对细胞膜的通透性不 同来区别 PCD与坏死 ；
甲基绿一派诺 宁染色法则是 利用 甲基绿对 DNA染
色的特异性和派诺 宁在酸性条件下对 RNA 的亲和
性，使得 PCD时细胞核和细胞质呈现不同染色
(Moffitt，1994)。
4．1．2透射电镜超薄切片观察法 电子显微镜是观
察细胞形态的最好 方法 ，在电镜下细胞核和细胞器
亚微结构清晰易辨，比单纯的光学显微镜观察可靠。
样品制成超薄切片后 ，经醋酸双氧铀和柠檬酸染色，
在电镜下观察，可清楚看到发生 PCD的细胞的结
构 。
4．2生化检测法
PCD发生时，核酸内切酶激活，导致 DNA非随
机性断裂成 18O～200 bp的片段 ，可利用此特点来
检测 PCD的发生。
4．2．1电泳法 常见的有琼脂糖凝胶电泳和彗星 电
泳两种方法。
4．2．1．1琼脂糖凝胶 电泳 PCD 过程 中 DNA 断
裂 ，在含 EB的琼脂糖凝胶上电泳 出现“梯状”条带，
是 PCD的典型特征。虽然 Bowen等(1993)在观察
凋亡细胞时并没有发现明显的 DNA降解或“梯状”
条带，但目前仍把 DNA电泳时呈现的“梯状”条带
看作是 PCD最重要 的鉴别方法 。缺点是这种方法
需要较多数目的PCD细胞的存在。
4．2．1．2彗星电泳 细胞发生 PCD时 DNA断裂成
不等同的片段，在电流作用下，移出细胞核，荧光染
料染色后可观察到彗星图案。彗星电泳法可精确反
映细胞的凋亡 ，且灵 敏度高 。缺 点是彗星电泳还不
能直 接 检 测 带 壁 植 物 细 胞 的 PCD(姜 晓 芳 等，
1998)。
4．2．2末端标记法 包括简易末端标记、5 末端跎P
标记和原位末端标记 。
4．2．2．1简易末端标记法 PCD过程中细胞在核酸
内切酶作用下产生具有粘性末端的 DNA片段，这
种 DNA 片段 可被 Klenow 聚 合酶 补平。Rosl
(1992)利用这种原理，采用跎P标记 的核苷酸对纯
化的 DNA进行简单的末端标记和放射自显影，检
测梯状条带中核苷酸片段 。
4．2．2．2 5 末端跎P标记 法 这种方法用 于定量检
测pg水平上PCD细胞核小体间的碎片。用碱性磷
酸酶将纯化的 DNA末端脱磷酸化后，在 T 多核苷
酸激酶作用 下将 5 末端用跎P标记，在琼脂糖凝胶
电泳后的条形带上 ，从标记的 DNA黑色显影上 可
推知细胞的凋亡程度。此法敏感性高于琼脂糖凝胶
电泳(Huang和 Plukett，1992)。
4．2．2．3原位末端标记 法 原位末端标记法是检测
PCD的一种特异且灵敏 的方法。石蜡包埋后切片 ，
脱蜡后用 胃蛋 白酶消化，将标记的核苷酸原位掺入
DNA缺口，再经辣根过氧化物酶标的抗生素蛋白抗
体作用，二氨基联苯胺(DAB)显色后在显微镜下可
看到 PCD细胞呈阳性反应，出现黄褐色沉淀(王雅
清等，1998)。
4．2．3流式细胞光度计检测法 流式细胞光度计可
进行植物细胞核 DNA含量的测定，此法操作简单，
精确度高。PCD时，DNA发生断裂，用流式细胞光
度计检测，在 DNA直方图上可看到凋亡细胞二倍
体峰的减少；坏死细胞在细胞周期中出现不同程度
-的减少，亚二倍体细胞量多少不等。
5 植物PCD的研究展望
植物 PCD的研究 已有结果报道 ，随着研究的逐
步深入 ，发现植物 PCD需要研究的方面还很多。植
物体发生 PCD的机理还不清楚，植物细胞中与
PCD有关的基因研究还远没有动物深入。尽管许
多实验表明植物 PCD与动物是相似的，但分子水平
共同特征少，目前仅发现少数几个基因参与植物
PCD的过程(华志明等，1998)。研究过程中常局限
于某一特定现象，很少有将这些现象和植物发育的
具体过程联系起来，加上植物生长周期较长，给研究
带来一定困难 。植物 PCD的研究如果能与植物的
经济利用联系起来，将具有重要实践价值。某些干
果类果品，如银杏、板栗等在发育过程中形成的坚硬
种壳限制了其体积的继续增大，且种壳结构影响其
贮藏保鲜，降低了商品价值和经济效益。现有的研
究结果表明，这层木质化硬壳的形成直接与PCD有
关。如能发现诱导果实发育中PCD发生的因子，通
过人为调控，改变生长发育期，提高果品产量和品
质，则将会极大地推动果树现代化生产的发展。
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继代培养仍然很困难。因此，选择培养愈伤组织的
激素配方不能仅依据愈伤组织诱导率来确定，还要
对愈伤组织生长量进行统计分析。这方面的工作正
在进行。
参考文献：
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