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1、 第六章第六章 衰老与程序性死亡衰老与程序性死亡 对于许多真核生物（包括动物和植物）而言，特定细胞的死亡确实是生长和发育过程所必不可少的 。细胞死亡除了参与发育过程，也可以作为生物和非生物胁迫应答的一部分。 由于生物体自身控制着细胞死亡的启动和执行过程，这种类型的细胞死亡称为程序性细胞死亡（ programmed cell death , PCD ）。植物中有两个 PCD 的例子：衰老（ senescence ) 和超敏反应（ hypersensitive response , HR ）中的细胞死亡。 衰老衰老是植物组织在其生命尽头发生的一种相对缓慢的细胞死亡，它包括衰老组织中胞内成分有序地解
2、体，以及在存活部位最大限度地回收和利用衰老组织中的营养成分。 超敏反应超敏反应中观察到的 PCD 是由病原体的侵染引起人侵部位及其周围细胞死亡，与衰老中的 PCD 是完全不同的。由于超敏反应中局部的细胞死亡可以阻止感染的进一步扩散，因此其重点就是，在病原体势力稳固之前迅速杀死它们赖以生存的寄主细胞，而不是最大限度的营养再利用。1. 1. 植物细胞死亡类型及植物细胞死亡类型及PCDPCD实例实例2. 2. 衰老概述衰老概述3. 3. 衰老过程中的代谢衰老过程中的代谢4. 4. 衰老的调节及诱导衰老的调节及诱导5. 5. 小结小结1.植物细胞死亡类型植物细胞死亡类型及及PCD实例实例1.1动物细胞
3、死亡有二种形式： 细胞调亡细胞调亡和坏死坏死 细胞调亡细胞调亡（apoptosis）是具有一系列形态特征的有序的过程，其中包括在质膜、核膜外表面形成小泡，小泡分离，染色质凝集，DNA发生核小体间断裂，并切割成180bp大小的特征片段，形成调亡小体（ apoptosis body）,随后被邻近的细胞吞噬并降解。 坏死坏死：在此过程中，质膜和内膜系统破裂，引发迅速释放水解酶和其他细胞内容物，而后引起炎症反应。 细胞调亡和坏死的区别之一：炎症发生与否二者的主要区别是，细胞凋亡过程中，细胞质膜反折，包裹断裂的染色质片段或细胞器，然后逐渐分离，形成众多的凋亡小体（apoptotic bodies），凋亡
4、小体则为邻近的细胞所吞噬。整个过程中，细胞质膜的整合性保持良好，死亡细胞的内容物不会逸散到胞外环境中去，因而不引发炎症反应。相反，在细胞坏死时，细胞质膜发生渗漏，细胞内容物，包括膨大和破碎的细胞器以及染色质片段，释放到胞外，导致炎症反应细胞凋亡的形态学特征凋亡的起始：细胞表面的特化结构如微绒毛消失，细胞间接触的消失，但细胞膜依然完整；线粒体大体完整，但核糖体逐渐从内质网上脱离，内质网囊腔膨胀，并逐渐与质膜融合；染色质固缩，形成新月形帽状结构等形态，沿着核膜分布 凋亡小体的形成：核染色质断裂为大小不等的片段，与某 些细胞器如线粒体一起聚集，为反折的细胞质膜所包围。细胞表面产生了许多泡状或芽状突起
5、，逐渐形成单个的凋亡小体 凋亡小体逐渐为邻近的细胞吞噬并消化细胞色素细胞色素c诱导的凋亡细胞诱导的凋亡细胞DNA电泳图电泳图1细胞色素c诱导0 h2细胞色素c诱导1 h3细胞色素c诱导2 h4细胞色素c诱导3 h5细胞色素c诱导4 h6阴性对照7Marker （ 自赵允、翟中和）1.21.2植物中细胞死亡机制植物中细胞死亡机制和类型和类型植物细胞调亡少见，原因：细胞壁和吞噬细胞。此外在植物PCD中无染色质凝集和DNA梯状条带二个明显特征。1.2.11.2.1植物生活周期中的植物生活周期中的PCDPCD 自体吞噬作用自体吞噬作用（autophagy) 细胞产生可吞噬细胞质甚至完整细胞器的自噬体，
6、而后这些自噬体被中央液泡所吞噬，并由其中的水解酶水解。1.2.1.11.2.1.1禾本科植物淀粉胚乳禾本科植物淀粉胚乳和糊粉细胞的死亡和糊粉细胞的死亡 禾本科植物胚乳细胞分为禾本科植物胚乳细胞分为淀粉胚乳淀粉胚乳和和糊粉糊粉，2 2者都发生者都发生PCDPCD，但是途径不同。淀粉胚乳成熟细胞，但是途径不同。淀粉胚乳成熟细胞是死的，其是死的，其PCDPCD过程和其他真核生物细胞不同，内过程和其他真核生物细胞不同，内容物并没有降解，而是以干化形式保存。当种子容物并没有降解，而是以干化形式保存。当种子萌发时，糊粉层分泌水解酶，降解整个点分胚乳。萌发时，糊粉层分泌水解酶，降解整个点分胚乳。胚乳的胚乳的
7、PCD乙烯可以诱导淀粉胚乳细胞进入PCD。糊粉细胞的死亡糊粉细胞的死亡 哥特利哥特利* *哈勃兰特于一百年前发现并描述了糊粉细哈勃兰特于一百年前发现并描述了糊粉细胞在萌发过程中的变化。逐渐液泡化、原生质体胞在萌发过程中的变化。逐渐液泡化、原生质体死亡和解体。死亡和解体。 GAGA和和ABAABA调控禾本科植物的细胞死亡调控禾本科植物的细胞死亡 (GA (GA诱导大麦和小麦的糊粉层细胞进入诱导大麦和小麦的糊粉层细胞进入PCDPCD而而ABAABA则则延迟延迟PCD PCD 的发生的发生) )。糊粉层细胞糊粉层细胞PCD特点特点1.1.糊粉细胞的贮藏液泡糊粉细胞的贮藏液泡PSVPSV在在GAGA处
8、理后变为裂解性细处理后变为裂解性细胞器（胞器（pHpH降低，降低，7-5.57-5.5，出现水解酶），出现水解酶）2.2.糊粉细胞的糊粉细胞的DNADNA降解并不产生细胞调亡的梯状条带降解并不产生细胞调亡的梯状条带, ,无自噬体形成无自噬体形成。3.3.多个信号转导途径参与了禾本科植物糊粉细胞的多个信号转导途径参与了禾本科植物糊粉细胞的PCDPCD。胞质中子有的胞质中子有的Ca2+Ca2+、PHPH、cGMPcGMP、CaMCaM、蛋白、蛋白激酶和蛋白磷酸酶都是信号转导途径中的元件。激酶和蛋白磷酸酶都是信号转导途径中的元件。1.2.1.21.2.1.2管状分子的形成管状分子的形成 木质部发育开
9、始于胚胎发生阶段，并在植物整个生命周期中始终存在。原形成层和形成层不断形成新的管状分子。 在管状分子发育后期经历细胞壁次生加厚，细胞死亡和 细胞内容物自溶等事件。 分化后的细胞只保留细胞壁且具有次生加厚的特征。培养的百日草叶肉细胞可以诱导培养的百日草叶肉细胞可以诱导形成管状分子形成管状分子 管状分子通常来源于原形成层和形成层。体外诱导导管分化为研究细胞发育过程中的细胞分化和死亡程序提供了一个理想的系统。当机械分理处的细胞在含有生长素和细胞分裂素的培养基中培养时，40%-60%的细胞去分化，然后重新分化出管状分子。 百日草管状分子分化的3个阶段： 1、去分化阶段； 2、与分化相关基因转录产物的出
10、现； 3、管状分子的特异发育，次生壁特异加厚。管状分子的PCD与液泡膜裂解有关液泡膜破裂后，水解酶释放，细胞内容物自溶。在启动细胞死亡程序时，半胱氨酸蛋白酶和蛋白酶体都起调节作用。液泡膜破裂后，细胞壁木质化，在几乎所有可辨认的细胞器消失前，细胞膜保持完整。百日草管状分子PCD调节 生长素和细胞分裂素是必需的，钙和钙调蛋白也可能是诱导管状分子分化的信号途径中的成员。 油菜素类固醇、丝氨酸蛋白酶也可能参与管状分子的形成。1.2.2植物胁迫应答植物胁迫应答PCD例子例子1.2.2.1通气组织的形成通气组织的形成通气组织的形成是对水淹的应答反应。主要是由于根部组织缺氧。通气组织通气组织是位于内皮层和下
11、皮层之间的一类高度特异的皮层组织发生PCD时形成的。乙烯介导了通气组织的形成Ca2+介导信号转导途径在此过程介导信号转导途径在此过程中的作用中的作用Ca2+介导信号转导途径将低氧环境与产生乙烯联系起来,胞质中自由钙离子浓度变化是可逆的。P889在有氧环境中培养的玉米细胞，钙浓度为50-100mmol/l低氧环境中，上升至250-300mmol/l. 胞内Ca2+和CaM可以激活蛋白激酶和蛋白磷酸酶，从而促进PCD相关蛋白的修饰。GTPrS能把G-蛋白锁定在火星位点上，冈田酸一直蛋白激酶的活性。1.2.2.2超敏反应超敏反应细胞死亡是病原体入侵时的植物应答反应，植物防御反应普遍存在，典型例子是超
12、敏反应。超敏反应是植物的遗传程序，是宿主进行新的转录和翻译的结果。它是许多抗病植物和无毒病原体之间不亲和反应的相关特征。 超敏反应中的细胞死亡是自杀 已证明超敏反应相关的细胞死亡可能是由宿主控制而不是直接被病原体杀死。 因此可知：1、它是一个主动过程，需要宿主细胞进行转录和翻译。2、该过程有信号分子介导，已知的信号分子包括短肽和寡聚糖。 病斑模拟突变体病斑模拟突变体 有些植物发生突变，可在局部区域自发形成坏死组织，这些坏死细胞与超敏反应中看到的死细胞很相似，这些突变体在没有病原体时也产生超敏反应类型的病斑。 机理假说：1、显性突变导致代谢受阻，从而使细胞进入典型的PCD 2、突变的大多数属于信
13、号应答网络，它通常用来抵挡病原体入侵的。 病斑模拟突变体分为2类：启动型突变体和增殖型突变体。 启动型突变体启动型突变体 有不连续坏死部位而且不扩散。此类突变可能是由病斑启动功能的调控异常所致（信号受体本身或信号传导早期步骤）。 启动型突变体可能与抗病基因有关。 增殖型突变体增殖型突变体，它们丧失了病斑形成开始后限制病斑扩散的能力。 超氧化物自由基对于病斑形成是必须的。病斑模拟突变体不只局限于叶组织。p895 病斑模拟突变体主要影响病原体防御反应中的细胞死亡，而对其他发育过程中的细胞死亡事件没有影响 活性氧中间体是超敏反应PCD过程中的一个关键诱发剂 氧爆：氧爆：植物在接种病原体后数小时内就产
14、生了活性氧中间体。有证据表明活性氧中间体产生后细胞死亡，原因有二：一是过氧化物直接杀死细胞，二是活性氧中间体作为一种信号分子诱发一条独立的细胞死亡途径或诱发防御基因的转录。2. 衰老概述衰老概述 细胞衰老是一个PCD的过程，它与营养器官和生殖器官发育的最后阶段有关联。 衰老可以重塑植物形态，处理不需要或不正常细胞，同时回收有价值的营养物质，特别是氮和磷，衰老通常发生在器官成熟后。 衰老是一个受高度调控的过程，在这一过程中，启动了一些新的代谢途径，同时关闭另一些途径。叶绿体分化成衰老体是叶肉细胞和绿色幼果细胞衰老特征。 SAG衰老相关基因，主要是一些编码蛋白水解酶的基因，其中有三种半胱氨酸蛋白酶
15、。 衰老突变体是一些缺失了衰老相关的酶，或者是衰老计时系统改变了的植物。3.衰老过程中的代谢衰老过程中的代谢 3.1色素代谢色素代谢 叶衰老最明显的特征就是绿色逐渐褪去。叶绿素的降解，是一个复杂的酶促反应过程，并涉及到多个亚细胞区室。 类胡萝卜素的合成通过异戊二烯途径3.2苯丙烷类苯丙烷类化合物的化合物的代谢代谢衰老组织中会积累衰老组织中会积累一些其他色素和次一些其他色素和次级化合物，包括酚级化合物，包括酚类、鞣酸、类黄酮类、鞣酸、类黄酮和木质素等。和木质素等。 3.3蛋白质代谢蛋白质代谢 衰老组织中叶绿体是有机氮回收利用的主要来源。含量最丰富的蛋白质是位于叶绿体可溶性基质上的Rubisco和
16、类囊体膜上结合叶绿素的光俘获蛋白（LHCP). SAG编码的半胱氨酸蛋白酶与种子萌发时表达的蛋白水解酶高度同源，它们定位于内质网或液泡中，表明SAG编码的半胱氨酸蛋白酶可能并不直接参与与衰老过程中蛋白质的水解，而是在蛋白级联反应中间接起作用。蛋白质降解机制3.5衰老对氧化代谢的影响衰老对氧化代谢的影响3.5.1 叶的衰老与过氧化物酶体转变成乙醛酸循环体有关 在叶衰老的过程中，糖原异生作用的一个通路得到激活，就是脂转变为糖的通路。可以将叶片中大量的以脂类形式存在的碳转化为可溶性糖转运到植物其他部分的库中，尤其是叶绿体膜中的脂。 3.5.2衰老与细胞内氧化还原状况敏感1.在细胞水平上，氧化代谢是衰
17、老的一个主要特征。2. 衰老细胞中存在多种活性氧。过氧化氢和超氧化物阴离子是过氧化物酶体、乙醛酸循环体、叶绿体以及其他区室中一般每促反应的产物。3.氧化还原状态的改变引起一系列信号系统的改变，影响基因的表达。3.6衰老过程中的核酸代谢衰老过程中的核酸代谢核酸代谢可以产生无机磷酸。嘌呤代谢衰老过程中代谢调节多种机制调节蛋白对水解的敏感性基因差异表达、区室化、别构效应 衰老时许多细胞质酶要么不受影响，要么受到正调控作用，但细胞器内的同工酶却发生降解 衰老细胞保持了高度的内部组织性和区室化，细胞器之间受调控的物质交流对于衰老的有序发生是必须的。4.衰老的调节及诱导衰老的调节及诱导 衰老是外源和内源多
18、重因素共同作用的结果。 研究植物生长因子在植物衰老中的作用时，应强调二个方面： 一、多重信号相互作用，决定了植物是否启动衰老进程，这些信号包括内源生长调节因子，当然不仅仅局限于这些因子。 二、不同植物对衰老相关的特异生长调节因子的反应不尽相同。内源生长调节因子对衰老的影响乙烯是主要的衰老促进剂 转基因晚熟植物（蜜瓜） 利用基因工程技术使植物乙烯产量减少，可以抑制果实成熟和叶片衰老，氨基环丙烷羧酸（ACC）合酶和ACC氧化酶是催化乙烯合成最后步骤的酶，反义表达这些基因的植株乙烯浓度大大下降。细胞分裂素是衰老的拮抗物细胞分裂素抑 制衰老进程， “绿岛”现象 转基因研究是揭示细胞分裂素对衰老的影响的重要手段 将细胞分裂素合成基因和SAG12基因的启动子融合， SAG12基因编码一个半胱氨酸肽链内切酶，在拟南芥的衰老组织中特异表达，这样细胞分裂素只在衰老组织中表达，并且产生的量刚好可以阻止衰老。 细胞分裂素可能在二个水平起作用： 远距离上通过促进分化和增强库的活性起作用； 近距离上，也就是在自身衰老细胞中，通过抑制衰老程序的启动起作用。环境对衰老的影响 衰老是植物度过突发性环境胁迫的一种策略，可以启动衰老的特定因子在衰老真正开始后，它的作用却又完全不同了。
