《植物學》：曲桂芹小組弄清蕃茄成熟衰老的細胞凋亡機理

　　熱脅迫誘導的番茄果實細胞程序性死亡(45℃、20min熱處理)。a.番茄果實線粒體和細胞質組分細胞色素c變化情況;b.番茄果實不同caspase類似蛋白酶活性的變化;c.番茄果實果皮細胞TUNEL檢測出現DNA片段化陽性的細胞百分比。

　　細胞程序性死亡(Programmed cell death，PCD)也稱為細胞凋亡，在動物的正常生長發育和病害抵御過程中發揮著重要作用。那么，在植物果實中，特別是肉質果實衰老過程中是否存在細胞程序性死亡過程?這一過程是如何調控的?細胞程序性死亡在番茄果實衰老過程中和乙烯調控的關系是怎樣的?

　　在國家自然科學基金支持下，中國農業大學食品科學與營養工程學院副教授曲桂芹的課題組對“番茄果實成熟衰老的程序性死亡機理”進行了深入研究。課題組成功地建立了番茄果實組織發生PCD的檢測方法，填補了國內外該領域的研究空白。相關論文發表在《植物學》(Planta)上。

　　細胞也要有計劃地“死亡”

　　在發育過程中，細胞不但要恰當地誕生，而且也要恰當地死亡。這就是細胞程序性死亡所起的作用。

　　研究證明，人在胚胎階段是有尾巴的，正因為組成尾巴的細胞恰當地死亡，才使我們在出生后沒有尾巴。如果這些細胞沒有恰當地死亡，就會出現長尾巴的新生兒。

　　細胞程序性死亡是受多基因控制選擇性地去除不必要細胞的過程，廣泛存在于人體、動物、植物及微生物的生長發育、衰老及脅迫反應中。

　　“正常情況下，這些細胞的死亡有一定規律，似乎在按照編好了的‘程序’進行，比如小蝌蚪尾巴在成長中消失，比如植物秋天樹葉的凋落，都是程序性死亡在起著作用。”曲桂芹說。

　　人類從胚胎、新生兒、嬰兒、兒童到青少年，在這一系列人體發育成熟之前的階段，總體來說細胞誕生得多，死亡得少，所以身體才能發育。而在發育成熟后，人體內細胞的誕生和死亡處于一個動態平衡階段，一個成年人體內每天都有上萬億細胞誕生，同時又有上萬億細胞程序性死亡，兩者處于一種動態平衡中。使人體器官維持合適的細胞數量得以正常運作的，正是細胞程序性死亡機制。

　　曲桂芹介紹說，細胞程序性死亡有別于細胞的壞死。細胞壞死是由致病因子引發的損傷，引起細胞破裂，胞內溶酶體釋放，最終導致炎癥反應，對細胞的殺傷沒有選擇性。通常，凋亡的細胞發生皺縮，染色體被切成片段，細胞核固縮、碎裂，形成凋亡小體，最終為體內的巨噬細胞所吞噬，對臨近的細胞不產生影響。在正常情況下，我們身體內細胞的死亡大都是凋亡，這可以讓新生的細胞取代衰老的細胞，讓我們的身體保持健康。

　　“程序性死亡不僅在動物的發育過程，比如胚胎的發生、器官的轉化過程中起著非常重要的作用。”曲桂芹說，“在人體疾病的發生，如癌癥、老年癡呆和帕金森綜合征等等方面都存在著細胞程序性死亡過程。”

　　細胞的程序性死亡如果不能正常發生，會導致嚴重的疾病。一些常見的非傳染性慢性病，與細胞凋亡關系密切。因遺傳物質突變而癌化的細胞，如果不進入凋亡程序，而是繼續分裂，則會形成腫瘤。乳腺上皮細胞如果在停止哺乳后沒有發生程序性死亡，則有導致乳腺癌的危險。總之，為了機體的健康，細胞不但要有計劃地“生”，也要有計劃地“死”。

　　細胞程序性死亡在植物發育及脅迫反應中起關鍵作用

　　植物細胞程序性死亡研究起步較晚。20世紀90年代初，國際上才把這一概念引入植物界。眾多研究表明，細胞程序性死亡作為一種普遍的生命現象，在植物的正常生長發育和病害的抵御過程中都發揮著重要作用。如花粉囊、雌配子體、維管組織發生以及衰老、授粉、性別決定等過程中都有細胞程序性死亡參與;外界的生物或非生物脅迫如病原微生物的侵染或臭氧的傷害同樣可誘導細胞的程序性死亡。

　　衰老是一種涉及多種代謝途徑和信號調控的過程，是細胞程序性死亡作用下植物發育中具有代表性的過程。葉片衰老以核酮糖(Rebisco，一種光呼吸中不可缺少的加氧酶)降解為細胞程序性死亡的典型特征;花瓣衰老過程表現為失水萎蔫、DNA片段化;花椰菜采后誘導的花組織失水萎蔫衰老，豌豆幼苗去除上胚軸后產生同等大小芽端，其一優勢生長導致另一芽端很快衰老死亡等過程則是受caspase類似蛋白酶的調控;細胞程序性死亡發生相關基因在自然衰老和離體衰老擬南芥葉子和花椰菜花中表達方式不同;外界的脅迫因素如活性氧和水楊酸可誘導擬南芥完整葉片的細胞程序性死亡。眾多研究表明，植物衰老過程中存在著細胞程序性死亡的發生和調控。

　　“肉質果實的成熟衰老過程是由一系列分子水平的變化調控的過程，包括乙烯的生物合成和信號轉導、細胞壁的解聚作用、光信號的傳導和類胡蘿卜素的積累，這期間果實品質、硬度、氣味及甜度都有很大的改變。”曲桂芹說，“番茄作為肉質果實發育和脅迫研究的典型模式材料，具有基因組小、突變體多的優勢。以此為對象，研究衰老及脅迫條件下細胞程序性死亡的發生，對于豐富植物衰老細胞程序性死亡理論，完善肉質果實成熟衰老分子調控機制都具有重要的科學意義。”

　　番茄衰老和熱脅迫反應中存在細胞程序性死亡

　　“我們的研究以綠熟期番茄果實的果皮為研究對象，建立番茄果實成熟衰老程序性死亡特征的檢測方法。包括DNA片斷化的檢測，線粒體細胞色素c釋放的檢測;在此基礎上檢測了熱激誘導的番茄果實線粒體和細胞質蛋白組分中細胞色素c含量的變化、重要的幾種caspase活性的檢測及變化情況;對番茄果皮細胞程序性死亡的檢測方法進行了優化和比較，建立了番茄果實細胞程序性死亡的TUNEL檢測、電導率及臺盼蘭染色，并對采后誘導的番茄果實衰老過程中的細胞程序性死亡事件進行了系統地分析。最終證明，番茄果實的衰老和熱脅迫反應中都存在著細胞程序性死亡過程。”曲桂芹說。

　　番茄果實作為重要的營養載體，采后過程中衰老及各種脅迫導致的品質和營養的下降是非常復雜的生物學過程。課題組將細胞程序性死亡機制引入果實的采后保鮮領域，對于豐富果實采后保鮮理論具有重要科學意義。

　　細胞程序性死亡過程在植物的發育及脅迫反應中發揮著關鍵作用，在3年的科學研究中，課題組在借鑒國際同行研究成果的同時，積極將形態學、生物化學及分子生物學多學科結合起來，成功地建立了番茄果實組織發生細胞程序性死亡的檢測，為番茄果實PCD發生機制的深入研究奠定基礎。同時也為其他果實細胞程序性死亡的研究提供技術和理論依據。

　　“植物細胞程序性死亡機制的研究作為當今植物科學研究的熱點，具有非常廣闊的研究前景。如果我們弄清番茄果實成熟衰老的程序性死亡機理，就可以控制番茄果實成熟過程，對改善番茄品種、提高果實品質方面會有幫助。”曲桂芹說，“不過目前我們進行的還是基礎研究，如何從番茄果實混雜的蛋白質中提純該蛋白或者根據已有的蛋白酶基因序列體外表達或克隆轉化，是揭示植物細胞程序性死亡本質復雜漫長的過程，還需要進一步的實驗研究。這也需要國家自然科學基金繼續支持相關的研究。”