三种植物通气组织的形成与细胞程序性死亡的关系

【摘要】通气组织(aerenchyma)是植物薄壁组织内一些气室以及围绕气室细胞的集合。通气组织的形成是湿地植物的组织、器官在长期进化过程中形成的一种适应性策略,其主要功能是将氧气从地上运输到根内的通道,对植物正常生理代谢的维持具有重要的生物学意义。虽然已知植物通气组织定义为裂生型和溶生型2种,但这种划分是在组织学研究水平上建立起来的,多数情况下是通过观察成熟通气组织结构而得出的结论,尚缺乏对通气组织发生、发育和形成全过程的细胞学本质的研究。另外,通气组织的形成过程中细胞程序性死亡(programmedcelldeathPCD)的细胞学和分子生物学事件了解的不够清楚,对其发育调控过程的理解还存在很大的缺陷。本文利用光学显微镜技术、荧光显微镜技术、电子显微镜技术、免疫细胞化学定位技术,并结合分子生物学技术,系统研究几种植物通气组织发生、发育和形成过程,以及乙烯等信号分子对通气组织形成的影响,阐明植物通气组织类型、形成过程的细胞学特点及其发生规律,并在细胞学和分子生物学水平揭示乙烯、活性氧和Caspase3-like蛋白在植物通气组织形成过程中的调控作用,深入探讨植物溶生型通气组织形成特点与植物PCD之间的关系,为探明植物通气组织形成的调控机制提供细胞学依据。通过对格菱(Trapapseudoincisa)、莲(Nelumbonucifera)和向日葵(Helianthusannuus)通气组织形态发生及其与PCD关系的系统研究,取得以下主要结果。格菱叶柄通气组织形成初期,增大的空隙主要通过细胞数量增多和细胞间的分离形成的；在形成期伴随有细胞的收缩和降解；在膨大期和成熟期,通气组织腔的扩大一方面来至于细胞体积的膨大,另一方面来至于通气组织腔之间部分膈膜细胞死亡,相互融合成为大的通气组织腔。从TUNEL检测的DNA片段化现象,以及超微结构中观察到液泡膜破裂、囊泡的出现、细胞器降解和核降解等过程的证据,都从不同角度证实了通气组织的形成过程中伴随细胞的死亡。因此,格菱叶柄通气组织的形成属于溶生型。格菱叶柄通气组织形成属于发育型PCD,其前体细胞从分生组织细胞状态开始启动PCD程序。细胞核最先发生降解,实心期细胞核就呈现微弱的TUNEL阳性,在透射电镜下观察到细胞核变形、染色质凝集和边缘化,以及细胞质中囊泡的产生等PCD最早期信号。液泡膜破裂发生于细胞核染色体凝集之后；然后,囊泡的数量大量增加,并包被有颗粒性物质进入液泡中；原生质体在液泡膜破裂后,在水解酶作用下开始降解,细胞质结构模糊。细胞器的降解发生在液泡膜降解之后,属于PCD的中期事件。质体在其它细胞器降解后期仍保持完整的形态,最终在膜状小泡的作用下完全解体。质膜的降解是通气组织PCD细胞学事件中最后一个关键过程。细胞壁在通气组织膨大期阶段变得疏松,并在次生泡的作用下有一定程度的降解,但最终没有彻底降解,继续维持叶柄通气组织的基本构架。莲根通气组织发育的形成期空隙主要是通过细胞体积的增大,以及细胞间的分离所致。在膨大期和成熟期,通气组织腔的扩大一方面来至于细胞体积的膨大和细胞形状的改变；另一方面,则来源于通气组织切向细胞的主动死亡,从而导致通气组织腔在径向方向上相互融合成为径向延长的通气组织腔。从TUNEL检测的DNA片段化,以及超微结构观察到液泡膜破裂、囊泡的出现、细胞器降解、核降解和细胞壁降解等过程。这些证据表明通气组织的形成过程中伴随细胞的死亡。因此,莲根通气组织的形成也属于溶生型。莲根通气组织形成也属于发育型PCD。在其通气组织形成的PCD事件中,液泡膜破裂是最先观察到的现象。细胞核变形、染色质凝集并边缘化也发生于PCD早期,此时TUNEL检测呈微弱的阳性。在通气组织发育的中期,细胞质中出现大量囊泡,并观察到包被有黑色颗粒性物质；伴随液泡膜的破裂,细胞器的降解表现为膜系统的紊乱和细胞器形态扭曲等现象,属于PCD的中期事件。质膜的破裂均优先于细胞壁的降解,细胞内的囊泡和细胞残留物失去质膜保护后,原生质体迅速降解。细胞壁的降解是PCD的最后一步,电镜下观察到细胞壁逐渐变薄,最终完全降解。向日葵下胚轴经乙烯诱导后形成明显的诱导型通气组织,皮层特定区域的薄壁细胞首先发生质壁分离,然后细胞壁凹陷,形成通气组织早期的腔隙,在随后的膨大期和成熟期,在光镜下明显观察到细胞壁的断裂现象,通气组织的形成直接来源于细胞溶解。从TUNEL检测核DNA的片段化,以及超微结构的结果来分析,通气组织的形成过程中始终伴随着细胞死亡。因此,向日葵下胚轴通气组织的形成属于溶生型。向日葵下胚轴通气组织的形成属于诱导型PCD。在此类PCD事件过程中,最早观察到的变化是细胞变形,质膜收缩,以及细胞核染色质凝集及边缘化等现象,在形成期早期利用TUNEL检测和核DNA凝胶电泳观察到DNA片段化现象；随后液泡膜破裂,并形成大量的囊泡,通气组织形成期伴随细胞质的降解,同时观察到囊泡中包被的颗粒性物质,这些证据表明囊泡在植物PCD过程中起到重要的作用,表现出类似于动物PCD中的自体吞噬现象。细胞器的降解发生在液泡膜降解之后,属于PCD的中期事件,其中线粒体和质体在细胞器降解后期也保持形态的完整性；质膜的降解发生在细胞壁降解降解之前。细胞壁的降解都是PCD的最后一步,细胞壁明显变薄,并变得透明化,最终完全降解。格菱、莲和向日葵在水淹条件下都能形成通气组织。格菱和莲是水生植物,通气组织是在低氧环境和遗传因素共同调控的,在莲根际环境中持续地充入21%的氧气后,从根尖到根毛区,形成通气组织的面积比正常生长的同部位的面积要小。因此,通气组织是一种有效地改善低氧胁迫的机制,低氧环境能诱导植物通气组织的发生,而在氧气充分的情况下,在一定程度上抑制通气组织的形成。乙烯能诱导向日葵下胚轴通气组织发生,且使得诱导后莲根的通气组织面积比正常生长的通气组织面积大；乙烯合成抑制剂1-MCP(1-Methylcyclopropene)在一定程度上又能抑制二者通气组织的发生。表明乙烯作为信号分子直接参与莲根和向日葵下胚轴通气组织的形成过程。活性氧的诱导剂AT(3-amino-1,2,4-triazole)在处理1天后有效诱导向日葵下胚轴通气组织的产生,同时,活性氧抑制剂DPI(diphenyleneiodonium)在一定程度上有效抑制通气组织的产生。因此,活性氧作为信号分子也参与向日葵通气组织的形成过程。活性氧抑制剂DPI处理后,能有效抑制水淹、乙烯和活性氧诱导向日葵通气组织的形成；乙烯合成抑制剂1-MCP在一定程度上能明显抑制水淹和乙烯诱导通气组织的形成,但不能抑制AT诱导通气组织的形成。因此,在向日葵通气组织PCD调控过程中,乙烯是活性氧的上游信号分子,细胞PCD信号经活性氧进一步传递给下游信号,最终启动植物PCD的发生。Caspase3-like蛋白在乙烯的诱导下表达水平升高,除1-MCP不能抑制AT诱导的Caspase3-like蛋白表达外,其活性的表达与乙烯和活性氧信号的诱导或抑制具有一致性。乙烯作为活性氧的上游信号,通过乙烯或活性氧信号激活Caspase3-like蛋白的表达来调控PCD的发生,进而形成通气组织。
【作者】倪细炉；
【导师】刘文哲；
【作者基本信息】西北大学，植物学，2014，博士
【关键词】通气组织；细胞程序性死亡；形态发生；TUNEL检测；超微结构；免疫印迹；乙烯；活性氧；CaSpase3-like蛋白酶；

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