朱艷喬，閆慧芳，夏方山，陳泉竹，王明亞，毛培勝

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院草業(yè)科學(xué)系，草業(yè)科學(xué)北京市重點實驗室，北京 100193)

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線粒體與種子老化的關(guān)系

朱艷喬，閆慧芳，夏方山，陳泉竹，王明亞，毛培勝

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院草業(yè)科學(xué)系，草業(yè)科學(xué)北京市重點實驗室，北京 100193)

摘要：種子作為最基本的生產(chǎn)資料，其活力高低直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成敗。關(guān)于種子老化機(jī)理的研究是種子科學(xué)研究的熱點和難點。線粒體是真核生物細(xì)胞內(nèi)重要的細(xì)胞器，是細(xì)胞能量合成和物質(zhì)代謝的中心，也是活性氧產(chǎn)生的主要位點，且普遍認(rèn)為，活性氧是導(dǎo)致種子老化的主要因素。種子老化過程中線粒體的典型結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，呼吸速率和氧化磷酸化效率降低，抗氧化功能發(fā)生改變，因此，本文主要概述種子的老化與線粒體結(jié)構(gòu)、呼吸作用、抗氧化系統(tǒng)變化的關(guān)系，并闡述線粒體與細(xì)胞程序性死亡關(guān)系的研究進(jìn)展，系統(tǒng)分析種子老化與線粒體變化研究中存在的問題及未來發(fā)展趨勢，以期為研究種子老化的線粒體作用機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：種子老化；線粒體；活性氧；細(xì)胞程序性死亡

種子的老化是一個循序漸進(jìn)的過程，通常是先發(fā)生生物化學(xué)變化，然后是生理變化[1]。生物化學(xué)變化包括膜脂過氧化、抗氧化系統(tǒng)平衡被打破、劣變產(chǎn)物積累和酶活性的變化等，而生理變化通常表現(xiàn)為呼吸代謝失調(diào)、合成能力下降和激素變化等[2-5]。早期的研究認(rèn)為,活性氧(Reactive Oxygen Species，ROS)的累積是造成種子老化的主要因素，ROS可以損傷蛋白質(zhì)和核酸并啟動不飽和脂肪酸的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)[6]，但到目前為止，ROS與種子老化的具體機(jī)理仍不清楚。Miquel等[7]于1980年提出了衰老的線粒體學(xué)說，該學(xué)說將線粒體、ROS和衰老聯(lián)系到一起。Berjack和Villiers[8]認(rèn)為，種子老化時首先出現(xiàn)線粒體的損傷。線粒體的電子傳遞鏈?zhǔn)欠N子內(nèi)源性ROS產(chǎn)生的主要部位，種子在老化過程中線粒體ROS的生成量增加，造成細(xì)胞內(nèi)生物大分子的氧化損傷，引起細(xì)胞功能異常，最終加速種子的衰老[9]。線粒體是真核生物細(xì)胞內(nèi)重要的細(xì)胞器，主要功能是通過氧化磷酸化合成ATP，是細(xì)胞能量合成和物質(zhì)代謝的中心。研究表明，線粒體在細(xì)胞內(nèi)還參與許多重要的生理過程，如調(diào)控細(xì)胞的生長、分化，參與種子萌發(fā)過程中葉酸的生成和精氨酸酶的表達(dá)[10]，參與細(xì)胞凋亡和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等。因此，開展關(guān)于線粒體與老化關(guān)系的研究，對揭示種子的老化機(jī)理及種質(zhì)資源的長期保存具有重要意義。本文介紹種子老化與線粒體結(jié)構(gòu)、呼吸作用、抗氧化系統(tǒng)變化的關(guān)系及線粒體與細(xì)胞程序性死亡關(guān)系的研究進(jìn)展，并討論種子老化與線粒體未來研究的發(fā)展趨勢。

1線粒體結(jié)構(gòu)變化與種子老化

干種子細(xì)胞中的線粒體是低分化的細(xì)胞器，雖有雙層膜結(jié)構(gòu)，但嵴少，基質(zhì)稀，內(nèi)部結(jié)構(gòu)難以辨識[11-13]。低分化的線粒體可以在萌發(fā)期間得到逐步的發(fā)育和修復(fù)，形成具有典型結(jié)構(gòu)的成熟線粒體[14]。從干種子中可以分離得到兩種結(jié)構(gòu)不同的線粒體，即輕型線粒體和重型線粒體。有研究表明，重型線粒體是可以進(jìn)一步發(fā)育成成熟線粒體的前線粒體，而輕型線粒體在萌發(fā)過程中逐漸解體[15]。Xin等[16]的研究發(fā)現(xiàn)，線粒體結(jié)構(gòu)的變化抑制種子吸脹期間線粒體的生物發(fā)生。種子在老化過程中，線粒體膜遭到破壞，嵴逐漸消失，基質(zhì)變稀，并且內(nèi)膜和外膜的完整性受逆境或老化的影響首先被破壞[17]?；ㄉ?Arachishypogaea)種子老化過程中，胚根細(xì)胞中線粒體的結(jié)構(gòu)較早出現(xiàn)損傷，膜及嵴的裂解隨著種子吸脹時間的延長而越來越嚴(yán)重[18]。大豆(Glycinemax)種子在22 ℃恒溫條件下吸脹24 h時，胚軸線粒體中具有大量發(fā)育良好的嵴和清晰可辨的內(nèi)外膜，而受冷害脅迫時胚軸線粒體數(shù)量減少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[19]。

種子的基因型決定了種子的潛在壽命，而種子活力的保持取決于種子的貯藏條件，高溫高濕可以加快種子老化，不同老化程度的線粒體出現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)變化。小麥(Triticumaestivum)種子在4種溫濕條件下分別儲藏150 d，在低溫低濕(15 ℃、50%)條件下儲藏的種子線粒體數(shù)量豐富，呈規(guī)則的圓形或卵圓形，具有清晰的雙層膜結(jié)構(gòu)，內(nèi)膜上具有豐富的嵴。隨著儲藏溫度和濕度的增加，種子的老化程度加深，線粒體數(shù)量和內(nèi)膜上嵴的數(shù)量減少，雙層膜結(jié)構(gòu)破壞。而在高溫高濕(35 ℃、85%)條件下的種子線粒體數(shù)量明顯減少，多數(shù)線粒體內(nèi)部降解嚴(yán)重，雙層膜結(jié)構(gòu)已無法辨識，有的線粒體出現(xiàn)完全空泡化[20]。這些變化情況和Yan 等[21]對不同老化條件下老芒麥(Elymussibiricus)種胚線粒體的超微結(jié)構(gòu)變化結(jié)果相似；含水量分別為4%、10%和16%的老芒麥種子在45 ℃條件下老化2 d，隨著含水量的增加，線粒體嵴變少，高含水量的老化種子線粒體也出現(xiàn)空泡化(圖1)。Wang等[22]利用激光掃描共聚焦顯微技術(shù)觀察不同老化程度榆樹(Ulmuspumila)種子線粒體的結(jié)構(gòu)變化，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的變化情況將線粒體分為4類：點狀線粒體、蠕蟲狀線粒體、巨型線粒體和彌散線粒體；未老化高活力種子中線粒體的典型結(jié)構(gòu)為點狀，并均勻地分散在細(xì)胞質(zhì)中；老化2 d后出現(xiàn)明顯伸長并聚集的蠕蟲狀線粒體，老化3 d的種子中出現(xiàn)巨型線粒體，巨型線粒體的體積顯著增大并進(jìn)一步聚集，嵴的數(shù)量減少，而彌散線粒體聚集到細(xì)胞膜處，只能觀測到微弱的熒光。

線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能密切相關(guān)，完整的內(nèi)外膜、發(fā)育完好的嵴和濃稠的基質(zhì)是線粒體進(jìn)行TCA循環(huán)和高效氧化磷酸化的前提[17]。種子的老化抑制線粒體在萌發(fā)階段的正常發(fā)育，線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，缺乏有效的TCA循環(huán)和氧化磷酸化，導(dǎo)致ATP的供應(yīng)量不足，線粒體氧化磷酸化的受限又會促進(jìn)ROS生成量的增加，反過來促進(jìn)種子老化。

2線粒體呼吸作用的變化與種子老化

種子的萌發(fā)是個需能過程，線粒體是種子代謝產(chǎn)生能量物質(zhì)ATP的主要場所。種子在老化過程中，線粒體數(shù)目減少，呼吸作用減弱，ATP合成量減少，從而使幼苗生長速度和整齊度下降。與新收獲的大豆種子相比，儲藏3年的大豆種苗胚軸中線粒體的數(shù)目與線粒體的氧化磷酸化效率顯著降低[23]。老化顯著降低線粒體電子傳遞鏈的電子傳遞效率，使基于底物NADH和琥珀酸的呼吸速率和呼吸控制比(Respiratory Control Ratio,RCR)降低，ATP的供應(yīng)量不足[15]。Ferguson等[24]發(fā)現(xiàn)，大豆種子在老化初期，呼吸狀態(tài)3的呼吸速率和RCR降低，RCR的降低表明線粒體內(nèi)的氧化磷酸化效率降低。ATP是生命活動的直接能量來源，種子老化導(dǎo)致ATP的供應(yīng)能力減弱。高生活力的花生種子ATP含量顯著高于低生活力的種子[25]。種子經(jīng)自然老化或人工老化后，ATP含量下降[26]。經(jīng)控制劣變的向日葵(Helianthusannuus)種子也出現(xiàn)類似現(xiàn)象，ATP含量和能荷均降低[27]。線粒體的老化通常導(dǎo)致耗氧速率下降，老化后種子在吸脹期間O2的吸收速率表現(xiàn)為下降趨勢[28]。細(xì)胞色素氧化酶(COX)和蘋果酸脫氫酶(MDH)是線粒體的標(biāo)志酶，種子老化過程中COX和MDH活性逐漸降低，線粒體呼吸受阻[16,28]。COX活性的降低會增加線粒體電子傳遞鏈的還原性，使電子漏和ROS含量增加[6]。

圖1　不同含水量老芒麥種子老化后的種胚線粒體超微結(jié)構(gòu)圖[21]

注：M,線粒體；MC,線粒體嵴。

Note: M, mitochondrial; MC, mitochondrial cristae.

種子在萌發(fā)過程中存在多條呼吸途徑，包括細(xì)胞色素途徑、交替途徑和解偶聯(lián)途徑等。種子在老化或逆境條件下，通過調(diào)節(jié)3種呼吸途徑以平衡ATP水平和ROS生成速率。細(xì)胞色素途徑中存在3個能量貯存位點，分別位于復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ中，這3個位點可以泵出質(zhì)子并產(chǎn)生ATP。外源NADP中的電子傳遞不經(jīng)過位于復(fù)合體Ⅰ中的質(zhì)子泵出位點而直接把電子傳給泛醌，這是外源NADP和內(nèi)源NADP的電子傳遞差別。交替途徑中電子經(jīng)過泛醌傳遞給交替氧化酶系統(tǒng)進(jìn)而傳遞給O2，外源NADP經(jīng)過該途徑傳遞電子不產(chǎn)生ATP，內(nèi)源NADP可以產(chǎn)生一個ATP。解偶聯(lián)途徑中的解偶聯(lián)蛋白是植物線粒體的離子載體蛋白[29]，可以將H+運回線粒體基質(zhì)，破壞膜電勢，不產(chǎn)生ATP。種子的發(fā)育和萌發(fā)過程都是處在相對缺氧的環(huán)境中，但發(fā)育中的種子存在葉綠體，可以進(jìn)行光合作用并釋放O2，緩解O2對呼吸的限制[30]。有研究表明，萌發(fā)期種子內(nèi)的缺氧環(huán)境有利于促進(jìn)NO的生成，從而抑制呼吸的細(xì)胞色素途徑，而交替途徑又稱抗氰呼吸，對氰化物的抑制不敏感。在萌發(fā)期受鹽脅迫的小麥和蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)種子中加入外源NO，種子中丙二醛(MDA)含量、過氧化氫(H2O2)和超氧陰離子(O2-)的釋放速率降低，抗氧化酶系統(tǒng)活性增加[31-32]。線粒體內(nèi)的交替氧化酶和解偶聯(lián)蛋白都耗散自由能而生成熱能，減少ATP和ROS的生成，維持細(xì)胞內(nèi)的能量平衡，增加植物的抗逆性。但交替氧化酶作為連接泛醌和分子氧的橋梁不受質(zhì)子梯度勢能的調(diào)控，其參與電子傳遞的前提條件是線粒體內(nèi)具有較高的泛醌還原水平，而解偶聯(lián)蛋白在相對較低的泛醌還原水平上也可以發(fā)揮作用，促進(jìn)電子的高效傳遞[33]。

3線粒體活性氧的產(chǎn)生、清除系統(tǒng)與種子老化

植物種子細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生主要來源于線粒體、過氧化物酶體和NADPH脫氫酶系等，其中約有90% ROS的產(chǎn)生可追溯到線粒體[34]。通常認(rèn)為，ROS的積累是導(dǎo)致種子老化的主要原因之一。植物線粒體內(nèi)的ROS主要包括O2-、H2O2等，ROS可以作為強(qiáng)氧化劑攻擊細(xì)胞膜系統(tǒng)和生物大分子物質(zhì)核酸、蛋白質(zhì)等，造成氧化損傷[35-36]。種子在老化過程中積累的ROS可以引發(fā)線粒體膜中不飽和脂肪酸發(fā)生脂質(zhì)過氧化作用，破壞膜的完整性，使線粒體發(fā)生膨脹[37]，增加線粒體的電子漏，反過來促進(jìn)ROS積累量的進(jìn)一步增加。線粒體內(nèi)膜的完整性有利于維持內(nèi)膜兩側(cè)的跨膜電勢，對氧化磷酸化生成ATP至關(guān)重要[38]。脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物MDA也能對細(xì)胞產(chǎn)生直接的毒害作用，加快種子的老化[39-40]。ROS攻擊蛋白質(zhì)多肽鏈上的氨基酸殘基，使蛋白質(zhì)分子發(fā)生交聯(lián)、聚合、斷裂等氧化損傷，導(dǎo)致蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，蛋白質(zhì)功能和理化性質(zhì)受到影響[41]。線粒體DNA不像細(xì)胞核DNA有核膜保護(hù)，它易受ROS攻擊而產(chǎn)生基因序列改變、基因突變，引發(fā)細(xì)胞衰老。

植物種子線粒體的呼吸鏈上包括4個復(fù)合體，即復(fù)合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ，通常認(rèn)為復(fù)合體Ⅰ和Ⅲ是產(chǎn)生ROS的主要位點。在電子傳遞過程中，位于復(fù)合體Ⅰ中的黃素蛋白、鐵硫中心和游離于復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ之間的醌、半醌發(fā)生氧化還原的能障較低，可以直接啟動O2的單電子還原反應(yīng)，產(chǎn)生O2-[42-43]。Boveris等[44]利用離體線粒體的亞線粒體成分研究O2-的生成，發(fā)現(xiàn)還原型醌(CoQH2)與O2反應(yīng)生成O2-：即反應(yīng)CoQH2+O2→CoQH·+H++O2-；CoQH·+O2→CoQ+H++O2-，O2-在超氧化物歧化酶作用下生成H2O2。大豆種子隨著老化時間的延長，O2-的產(chǎn)生速率和H2O2的含量表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，只是H2O2的含量達(dá)到峰值時間較O2-的產(chǎn)生速率峰值時所需時間出現(xiàn)延遲[16,45]。人工老化的大蔥(Alliumfistulosum)種子隨著老化程度加深，自由基和H2O2含量出現(xiàn)增加的趨勢[46]。

圖2　抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)[47]

注：SOD,超氧化物歧化酶；APX,過氧化物酶；AsA,抗壞血酸；MDHA,單脫氫抗壞血酸；MDHAR,單脫氫抗壞血酸還原酶；NADPH,還原型輔酶Ⅱ；NADP,氧化型輔酶Ⅱ；DHA,脫氫抗壞血酸；DHAR,脫氫抗壞血酸還原酶；GSH,還原型谷胱甘肽；GSSG,氧化性型谷胱甘肽；GR,谷胱甘肽還原酶。

植物種子線粒體內(nèi)擁有一套降低或清除ROS的抗氧化系統(tǒng)，由酶促抗氧化系統(tǒng)和非酶促抗氧化系統(tǒng)組成，酶促抗氧化系統(tǒng)包括超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、脫氫抗壞血酸還原酶(DHR)、單脫氫抗壞血酸還原酶(MDHR)和谷胱甘肽還原酶(GR)，非酶促抗氧化系統(tǒng)主要包括抗壞血酸(AsA)和還原型谷胱甘肽(GSH)。通常認(rèn)為,SOD是生物防御ROS攻擊的第一道防線。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)真核細(xì)胞內(nèi)存在兩種形式的SOD，分別定位于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和線粒體基質(zhì)中的Cu-SOD和Mn-SOD，這兩種形式的SOD都可以催化O2-發(fā)生歧化反應(yīng)，將O2-轉(zhuǎn)化為H2O2和O2[34]。Jimenez等[47]于1997年首次在豌豆(Pisumsativum)葉片細(xì)胞線粒體中證明有完整的抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)的存在(圖2)，AsA作為一種重要的自由基清除劑[48-49]，在APX的催化下將H2O2還原成H2O，而AsA被氧化成脫氫抗壞血酸(DHA)，DHA通過抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)重新被還原成AsA，從而調(diào)節(jié)線粒體自身的H2O2濃度。正常生理條件下，線粒體內(nèi)ROS的產(chǎn)生和清除處于動態(tài)平衡，并不會造成氧化損傷，但種子受低含水量的限制，抗氧化酶活性難以發(fā)揮，不能有效移除ROS，在這期間，清除ROS的任務(wù)主要由AsA和GSH承擔(dān)。大豆種子人工加速老化后，SOD、APX、MDHAR、GR活性和AsA、GSH含量降低，而DHAR活性降幅較小，在老化初期基本保持不變，表明DHAR在H2O2的清除和AsA的再生過程中的起到重要作用[45]。

4線粒體與細(xì)胞的程序性死

細(xì)胞程序性死亡(Programmed Cell Death，PCD)也稱細(xì)胞凋亡，是指細(xì)胞在發(fā)育過程中或某些環(huán)境因素刺激下，由基因控制的、主動的細(xì)胞死亡過程[50-51]。線粒體與細(xì)胞程序性死亡關(guān)系的研究主要集中在動物中，在植物中的研究起步較晚，Greenberg[50]于1996年最早提出在植物中同樣存在PCD，近年來的諸多研究表明，種子活力的喪失和PCD有緊密的關(guān)系?？刂屏幼兊挠軜浞N子、向日葵種子發(fā)生了和動物細(xì)胞中類似的凋亡事件，包括DNA laddering、TUNEL陽性反應(yīng)、細(xì)胞色素c的釋放、類半胱氨酸蛋白酶-3(caspase-3-like)含量的增加[22,52]。植物種子在劣變過程中發(fā)生線粒體跨膜電勢(ΔΨ)、線粒體膜通透性轉(zhuǎn)運孔(Mitochondrial Membrane Permeability Transition Pore，MPTP)、電壓依賴性陰離子通道(Voltage-dependent Anion Channel，VDAC)的改變[22]，這些改變是引發(fā)PCD的重要因素，表明線粒體在植物種子PCD中的重要作用。

線粒體參與PCD主要通過3條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路：外源性通路、內(nèi)源性通路和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通路。線粒體膜通透性轉(zhuǎn)運孔復(fù)合體假說認(rèn)為，不同PCD通路都是通過作用于線粒體膜進(jìn)一步引發(fā)PCD[53]。線粒體可感受到凋亡信號，受誘發(fā)釋放細(xì)胞色素c等凋亡誘導(dǎo)因子，釋放到細(xì)胞中的細(xì)胞色素c及其它凋亡誘導(dǎo)因子通過一系列反應(yīng)激活Capase-3-like等酶系或抑制細(xì)胞內(nèi)抗凋亡蛋白導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。MPTP的開放可以使分子量小于1.5 kD的物質(zhì)通過線粒體膜[54]，水分子的滲入使線粒體腫脹，線粒體內(nèi)膜擁有足夠面積適應(yīng)體積的膨脹，線粒體外膜抗膨脹能力有限，最終因內(nèi)膜的膨脹導(dǎo)致外膜的破裂[55-56]。正常MPTP周期性開放，并與ΔΨ的穩(wěn)定密切相關(guān)；周期性開放的MPTP可以維持線粒體的內(nèi)穩(wěn)態(tài)，但MPTP持續(xù)開放會導(dǎo)致ΔΨ的降低或是完全崩解。ΔΨ是線粒體氧化磷酸化生成ATP的驅(qū)動力，同時也是核基因編碼的線粒體蛋白跨線粒體內(nèi)膜進(jìn)入線粒體的動力，ΔΨ的崩解導(dǎo)致線粒體功能的缺失、活性氧和凋亡小體等的釋放，是細(xì)胞凋亡的一個特異性早期指標(biāo)。同時，ΔΨ崩解時線粒體釋放凋亡誘導(dǎo)因子(Apoptosis Inducing Factor，AIF)，AIF不需要其它輔助因子的參與可直接誘發(fā)細(xì)胞核凋亡。VDAC是由核基因編碼的定位于線粒體外膜的孔道蛋白[57]，是線粒體和細(xì)胞質(zhì)之間進(jìn)行能量代謝物質(zhì)如蘋果酸鹽、丙酮酸鹽、ADP、ATP等交換的必經(jīng)通道。在正常的低電壓情況下，VDAC開放，優(yōu)先選擇ADP、ATP等陰離子；當(dāng)電壓突然降低或升高時，VDAC關(guān)閉，并且具有陽離子選擇性，阻斷ATP等代謝產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運[58]。因此，VDAC的異常會使線粒體功能紊亂，導(dǎo)致ATP的合成和轉(zhuǎn)運受阻、ΔΨ下降和細(xì)胞色素c等的釋放。研究表明，ROS是誘發(fā)PCD的關(guān)鍵調(diào)制器(圖 3)。煙草(Nicotianatabacum)細(xì)胞在高溫誘導(dǎo)PCD過程中發(fā)生O2-和H2O2的爆發(fā)，而通過AsA和SOD預(yù)處理后，細(xì)胞的死亡率由50%分別降到10%和20%[59]。Wang等[22]的研究表明,榆樹種子中線粒體通透性轉(zhuǎn)運孔的組分如VDAC、親環(huán)素D(cyclophilin D)的表達(dá)量與ROS生成量呈正相關(guān)，且MPTP的不正常開放可以被AsA和環(huán)孢霉素A(CsA)有效地緩解。在動物中，細(xì)胞的凋亡是由一類高度保守的Capases酶類介導(dǎo)的，而在擬南芥(Arabidopsisthaliana)的基因組中并沒有編碼Capases酶類的基因，而是依靠具有Capases酶類活性的其它類型蛋白酶[60]。種子控制劣變過程中釋放的細(xì)胞色素c含量和Capase-3-like活性的增加可以通過AsA和CsA處理而得到抑制[52]。

圖3　活性氧引發(fā)種子老化過程依賴于線粒體的細(xì)胞程序性死亡模型[22]

關(guān)于植物PCD機(jī)理的研究尚處于初步階段，盡管動物和植物在PCD過程中主要特征相同、機(jī)制相似，但植物PCD有其獨特的特征和機(jī)制，如在植物細(xì)胞中至今尚未發(fā)現(xiàn)編碼caspase基因的存在。植物種子中同樣也存在PCD，種子PCD機(jī)理的研究對種子的抗逆性的提高和種質(zhì)資源的保存具有重要意義。

5展望

在近半個世紀(jì)以來，種子線粒體與老化關(guān)系的研究已取得較大的進(jìn)展。目前，普遍認(rèn)為種子線粒體在老化過程中起到重要作用。因此，有必要進(jìn)一步針對以下問題開展研究，以推進(jìn)種子老化機(jī)理的發(fā)展，并增加對老化機(jī)理的認(rèn)識。

種子在老化過程中，線粒體結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生相應(yīng)的變化，但目前關(guān)于線粒體結(jié)構(gòu)和功能的研究較為獨立，二者的關(guān)系尚不明確，不同結(jié)構(gòu)的線粒體功能發(fā)生了怎樣的變化？這種功能上的變化與線粒體結(jié)構(gòu)的變化有何聯(lián)系？這是在今后的研究中需要解決的問題之一。

線粒體是ROS產(chǎn)生的主要位點，其清除依賴線粒體內(nèi)的抗壞血酸-谷胱甘肽(AsA-GSH)循環(huán)。種子老化過程中AsA-GSH循環(huán)被打破，促進(jìn)了ROS的積累。外施抗氧化劑AsA、GSH、維生素E、水楊酸、褪黑素等可以在一定程度上修復(fù)老化對種子造成的損傷，提高種子的活力。但抗氧化劑在線粒體水平上修復(fù)機(jī)理尚不清楚，有待進(jìn)一步研究探討。

線粒體與細(xì)胞凋亡關(guān)系的研究是當(dāng)今生命科學(xué)研究的前沿。植物種子和其它器官一樣，都存在PCD現(xiàn)象。近些年，榆樹劣變種子線粒體研究中，線粒體膜通透性轉(zhuǎn)運孔的存在和開放證明了種子PCD現(xiàn)象。關(guān)于種子線粒體與細(xì)胞凋亡的研究仍處于初步階段，開展對細(xì)胞色素c、ΔΨ和線粒體膜通性轉(zhuǎn)運孔等在種子細(xì)胞PCD過程中的具體機(jī)理的研究，有利于延緩和預(yù)測種子老化，為種質(zhì)資源的長期保存提供技術(shù)方法。

蛋白質(zhì)組學(xué)的迅速發(fā)展推動著線粒體蛋白質(zhì)組學(xué)的研究。線粒體蛋白質(zhì)組學(xué)在植物中的研究起步較晚，在種子中的研究甚少，而且多集中在一些模式植物擬南芥和水稻(Oryzasativa)中。利用蛋白質(zhì)組學(xué)研究種子線粒體與老化的關(guān)系，從分子角度探究種子老化的機(jī)理，是未來種子老化機(jī)理研究的發(fā)展方向。由于線粒體分離、純化技術(shù)的局限，線粒體數(shù)據(jù)庫的貧乏，種子線粒體蛋白質(zhì)組學(xué)研究仍需進(jìn)一步探索。

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(責(zé)任編輯武艷培)

The relationship between mitochondria and seed aging

Zhu Yan-qiao, Yan Hui-fang, Xia Fang-shan,Chen Quan-zhu, Wang Ming-ya, Mao Pei-sheng

(Department of Grassland Science, College of Animal Science and Technology, China Agricultural University,Beijing Key Laboratory of Grassland Science, Beijing 100193, China)

Abstract:Seeds vigor is very important for agricultural production as the most basic materials which directly determine the success or failure of agricultural production. The studies of seed aging mechanism are always the hotspot and difficulty in seed science research. Mitochondria are important organelles in eukaryotic cells and play central roles in cell energy synthesis and metabolism, but they are also the main sources of reactive oxygen species which have been widely regarded as the major cause of seed ageing. During seed aging, the typical structure of mitochondria is gradually damaged, accompanied by the reduction of respiratory rate and oxidative phosphorylation efficiency and the change of antioxidant function. The present article mainly summarizes the changes of mitochondrial structure, respiration, antioxidant system during seed aging, and introduces the research progress of relationship between mitochondria changes and programmed cell death. The existing problems and future development of the relationship between seed aging and mitochondria are systematically reviewed which might provide a theoretical foundation for the mechanism study of mitochondria changes during seed ageing.

Key words:seed aging; mitochondria; reactive oxygen species; programmed cell death

Corresponding author:Mao Pei-shengE-mail: maops@cau.edu.cn

中圖分類號：S330.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-0629(2016)2-0290-09

通信作者：毛培勝(1970-)，男，內(nèi)蒙古錫林浩特人，教授，博士，主要從事牧草種子生理與良種繁育研究。E-mail：maops@cau.edu.cn

基金項目：現(xiàn)代牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-35);草業(yè)科學(xué)北京市重點實驗室共建項目

*收稿日期：2015-06-15接受日期：2015-10-09

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0335

朱艷喬，閆慧芳，夏方山，陳泉竹，王明亞，毛培勝.線粒體與種子老化的關(guān)系.草業(yè)科學(xué),2016,33(2)：290-298.

Zhu Y Q,Yan H F,Xia F S,Chen Q Z,Wang M Y,Mao P S.The relationship between mitochondria and seed aging.Pratacultural Science，2016,33(2)：290-298.

第一作者：朱艷喬(1989-)，女，江蘇徐州人，在讀碩士生，主要從事牧草育種與良種繁育。E-mail：13641027552@163.com