對植物細胞程序性死亡（PCD）與基因調控的關系及由此引發(fā)其應用前景的猜想

趙銘銘

一、植物PCD 的兩類作用機制及其與基因調控之間的關系

植物體在不同條件下， 針對自身生長發(fā)育和外界不同條件，普遍存在PCD 現(xiàn)象。 植物基因的表達受內外因素的影響，PCD 現(xiàn)象也不例外。我們將其分為兩個層面：環(huán)境脅迫誘導PCD 和植物發(fā)育過程PCD。

（一）環(huán)境脅迫誘導的植物PCD 及其與基因調控的關系

1.環(huán)境脅迫誘導作用機理。 外界環(huán)境對植物在生長發(fā)育中的作用十分顯著。 而在中等刺激下才能激活特定死亡程序。 環(huán)境誘導因子有物理上的，如玉米因水澇導致的供氧不足， 從而開啟根和莖皮層細胞PCD 形成通氣組織；有化學上的，氯化鈉、過氧化氫等化學物質均可作為誘導因子引發(fā)植物細胞PCD。 而在生物上，為抵抗病原體入侵誘發(fā)的超敏反應（HR）引起了筆者的重視。

2.超敏反應（HR）與基因調控的關系。 超敏反應（HR）是植物體通過被侵染部位細胞快速死亡，從而使病原體封鎖在枯死組織中死亡， 來達到保護自己的快速反應。 而外界病原體對其的誘導，基因層面作用機制為特定的植物品種基因型（R）對特定的病原物基因型（avr）的不相容互作。

受特定基因調控是HR 作為PCD 一種的重要證明。 特定的品種基因型（R）對特定的病原物的基因型（avr）才有可能誘發(fā)HR。 這就是說外界病原物并非引發(fā)HR 的必要條件，更需要病原物有相應avr 基因序列來配合該R 基因的表達。 R 基因對病原體的識別主要機制為通過基因表達產生R 蛋白，例如LRR 和絲/蘇氨酸激酶域，并利用其可感知特定的病原物的存在，從而為HR 創(chuàng)造可能。 于是引發(fā)筆者的猜想： 既然引起HR 的根源并非在于外界病原物， 而是在于配合R 基因進行表達的特異性基因， 那么是否存在使植物在無病原物的情況下仍可能引發(fā)R 基因的表達？ 在查找了大量信息后， 在植物學家對擬南芥研究中發(fā)現(xiàn)acd2 和lsd 兩種突變基因可實現(xiàn)在無病原物的條件下誘發(fā)HR。 而這種作用的本質，則類似于R 基因與avr 的不相容互作。 此外，在西紅柿、玉米和大麥植物細胞中也發(fā)現(xiàn)了類似作用機理。

那么，是否這種受到基因嚴格控制的程序性死亡可以類比到一般性的環(huán)境脅迫誘導層面的PCD？ 由于基因的表達會受到外界因素的控制， 不同的誘導因子，其作用本質是通過誘發(fā)植物細胞內部相關基因的表達，并通過一系列復雜機制實現(xiàn)對PCD 的誘發(fā)。 無論是物理因子還是化學因子，雖然宏觀上有些通過誘導細胞內部相關酶的表達， 有些通過改變內部細胞器的狀態(tài)，如環(huán)境脅迫誘導液泡釋放水解酶；有些通過改變內部離子濃度，如真菌影響細胞內鈣離子濃度變化激活HR 信號傳導，但是最終一定會歸結于基因層面的表達。

（二）植物發(fā)育過程的PCD 及其與基因調控的關系

在植物的生長過程中，PCD 幾乎貫穿植物的一生。從助細胞、反足細胞的退化，胚柄細胞通過PCD 解體，再到之后花瓣、葉片的衰老。 由此可知，這種作用機制對植物的正常發(fā)育有重要意義。 深入調查可發(fā)現(xiàn)，植物發(fā)育過程的PCD 是一個自發(fā)且主動的過程，基因的調控一定貫穿始終。 如擬南芥中胚柄細胞的PCD 與雙胚突變體(twn)基因的關系，twn 基因在胚細胞中編碼能抑制胚柄發(fā)育的信號物質，促使胚柄細胞發(fā)生PCD。

（三）環(huán)境脅迫誘導層面與植物發(fā)育層面PCD 在基因層面差異的猜想

雖然目前人們仍未發(fā)現(xiàn)環(huán)境脅迫誘導和植物發(fā)育兩個不同層面的本質差異， 但是筆者在基因層面有一些猜想。 植物的基因表達目的無外乎兩種：促進自身生長發(fā)育和抵御外界干擾。PCD 也是如此。只是由于在發(fā)育層面PCD 的表達更為普遍，更為主動，我們是否可推測，其內部基因序列更傾向于內部原始序列，受到外界的影響更小， 即這類基因在植物發(fā)育早期便開始表達，其地位在染色體上也更為重要。 而環(huán)境脅迫層面，由于必須在一定刺激下相對被動地表達， 在植物發(fā)育早期并不活躍， 甚至有時這類基因會通過基因突變后產生，其表達對外界環(huán)境也更有依賴性。

二、PCD 待開發(fā)應用的猜想

（一）PCD 在作物抗逆工程方面應用的猜想

雖然現(xiàn)在對PCD 的應用還很少，但是我們發(fā)現(xiàn)其在作物抗逆工程方面有很大的開發(fā)空間。 在農業(yè)作物培育方面是否可能通過控制凋亡抑制基因的表達來增強作物的抗逆性，使作物能適應更多生長環(huán)境。 由于在環(huán)境脅迫層面PCD 必須在一定刺激下相對被動地表達，其表達對外界環(huán)境也更有依賴性。 我們可通過控制凋亡抑制基因的表達， 人為介導植物對外界不適宜環(huán)境的反應，從而減少外界對植物基因表達進程的干擾，進而避免一些作物自身應對不適環(huán)境的自發(fā)性凋亡，使作物具有更多抗逆性，對環(huán)境有更多適應。

進一步我們可通過基因工程的手段， 通過凋亡抑制基因的導入， 干擾植物在相對不適宜環(huán)境中發(fā)生的一系列程序性死亡的機制。 我們可通過人工導入與環(huán)境脅迫誘導PCD 和植物發(fā)育過程PCD 相關的基因序列，使作物在不適宜環(huán)境中通過促進PCD 進程或抑制植物PCD 進程，使作物在不適宜環(huán)境條件下整體的生理生化進程不受大的干擾， 使植物的生長發(fā)育進程正常進行。 可設想一下，當作物在不適宜環(huán)境中，正常情況下一些與環(huán)境脅迫誘導PCD 進程相關的基因被誘導表達， 使得其自身內部生理生化進程受到不同程度干擾，從而發(fā)生一系列程序性死亡的反應，這在經濟層面上對人類是不利的。 為避免這些在經濟層面上的不利反應， 我們可通過抑制這些基因的表達或者人為導入其他基因誘發(fā)與植物PCD 進程相關的基因互作，干擾植物生理上的PCD 進程，抑制作物的凋零以及其他一些對外界環(huán)境的不良反應， 從而在經濟層面上有利于作物在不適宜環(huán)境條件下仍能表達出一定的經濟形狀。 但是，從基因工程的角度看，由于存在親緣性遠近的關系，外源基因不一定能正常表達發(fā)揮預期作用。 另一層面，通過基因工程的手段提升植物自身抗逆性，如何保證不干擾植物自身內部正常的PCD 進程。 這一系列問題有待進一步探究。 這就引出了生物信息學在這方面可能的應用。

隨著生物信息學和分子生物學的發(fā)展， 基因的本質被進一步揭示出來，在未來，當人類完全破解了遺傳序列的秘密，建立了遺傳信息庫，我們甚至不用在自然條件下從生物中導出凋亡抑制基因并構建運載體，還要考慮親緣性。 我們完全可根據(jù)需要，針對不同條件構造具有不同特異性的凋亡抑制基因， 從而既增強作物抗逆性，又不至于干擾作物內部正常的PCD 進程。 這些層面的研究，期待人們進一步去開拓。

（二）PCD 在改良作物形狀方面應用的猜想

植物體在不同條件下， 針對自身生長發(fā)育和外界不同條件，普遍存在PCD 現(xiàn)象，環(huán)境脅迫誘導PCD 和植物發(fā)育過程PCD 往往聯(lián)合作用共同調控植物體內部生物性狀的表達。 但從農業(yè)的角度看，在自然選擇條件下對植物自身有利的生物性狀的表達， 并不一定滿足農作物或園藝作物經濟層面的需要。 因此，為提升農作物的經濟價值，往往需要我們對植物內部PCD 進程進行一定程度的改良，從而改良作物的形狀。

花朵和葉片的脫落， 是植物發(fā)育過程的正常和必然的程序性死亡的過程，但是，隨著近些年農藝工作對花朵的需要，過早的凋零將帶來一定的經濟損失，我們可否通過上面所述的基因工程的手段對某些品種的植物內部PCD 進程進行一定干擾，從而延長花朵開放時間。 或者，是否可通過上述手段，延長果實生長成熟的時間，延緩其脫落，從而使果實內部積累更多的糖類等營養(yǎng)物質，提升農作物品質和產量。 這些形狀的改良涉及植物發(fā)育過程PCD， 其內部基因序列更傾向于內部原始序列，即這類基因在植物發(fā)育早期便開始表達，其地位在染色體上也更為重要。 如何對這些相關基因進行一定程度的定向改造卻不影響其他正常基因的表達，這將會變得更加復雜。 但是，隨著基因工程的發(fā)展和生物信息學對基因內部序列與性狀表達之間的關系被進一步揭示，這種猜想在未來將有很大的潛力。