1植物衰老的机理
1.1植物衰老和细胞的程序性死亡
植物在长期进化和适应环境的基础上有选择性地使某些细胞、组织和器官有序死亡,称之为程序性死亡(programmed celldeath, PCD)[2]。
植物PCD是指整个原生质(有细胞壁或无细胞壁)在植物某个生命时期主动撤退、消化过程,它在去除不需要细胞质或整个细胞时主要通过以下机制:自溶、裂解和木质化。
植物衰老是涉及PCD的生理过程,两者在发生机制和信号传导上存在较多的共性: (1)植物衰老和PCD都是由基因控制的主动的过程,它们的发生都依赖新基因的转录和蛋白质的合成。
(2)PCD和植物衰老都是一程序性事件。
(3)植物衰老与PCD 都可以受许多内部发育信号和外部环境信号的影响,从而调节进程的快慢。
(4)植物衰老和PCD过程中都存在物质的运转,这在衰老器官中表现为维管束周围组织最后衰老[3]。
植物衰老的过程不完全是PCD。
完整的植物衰老过程应包括两个阶段:第一阶段为可逆衰老阶段,细胞以活体状态存在;第二阶段为不可逆衰老阶段,细胞器裂解,细胞衰退, PCD发生,其中液泡的裂解和染色质降解形成的DNA片段是PCD开始发生的标志。
胞间基质相互作用,为细胞的分化、生长和死亡提供必需的信号。
MMP为基质金属蛋白酶(matrix metallopro-tease)可降解基质。
Delorme等[4]在黄瓜叶片衰老的后期检测到一种基质金属蛋白酶CS1-MMP,它是一种前体酶,须经过修饰才能活化,其表达早于DNA片段化的出现,但不参与衰老中营养物质的运转,可能与PCD的发生有关。
由此认为:PCD可能只在衰老的末期发生,即植物衰老达到一个不可逆的点,这个点的出现标志着PCD的发生。
Rao和Davis发现[5]:缺少脱落酸(SA)信号传导途径的拟南芥突变体pad4,其叶片长时间保持黄化状态,细胞死亡速度比野生型慢得多,而野生型拟南芥SA信号传导途径中被诱导表达的一个衰老特异基因SAG12只在衰老晚期的黄化组织中表达,推测植物衰老前期产生的SA信号可诱导下一步的PCD,SAG12可能在衰老后期的PCD过程中起关键作用。
1.2自由基与衰老
植物体内的自由基是指植物代谢过程中产生的O·-2、OH·等活性氧基团或分子,当它们在植物体内引发的氧化性损伤积累到一定程度,植物就出现衰老,甚至死亡。
但生物在长期进化过程中在体内形成了一套抗氧化保护系统,通过减少自由基的积累与清除过多的自由基两种机制来保护细胞免受伤害。
生物体内的抗氧化剂主要有两大类,一是抗氧化酶类,主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POX)等;二是非酶类抗氧化剂,主要有维生素E、维生素C、谷胱甘肽(GSH)等。
许多研究表明,在缺氧条件下,生物体内SOD、CA T活性下降。
对菜豆子叶超氧化物歧化酶活性研究发现,其SOD活性随组织衰老而下降,表明植物组织酶的清除能力随年龄增加而下降[6]。
已有的证据显示,自由基、活性氧对植物的损害作用主要表现在生物膜损伤、呼吸链损伤、线粒体DNA损伤等。
大多数研究集中在活性氧所引发的膜脂过氧化方面。
膜脂过氧化即自由基(O·-2、OH·等)对类脂中不饱和脂肪酸引起的一系列自由基反应。
脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)是一种氧合酶,专门催化具有顺-1,4戊二烯结构的不饱和脂肪酸的加氧反应,其中间产物自由基和最终产物丙二醛都会严重地损伤生物膜。
丙二醛具有强交联性质,能与蛋白质、核酸游离的氨基结合,形成具有荧光的Schif碱,称为类脂褐色素(1ipofuscin-like pigment, LEP),是不溶性化合物,干扰细胞内正常生命活动代谢。
同时,丙二醛与生物膜中结构蛋白和酶的交联,破坏它们的结构和催化功能[7]。
活性氧、自由基还能直接与核酸分子作用,使碱基羟基化,发生突变,从而改变核酸的结构。
用自旋捕集技术和ESR法,通过研究紫外线辐射核黄素产生的超氧阴离子自由基(O·-2)等活性氧与嘧啶碱基及核苷的反应,发现该反应不是直接进行,而是通过羟自由基来实现的。
线粒体呼吸链是细胞内自由基的主要发生器之一,它本身易被自由基损伤。
在衰老的植物组织中电子传递链的失衡使得部分电子泄露给O2,呼吸链电子传递出现短路,其结果使ATP生成减少,O·-2等活性氧的产生增加,从而影响细胞的功能[8]。
2与植物衰老相关的基因
衰老是一种基因编码的程序性事件,衰老期间有新蛋白质的合成和原有蛋白质种类的增减。
人们已从拟南芥、大麦、玉米、番茄等植物中克隆出许多与衰老有关的基因。
在衰老过程中正调节表达的基因,称衰老上调基因,如SAG12、SAG13、LSC54。
β-半乳糖苷酶基因参与类囊膜主要组分(半乳糖脂)的降解产物(半乳糖)的动员。
陈昆松等[9]从中华猕猴桃果实中克隆到了一个β-半乳糖苷酶基因cDNA片段,分析结果表明β-半乳糖苷酶在猕猴桃果实后熟软化的启动阶段起作用。
在衰老过程中表达下降的基因则被称为衰老下调基因( senescence down regulated genes,SDGs),如编码与光合过程有关的蛋白质[(叶绿素a、b集光复合体、rbcL、rbcS (2,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶大亚基、小亚基)、电子传递体(petB)、光合系统(psbA )]的转录随叶片衰老急剧下降。
3展望
衰老的原因可能由多种因素引起,所以存在多种有关衰老的理论,这些理论彼此并不完全孤立。
目前对植物衰老机制的认识还很肤浅,在许多方面需进一步深入研究,应用分子生物学和细胞生物学等当代最新技术,在分子水平、亚细胞水平上深入揭示不同器官、组织及不同细胞衰老机制及其与衰老关系,尤其是揭示衰老的启动、发生、发展规律等,才能彻底了解植物衰老的机制。