首页 > 分享 > 生与死的问题：拟南芥中调节程序性细胞死亡的网络,The Plant Journal

生与死的问题：拟南芥中调节程序性细胞死亡的网络,The Plant Journal

花匠小妙招
2024-12-02 00:40

程序性细胞死亡（PCD）是由细胞本身激活的细胞自杀过程，作为生物体发育的一部分或响应环境线索（Locato＆De Gara，2018 ）。涉及 PCD 的植物发育过程的例子包括花粉管的 PCD 以防止自花授粉（Bosch 和 Franklin-Tong， 2008），以及气管元件分化为导水木质部导管（Ménard 和 Pesquet， 2015）。引发植物PCD的外部因素包括病原体：细胞在攻击部位激活PCD，以防止病原体吸收代谢物，从而防止病原体传播（Greenberg等，1994 ）。

该重点出版物的第一作者 Rory Burke 对植物细胞生物学非常着迷，尤其是在 PCD 等领域，目前对植物的理解落后于动物细胞（Locato & De Gara，2018 ）。为了攻读博士学位，他加入了都柏林大学学院 (UCD) 的 Joanna Kacprzyk 团队。Kacprzyk 在 UCD 攻读植物科学博士学位期间开发了一种体内根毛测定法，用于确定植物 PCD 的发生率（Hogg 等， 2011）。

PCD的过程很难在植物中进行分析，因为器官中只有少数细胞经历PCD，并且PCD响应环境刺激的确切时间过程尚不清楚。在应激处理后采集整个器官样本会混合处于 PCD 不同阶段的细胞，以及仅表现出应激反应的细胞。为了避免这种情况，伯克等人。使用拟南芥细胞悬浮培养物，其中可以通过化学或物理刺激在整个群体中同步诱导PCD。

作者使用了三种不同的 PCD 诱导剂：水杨酸，它触发 PCD 对病原体的反应（Brodersen 等， 2005）；热应激，诱导氧化应激依赖性 PCD（Vacca 等， 2004）；和临界培养物稀释，这被认为会破坏抑制默认死亡程序的细胞之间的生存信号（McCabe 等人， 1997）。为了区分活细胞、坏死细胞和进行 PCD 的细胞，他们使用了相差显微镜。在 PCD 中，原生质体凝结并从细胞壁上缩回（图 1a-c）。他们调整每种治疗方法以诱导高 PCD 率，但不诱导坏死，并对细胞培养物随时间的推移进行成像，以确定 PCD 率开始增加和细胞形态发生变化之前的时间点。为了鉴定受 PCD 调节的基因，而不是对治疗的应激反应，他们还分析了 PCD 诱导治疗和 PCD 抑制剂治疗后的转录组。

图1

在图查看器中打开微软幻灯片软件

拟南芥细胞悬浮培养物中调节程序性细胞死亡（PCD）的网络。

(a-c) 细胞形态；用荧光素二乙酸酯染色的活细胞 (a)，经过 PCD 处理的细胞，具有特征性的原生质体回缩（白色箭头，b）；坏死细胞（c）；比例尺 = 40 μm。

(d) 作为“核心”PCD 反应基础的基因调控网络；实线边缘代表共表达基因，虚线边缘代表预测的调控相互作用，点线边缘代表共定位基因。

(e) 与植物 PCD 相关的主要转录反应。

作者发现，只有少数基因在对所有三种 PCD 诱导剂的反应中存在差异表达，其中一种基因的转录丰度较高，而 10 个基因的转录丰度较低。转录本较低的基因包括编码参与 UV-B 胁迫或病原体防御下植物生存的蛋白质的基因，以及编码注释为参与 PCD 的蛋白质的基因。因此，决定细胞命运可能需要促生存和促死亡调节因子的平衡。然后，作者确定了一组核心 PCD 基因，定义为在具有 PCD 表型的样品和不具有 PCD 表型的样品的至少一半比较中差异表达的基因，并且显示出相同的表达水平变化方向。根据这些结果，他们使用注释为刺激特异性或“核心”PCD基因的候选基因列表推断出基因调控网络，并发现这些簇富含与细胞死亡相关的GO术语，例如“细胞死亡（调控）”，以及已知在植物中诱导 PCD 的条件，例如“细胞对缺氧的反应”。由簇中的基因丰富的其他 GO 术语指的是与植物 PCD 调节相关的过程，例如“细胞骨架组织”和“细胞周期控制”（图 1d），表明所识别的基因调节网络是 PCD 特有的。

通过分析核心 PCD 基因、其表达模式和核心基因调控网络，作者确定了与 PCD 早期阶段相关的三个关键转录变化类别：线粒体逆行信号传导改变、促生存反应抑制和细胞周期扰动。图 1e)。为了测试这些数据集是否也可用于识别 PCD 中的新基因，作者从核心 PCD 基因中选择了 20 个候选基因，并分析了各自拟南芥敲除突变体中根毛细胞的活力和形态。相对于 WT 中的细胞死亡，四种突变体在水杨酸或热处理后显示根毛中的细胞死亡减少，证实这些数据可用于识别新的 PCD 相关基因。对植物 PCD 发挥重要作用的过程（例如植物发育的不同方面、对非生物胁迫或病原体攻击的反应）的研究可能会受益于研究此类候选 PCD 基因。此外，通过了解植物中 PCD 的基因调控网络，可以了解植物对环境条件变化或化学处理的反应的转录分析，或不同植物基因型之间这些反应如何变化的转录分析。

作者乐观地认为，类似的方法可以识别建立细胞悬浮培养物的其他植物物种中的基因调控网络，并允许跨物种比较。了解 PCD 的调控甚至可能会影响作物产量。例如，根中的通气组织是由经历 PCD 的细胞形成的。通气组织起到气体管道的作用，为氧气输送到植物的水下部分提供了路线，并且是耐涝性的关键特征之一。Kacprzyk 的小组目前正在分析 PCD 的转录调控，该调控驱动大麦根部通气组织的形成。由于大麦是一种对涝渍敏感的作物，因此更多地了解通气组织的发育是如何调节的可能有助于开发更具弹性的品种。

"点击查看英文标题和摘要"