北京林大《Plant Cell》解析植物细胞程序化死亡

　　

生物通报道：2014年7月10日，国际植物学领域著名期刊《Plant Cell》（5年影响因子为10.125）在线发表了北京林业大学的一项最新研究成果“The Cysteine Protease CEP1, a Key Executor Involved in Tapetal Programmed Cell Death, Regulates Pollen Development in Arabidopsis”，该研究不仅首次阐述了半胱氨酸蛋白酶在绒毡层细胞的适时降解过程中的关键控制作用，而且证明了papain类蛋白酶是植物细胞PCD的关键控制基因，为进一步分析植物细胞PCD的调控机制，提供了有益而重要的理论参考。

本文通讯作者为北京林业大学生命科学与技术学院陆海教授，其1996年本科毕业于吉林大学，2002年在北京林业大学获博士学位，2001年至2002年为加拿大林务局大西洋林业中心访问学者，2002年至今为北京林业大学生命科学与技术学院教师。研究方向为树木生长发育与木材形成的分子机制，作为项目主持人，曾主持国家自然科学基金青年基金、面上项目、教育部科学技术研究重点项目、国家973重大基础研究子专题等多项科研工作。先后获得教育部新世纪优秀人才支持计划（2009）、北京市科技新星计划（2005）等人才培养项目支持。相关研究成果在《Journal of Experimental Botany》、《Plant Breeding》、《Molecule Biology Reports》、《Tree physiology》、《BIOCHIMIE》、《Biotechnology letter》、《Plant Cell》等国内外不同学科学术刊物上发表学术论文多篇。北京林业大学博士生张丹丹是该文第一作者。

对于大多数被子植物来说，要想繁殖成功，就需要花药中适当的花粉发育和释放。可育花粉在花药室中形成，依赖于周围孢子体组织的营养贡献，其中从外到内有四个体细胞层：表皮、内层、中间层和绒毡层。尤其是绒毡层，其在小孢子的发育过程中，起着至关重要的分泌作用。

绒毡层细胞程序化死亡（programmed cell death，PCD）是被子植物花粉发育的先决条件，蛋白酶，特别是半胱氨酸蛋白酶，是参与植物PCD最普遍的水解酶，它属于一个大的酶家族，存在于动物、植物、和微生物中，在细胞内蛋白质降解和生物体PCD中发挥重要的作用。然而，半胱氨酸蛋白酶在PCD中的确切作用仍不明确。一个原因是因为，这种蛋白酶家族成员普遍存在表达模式和生化功能的冗余。

植物花药绒毡层的降解是一个典型的PCD过程。花药绒毡层的适时降解是花粉成熟所必须的，可以为花粉的发育和成熟提供营养物质。绒毡层细胞PCD的提前或延后都会导致花粉发育的异常。目前，许多参与绒毡层细胞PCD调控作用的转录因子和功能基因已被证实和鉴定。然而，该过程的实际控制和执行因子一直没有得到明确阐述。

在这项研究中，研究人员以拟南芥花药为实验材料，使用投射电镜、扫描电镜、TUNEL分析、ELISA、Western blott等实验技术，详细比较了拟南芥野生型、突变体、过表达等不同株系中花药绒毡层的PCD过程，结果发现半胱氨酸蛋白酶基因CEP1控制花药绒毡层的PCD进程，是该过程的主要执行者和控制者。

研究人员进一步使用荧光定量PCR、免疫电镜、原位杂交、GFP荧光定位等技术对CEP1的表达特性进行分析，结果表明CEP1的表达时期和表达量受到精确控制。该基因在绒毡层细胞中特异性表达。CEP1最初以无活性的酶原形式存在于液泡中，随后在酸化的液泡中自催化形成成熟酶，并释放到细胞质和细胞壁中，参与绒毡层细胞降解。在绒毡层细胞降解后期，该酶被分泌到花粉细胞外壁，参与花粉的成熟。体外酶学催化和抑制剂实验分析表明该蛋白酶属于papain类半胱氨酸蛋白酶。RNA-seq技术分析表明CEP1不仅直接参与细胞内和细胞壁蛋白的降解，而且通过影响质体形成、油脂合成等相关基因的表达来控制绒毡层细胞的降解和花粉成熟。

该项研究工作不仅首次阐述了半胱氨酸蛋白酶在绒毡层细胞的适时降解过程中的关键控制作用，为进一步从细胞及分子水平上阐明植物花药绒毡层PCD和花粉成熟的调控机制奠定了重要的理论基础，而且证明了papain类蛋白酶是植物细胞PCD的关键控制基因，为进一步分析植物细胞PCD的调控机制，提供了有益而重要的理论参考。

（生物通：王英）

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生物通推荐原文摘要：
The Cysteine Protease CEP1, a Key Executor Involved in Tapetal Programmed Cell Death, Regulates Pollen Development in Arabidopsis
Abstract：Tapetal programmed cell death (PCD) is a prerequisite for pollen grain development in angiosperms, and cysteine proteases are the most ubiquitous hydrolases involved in plant PCD. We identified a papain-like cysteine protease, CEP1, which is involved in tapetal PCD and pollen development in Arabidopsis thaliana. CEP1 is expressed specifically in the tapetum from stages 5 to 11 of anther development. The CEP1 protein first appears as a proenzyme in precursor protease vesicles and is then transported to the vacuole and transformed into the mature enzyme before rupture of the vacuole. cep1 mutants exhibited aborted tapetal PCD and decreased pollen fertility with abnormal pollen exine. A transcriptomic analysis revealed that 872 genes showed significantly altered expression in the cep1 mutants, and most of them are important for tapetal cell wall organization, tapetal secretory structure formation, and pollen development. CEP1 overexpression caused premature tapetal PCD and pollen infertility. ELISA and quantitative RT-PCR analyses confirmed that the CEP1 expression level showed a strong relationship to the degree of tapetal PCD and pollen fertility. Our results reveal that CEP1 is a crucial executor during tapetal PCD and that proper CEP1 expression is necessary for timely degeneration of tapetal cells and functional pollen formation.