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植物分泌机构的发育机制研究

来源:原创论文网 添加时间:2020-02-22

  摘    要: 分泌腔是种子植物体内短轴囊状的细胞间隙,主要积累挥发油类、香豆素类、黄酮苷类、酚类、蒽醌类、生物碱等次生代谢物质,具有驱虫、抗病菌等化学防卫作用,以及食品、制药、工业等应用价值。本研究对分泌腔结构的发育、分泌物质的合成与转运及分泌腔的发育机制进行综述,并对分泌腔研究中存在的问题及未来方向进行展望,以期为解析植物分泌结构的发育机制及其次生代谢物质的合成、运输和积累机制提供参考。

  关键词: 植物; 分泌腔; 次生代谢物质; 发育机制;

  Abstract: Secretory cavity is the saccate intercellular space in the seed plants,which mainly accumulates secondary metabolites such as volatile oils,coumarins,flavonoid glycosides,phenols,anthraquinones,alkaloids,etc. These secondary metabolites could chemically resist insects,bacteria and fungi in the plant,and also be applied in food,pharmacy and industry. The advances in research of the development of secretory cavity structure,synthesis and transport of secretions and mechanisms of secretory cavity development were reviewed in this paper. The problems in the research of secretory cavity were also discussed and its future research directions were prospected. The paper would provide useful information to decrypt the mechanisms of secretory structure development,and synthesis,transport and accumulation of secondary metabolites in plant.

  Keyword: Plant; Secretory cavity; Secondary metabolites; Developmental mechanism;

  植物分泌结构(secretory structure)是一类能够产生分泌物质的细胞或细胞组合,可以分泌蜜汁、黏液、乳汁、树脂、挥发油类、盐类、消化液等物质。根据分泌物质是否排出植物体外,可将分泌结构分为外分泌结构和内分泌结构。外分泌结构分布于植物体表,能将分泌物排出体外,如腺毛、蜜腺、排水器、盐腺、消化腺等;内分泌结构及其分泌物质一般存在于植物体内,如分泌细胞、分泌腔、分泌道、乳汁管等[1]。

  分泌腔(secretory cavity)又称分泌囊(secretory sac),是植物体内储藏分泌物质的近圆形的细胞间隙,存在于芸香科(Rutaceae)、藤黄科(Hypericaceae)、桃金娘科(Myrtaceae)、豆科(Leguminosae)、紫金牛科(Myrsinaaceae)等植物中,如柑橘属(Citrus)植物外果皮中的油胞、花椒属(Zanthoxylum)果实的油腔、棉属(Gossypium)植物的棉酚腺体等[1,2]。分泌腔主要积累挥发油类、香豆素类、黄酮苷类、酚类、蒽醌类、生物碱等次生代谢物,这些物质对植物本身大多具有驱虫、抗病菌等化学防卫作用,此外,部分物质还具有特殊香气、药用价值或其它特性,因而被应用于食品、制药、化妆品等领域[2,3]。分泌腔一般由一层或多层分泌细胞(上皮细胞)围成腔隙,分泌细胞产生分泌物质,并在腔隙内释放和积累;分泌细胞外部再由薄壁组织的多层扁平鞘细胞包围[2]。柑橘属果实的分泌腔结构中除圆球形的腔隙(球区)外,还可以观察到一个圆锥形的帽区与表皮相连[2,4]。本研究从分泌腔的发生发育,次生代谢物质的合成、运输和积累等方面进行综述,旨在解析其生物学机制,并为次生代谢物质的生产和工业应用提供参考。

  1 、分泌腔的发生和发育

  分泌腔起源于原始细胞团。与周围细胞相比,这些原始细胞的体积较小、细胞核较大、细胞质较浓厚[4,5,6]。分泌腔的发生方式可分为裂生(schizogenous)、溶生(lysigenous)和裂溶生(schizolysigenous)[2]。裂生分泌腔是由细胞胞间层分开而形成的腔隙,腔隙周围的上皮细胞通常完整。溶生分泌腔是细胞破毁或溶解形成的间隙。裂溶生分泌腔的发生发育兼具裂生和溶生过程,首先是细胞胞间层分开,之后其间隙周围的细胞解体形成腔隙。成熟溶生和裂溶生分泌腔腔隙四周的上皮细胞多呈破损状[2,7]。

  植物分泌腔的发生和发育是复杂的生命过程,在植株不同发育时期、不同生长部位可能存在不同表现。王贺等[8]发现花椒(Zanthoxylum bungeanum Maxim.)子房有初生和次生两种分泌腔,初生分泌腔只有1个,位于子房壁背缝线处的薄壁组织中,随子房发育成果实而逐渐衰老、退化,次生分泌腔有多个,在中果皮内发育而成,常排列成一环;两种分泌腔均在表皮下1~3层基本组织中裂生形成。胡正海等[5]证实枳(Poncirus trifoliata L.)果皮分泌腔有多轮发育,当第一轮裂生的分泌腔达到旺盛分泌阶段时,其与外表皮细胞之间的薄壁组织内又开始新一轮的裂生分泌腔发育,最终可分化出2~3轮分泌腔。吴茱萸[Evodia rutaecarpa(Juss.)Benth.]叶片和茎中分泌腔形成过程中,未观察到细胞溶解现象,属于裂生形成[9];而果实分泌腔则观察到裂生[10]和裂溶生[11]两种发生方式。荷花玉兰(Magnolia grandiflora L.)叶片的生长发育可大致分为分生组织、幼叶和成熟叶3个阶段。徐爽等[12]研究发现,在荷花玉兰叶片分生组织阶段,下表皮下2~3层可观察到1行由7~10个分泌细胞构成的溶生型分泌腔,这些分泌腔在幼叶阶段逐渐退化,成熟叶片中完全消失,但其逐渐消失的原因尚不清楚。棉酚可以减少病、虫对棉花的侵害,但对人类和单胃动物有毒害作用,这限制了棉籽蛋白、棉籽油等的有效利用。野生二倍体棉种澳洲棉(Gossypium australe)、比克氏棉(Gossypium bickii Prokh.)和斯特提棉(Gossypium sturtianum)等具有子叶分泌腔延缓形成性状,即休眠种子中无肉眼可见的分泌腔,也检测不到棉酚;种子萌发后植株的根、茎、叶等器官中逐渐形成分泌腔和积累棉酚。这一特性对于培育种子无棉酚腺体而植株有棉酚腺体的棉花品种、提高棉籽综合利用价值具有重要意义[13]。
 

植物分泌机构的发育机制研究
 

  先进的仪器及实验技术,有助于解析分泌腔发育的过程及本质。过去一些研究认为,柑橘属植物分泌腔只有球区结构,其起源于距离表皮较远的薄壁组织细胞。后续研究表明,在制作切片时直接切到分泌腔中轴线位置才能观察到明显的帽区结构。分泌腔起源于靠近表皮的原始细胞团,通过帽区与表皮细胞相连[2,4]。很长一段时间,人们公认柑橘属果实分泌腔是溶生形成的典型例子[1]。Turner等[14]研究指出,将试验材料浸入固定剂时,表皮细胞膨胀过快会破坏细胞结构,造成柑橘属植物分泌腔溶生的假象。后续研究亦证实,柑橘属分泌腔是以裂溶生方式形成的[4,15,16]。广佛手(Citnus medica var.sarcodactylis)分泌腔发育前期果胶酶的活动导致产生胞间隙,随后纤维素酶使大量细胞破毁,从细胞化学角度证实了广佛手分泌腔是以先裂后溶的裂溶生方式形成的[16]。前人研究棉花分泌腔发育时多采用石蜡切片法,石蜡包埋剂会引起细胞破裂而出现溶生的假象。焦铸锦等[17]采用树脂包埋剂,结合细胞超微结构观察,验证了棉花分泌腔形成过程中的确存在明显的细胞解体现象,棉花分泌腔属于溶生形成。Goodger等[18]利用黑曲霉(Aspergillus niger)产生的果胶酶消化桉属(Eucalyptus)植物叶片,得到了结构完整的分泌腔。Voo等[19]利用激光显微解剖和压力弹射方法获得了西柚(Citrus×paradisi‘Duncan’)果皮分泌腔完整的上皮细胞。这些新技术以分泌腔或其构成细胞为单位,从生理生化、分子生物学等多角度探析,为分泌腔发育机制研究提供了崭新思路和可借鉴的技术手段。

  2 、分泌细胞中分泌物质的合成及转运

  分泌腔发育过程中,分泌细胞中显着变化的细胞器可能与分泌物的合成及转运有关。脂类物质在分泌细胞中的具体合成部位始终存在争论[2],在分泌腔发育的相关研究中也没有得到一致结论。总体来说,较多研究结果支持质体是脂类产生的主要部位。超微结构和组织化学观察表明,花椒和吴茱萸分泌腔发育过程中,分泌细胞中质体的体积和数量逐渐增加,基质中还出现脂滴(嗜锇滴),周围细胞质中有油滴分布,表明质体是精油合成的主要场所[10,20]。根据生姜(Zingiber officinale Roscoe)根茎分泌腔发育过程中嗜锇滴的分布和变化推测,线粒体和质体是精油的主要合成部位,内质网参与精油的合成和转运[21]。银杏(Ginkgo biloba L.)和菊科植物Porophyllum lanceolatum DC.分泌腔发育过程中可观察到质体、内质网、线粒体、高尔基体和小液泡上均有嗜锇物质分布,这些细胞器可能都参与了分泌物的合成和转运[22,23]。陆地棉(Gossypium hirsutum L.)叶片分泌腔的发育过程中,黑色的棉酚沉淀物质出现在细胞质中,并逐渐增多,但其它细胞器(如质体或内质网)中始终未能观察到黑色沉淀,推测棉酚最初可能是在细胞质中自由形成[24]。

  3、 分泌腔发育机制的研究

  3.1 、溶生和裂溶生分泌腔发育过程中的细胞程序性死亡

  细胞程序性死亡(programmed cell death,PCD)是植物清除多余或有害细胞的一种基础生命活动,在生长发育、组织分化、细胞群体平衡以及免疫反应等过程中均发挥重要作用[25]。溶生和裂溶生分泌腔发育过程中可观察到PCD现象,主要表现在:细胞壁膨胀,细胞和细胞核皱折扭曲,细胞质浓缩,细胞核染色质凝聚和边缘化,DNA断裂和降解,内质网扩增,囊泡增加,液泡破裂,膜结构弥散,线粒体、质体等细胞器降解等[4,6,26]。

  柑橘属植物裂溶生分泌腔发育过程中,最早的腔隙由上皮细胞中间层裂生分离形成,原始细胞中细胞核形态也没有明显变化,但TUNEL信号为阳性[4,15,27]。陆地棉溶生分泌腔原始细胞中和白藓(Dictamnus dasycarpus)溶生分泌腔原始细胞团形成后期也能检测到TUNEL信号[6,26]。表明分泌腔形成过程中,DNA断裂发生较早。之后,伴随着腔隙的出现,DNA开始发生片段化,至分泌腔扩大阶段逐渐溶解[4,6,15]。

  液泡破裂是植物PCD的重要特征。液泡中可能含有DNases、RNases、蛋白酶等水解酶类,其在植物PCD过程中采用类似自噬的方式,破裂释放水解酶类,从而消化细胞组分[28]。甜橙(Citrus sinensis L.)和化橘红(Citrus grandis cv.Tomentosa)果实分泌腔PCD过程中,也观察到在腔隙扩大阶段液泡破裂,随后线粒体、内质网、质体等细胞器相继溶解[4,15]。陆地棉分泌腔形成过程中,分泌细胞和鞘细胞液泡内还可观察到大量的电子致密的小体结构和膜状的自溶体,表明细胞质降解过程中,细胞自噬起关键作用[6,24]。

  Ca2+不仅是细胞壁和膜系统的重要组分,也是PCD中重要的信号分子[29]。甜橙果实分泌腔发育过程中,Ca2+在细胞核聚集,可能激活分泌腔细胞程序性死亡,更多Ca2+积累可以调控细胞核内DNA的降解[27]。

  Caspase 3-like蛋白酶参与内质网应激(endoplasmic reticulum stress,ERS)PCD和活性氧(reactive oxygen species,ROS)诱导PCD等生命活动[30]。化橘红分泌腔形成过程中,Caspase 3-like在细胞核和细胞质中都存在,可能参与细胞核降解、染色质凝集和边缘化、DNA片段化、细胞器降解等PCD过程[15]。

  3.2 、分泌腔发育相关基因的研究

  分泌腔相关的基因研究,多集中于次生代谢物质合成关键基因的克隆、利用、功能分析及代谢路径分析[18,31,32,33]等方面。次生代谢物质伴随分泌腔的发育而产生,但是否影响分泌腔的发育还有待商榷。Ma等[34]研究表明,敲除控制分泌腔发育的基因可显着降低棉酚含量,但敲除棉酚代谢关键基因并不影响分泌腔发育。因此,研究调控分泌腔发育的关键基因更具有理论意义和应用价值。利用传统遗传学手段,棉花中已明确控制分泌腔有无的基因位点有6个(gl1~gl6),且有些位点还存在相应的复等位基因[35]。目前已克隆了1个不完全显性基因Gl2e,命名为GoPGF,它是首个克隆的控制植物分泌腔形成的基因,编码1个bHLH转录因子,可能通过作用于G-box基序调控WRKY、JAZ、TPS等基因的表达,进而控制分泌腔细胞的分化以及棉酚代谢[34]。沉默GoPGF基因,植株表现为无分泌腔,棉酚含量显着降低;而胚细胞中超表达GoPGF可显着提高棉酚含量;GoPGF在A亚组和D亚组中存在同源基因,但序列存在突变[34,36]。野生二倍体棉种比克氏棉(G染色体组)中的GoPGF也被证实参与分泌腔的形成[13]。

  4、 展望

  目前,植物分泌腔发育相关的研究多集中在解剖结构、超微结构、组织化学、PCD等方面,且以芸香科植物的研究相对系统,基因克隆和功能验证方面则以棉属植物的研究进展较快,其它植物可以借鉴已有的研究方法和结果来解决诸如分泌腔的发生方式、同源功能基因发掘等尚未明确或存在争论的问题。分泌物质的合成与转运的研究在分泌细胞、分泌腔、分泌道、分泌细胞团等分泌结构中均有较多报道[2],但脂类代谢物的合成部位及转运方式,目前尚无统一结论,有待于开发亚细胞水平的生物化学方法,结合分泌腔分离技术、分子生物学等手段解决这一难题。目前仅棉花中克隆了1个控制分泌腔发育的基因[34],调控通路也需进一步明确和验证,其它植物分泌腔发育的遗传学和分子机制方面的研究较少,但可以借鉴分泌腺毛[3,37]等分泌结构的研究思路与结果,加速分泌腔发育机制的研究进程。另外,一种与分泌腔功能不同的通气薄壁组织(aerenchyma),与分泌腔的形态结构相似,且都存在裂生、溶生等发生方式以及PCD现象[4],其发育的分子机制已进行了较系统和深入的研究[38,39],亦可以为分泌腔的相关研究提供参考。

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