陆海教授团队在植物绒毡层细胞程序化死亡机制研究取得重要进展
来源: 生物学院 作者：生物学院 浏览次数： 发表时间(2014-08-06)
细胞程序化死亡（PCD）是动植物等多细胞生物体在发育过程中或在某些环境因子的作用下发生的受基因调控的主动死亡过程。蛋白酶，特别是半胱氨酸蛋白酶，在此过程中起重要作用。然而，由于蛋白酶基因家族成员普遍存在表达模式和生化功能的冗余，其分子机制很难得到准确鉴定。
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。
陆海教授的课题组以拟南芥花药为实验材料，使用透射电镜、扫描电镜、、TUNEL分析、ELISA、Western blotting等技术，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。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。
上述研究成果于2014年7月17日在植物学领域重要学术期刊The Plant Cell在线发表，该期刊5年影响因子为10.125。这是北京林业大学首次作为独立单位在The Plant Cell上发表原创性成果。北京林业大学博士生张丹丹是该文的第一作者。北京林业大学青年教师刘頔是该文的并列第一作者。该项工作得到了国家自然科学基金计划的资助。