細(xì)胞程序化死亡（PCD）是動植物等多細(xì)胞生物體在發(fā)育過程中或在某些環(huán)境因子的作用下發(fā)生的受基因調(diào)控的主動死亡過程。蛋白酶，特別是半胱氨酸蛋白酶，在此過程中起重要作用。然而，由于蛋白酶基因家族成員普遍存在表達(dá)模式和生化功能的冗余，其分子機(jī)制很難得到準(zhǔn)確鑒定。
植物花藥絨氈層的降解是一個典型的PCD過程?；ㄋ幗q氈層的適時降解是花粉成熟所必須的，可以為花粉的發(fā)育和成熟提供營養(yǎng)物質(zhì)。絨氈層細(xì)胞PCD的提前或延后都會導(dǎo)致花粉發(fā)育的異常。目前，許多參與絨氈層細(xì)胞PCD調(diào)控作用的轉(zhuǎn)錄因子和功能基因已被證實(shí)和鑒定。然而，該過程的實(shí)際控制和執(zhí)行因子一直沒有得到明確闡述。
陸海教授的課題組以擬南芥花藥為實(shí)驗(yàn)材料，使用透射電鏡、掃描電鏡、、TUNEL分析、ELISA、Western blotting等技術(shù)，詳細(xì)比較了擬南芥野生型、突變體、過表達(dá)等不同株系中花藥絨氈層的PCD過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)半胱氨酸蛋白酶基因CEP1控制花藥絨氈層的PCD進(jìn)程，是該過程的主要執(zhí)行者和控制者。進(jìn)一步使用熒光定量PCR、免疫電鏡、原位雜交、GFP熒光定位等技術(shù)對CEP1的表達(dá)特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明CEP1的表達(dá)時期和表達(dá)量受到精確控制。該基因在絨氈層細(xì)胞中特異性表達(dá)。CEP1最初以無活性的酶原形式存在于液泡中，隨后在酸化的液泡中自催化形成成熟酶，并釋放到細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞壁中，參與絨氈層細(xì)胞降解。在絨氈層細(xì)胞降解后期，該酶被分泌到花粉細(xì)胞外壁，參與花粉的成熟。體外酶學(xué)催化和抑制劑實(shí)驗(yàn)分析表明該蛋白酶屬于papain類半胱氨酸蛋白酶。RNA-seq技術(shù)分析表明CEP1不僅直接參與細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞壁蛋白的降解，而且通過影響質(zhì)體形成、油脂合成等相關(guān)基因的表達(dá)來控制絨氈層細(xì)胞的降解和花粉成熟。
該項研究工作不僅首次闡述了半胱氨酸蛋白酶在絨氈層細(xì)胞的適時降解過程中的關(guān)鍵控制作用，為進(jìn)一步從細(xì)胞及分子水平上闡明植物花藥絨氈層PCD和花粉成熟的調(diào)控機(jī)制奠定了重要的理論基礎(chǔ)，而且證明了papain類蛋白酶是植物細(xì)胞PCD的關(guān)鍵控制基因，為進(jìn)一步分析植物細(xì)胞PCD的調(diào)控機(jī)制提供了有益而重要的理論參考。
上述研究成果于2014年7月17日在植物學(xué)領(lǐng)域重要學(xué)術(shù)期刊The Plant Cell在線發(fā)表，該期刊5年影響因子為10.125。這是北京林業(yè)大學(xué)首次作為獨(dú)立單位在The Plant Cell上發(fā)表原創(chuàng)性成果。北京林業(yè)大學(xué)博士生張丹丹是該文的第一作者。北京林業(yè)大學(xué)青年教師劉頔是該文的并列第一作者。該項工作得到了國家自然科學(xué)基金計劃的資助。
論文鏈接：
http://www.plantcell.org/content/early/2014/07/17/tpc.114.127282.short?keytype=ref&ijkey=JzhobftjEbaU7j2
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