近日，我校生命科學學院吳鴻教授課題組，在國際著名學術期刊Tree Physiology（林學一區(qū)Top期刊）在線發(fā)表了題為“Ca²⁺ - and Zn²⁺ -dependent nucleases co-participate in nuclear DNA degradation during programmed cell death in secretory cavity development in Citrus fruits”的研究論文(論文鏈接:https://academic.oup.com/treephys/advance-article/doi/10.1093/treephys/tpad122/7280230?login=true)，首次揭示了Ca²⁺依賴和Zn²⁺依賴的核酸酶在時空上協(xié)同參與柑橘植物果實分泌囊細胞PCD中的細胞核DNA降解過程。

分泌囊是植物普遍具有的典型結(jié)構特征，其發(fā)生方式可作為植物分類和探討演化的佐證，也是重要藥用成分合成積累場所。蕓香科柑橘屬植物分泌囊的發(fā)生方式長期以來存在爭論，其中教科書通常將其描述為溶生型。十余年來，吳鴻課題組通過細胞生物學、生物化學、分子生物學等多種實驗技術和手段，對分泌囊的起源與形成進行了系統(tǒng)深入研究，全方位解析了植物細胞凋亡過程中細胞核降解、液泡和細胞壁破毀的機制。通過酶細胞化學揭示柑橘屬分泌囊是以裂溶生方式發(fā)生（Liang et al., 2009, Trees-Structure and Function）；通過細胞化學證明細胞程序性死亡參與了分泌囊細胞的破毀過程（Chen and Wu, 2010, Chinese Science Bulletin）；通過分子生物學和免疫細胞化學證明Ca²⁺依賴的核酸酶、Zn²⁺依賴的核酸酶和Caspase-3-like蛋白酶參與到細胞核降解過程（Liu et al., 2012; Zheng et al., 2014, Trees-Structure and Function; Bai et al., 2020, Journal of Experimental Botany; Huai et al., 2020, Plant Phyisology and Biochemistry; Liang et al., 2021, Cells）；果膠酶和纖維素酶參與分泌囊細胞PCD中的細胞壁降解（Tong et al., 2020, Plant Science）；液泡加工酶參與液泡破毀（Huai et al.,2023, International Journal of Molecular Biology）。

已有基于生物化學的研究，推測Ca²⁺依賴和Zn²⁺依賴的核酸酶協(xié)同參與細胞核DNA的降解過程。然而兩者在分泌囊細胞PCD期間的時空特征缺乏細胞學資料支撐。本研究運用分子生物學和免疫細胞化學技術，特別是對Ca²⁺依賴和Zn²⁺依賴的核酸酶進行細胞內(nèi)同步標記，揭示出在分泌囊發(fā)育過程中，Ca²⁺依賴和Zn²⁺依賴的核酸酶在時間和空間上協(xié)同作用，共同參與了細胞核DNA的降解。在分泌囊發(fā)育的原始細胞中期，細胞核中大量的Ca²⁺聚集在中性pH環(huán)境中激活了Ca²⁺依賴的核酸酶參與DNA降解，產(chǎn)生DNA大片段。到原始細胞后期，Zn²⁺依賴的核酸酶大量合成，較多地分布在細胞核中，部分儲存在液泡中。此時部分Zn²⁺轉(zhuǎn)運至細胞核中，Zn²⁺激活Zn²⁺依賴的核酸酶在中性pH環(huán)境中開始降解DNA大片段。直至腔隙形成期，細胞核基本降解。此時，液泡膜開始裂解，釋放Zn²⁺依賴的核酸酶且導致細胞質(zhì)酸化。豐富的Zn²⁺依賴的核酸酶依賴Zn²⁺在酸性pH環(huán)境中快速降解殘留核區(qū)域中大量的DNA片段。該研究首次報道了不同離子依賴型核酸酶在PCD中細胞核DNA降解過程中的協(xié)同作用的模式，為深入研究植物細胞PCD中細胞核的降解提供了新的實驗證據(jù)。

圖1 Ca²⁺依賴和Zn²⁺依賴的核酸酶協(xié)同參與柑橘植物分泌囊細胞PCD中的細胞核DNA降解過程的模式圖

吳鴻教授、白玫副教授為共同通訊作者，梁敏堅博士、懷斌博士和碩士生林俊君為共同第一作者。本研究得到廣東省“十四五”農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新十大主攻方向項目、廣東省重點領域科技發(fā)展計劃、國家自然科學基金、廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新團隊專項基金的資助。

文圖/生命科學學院 梁敏堅