药用植物研究中心吴鸿团队在柑橘属果实分泌囊发育研究中取得新进展

近日，我校生命科学学院吴鸿教授课题组，在国际著名学术期刊Tree Physiology（林学一区Top期刊，doi: 10.1093/treephys/tpad122.）在线发表了题为“Ca²⁺- and Zn²⁺-dependent nucleases co-participate in nuclear DNA degradation during programmed cell death in secretory cavity development in Citrus fruits”的研究论文，首次揭示了Ca²⁺依赖和Zn²⁺依赖的核酸酶在时空上协同参与柑橘植物果实分泌囊细胞PCD中的细胞核DNA降解过程。吴鸿教授、白玫副教授为共同通讯作者，梁敏坚博士、怀斌博士和硕士生林俊君为共同第一作者。

分泌囊是植物普遍具有的典型结构特征，其发生方式可作为植物分类和探讨演化的佐证，也是重要药用成分合成积累场所。芸香科柑橘属植物分泌囊的发生方式长期以来存在争论，其中教科书通常将其描述为溶生型。十余年来，吴鸿课题组通过细胞生物学、生物化学、分子生物学等多种实验技术和手段，对分泌囊的起源与形成进行了系统深入研究，全方位解析了植物细胞凋亡过程中细胞核降解、液泡和细胞壁破毁的机制。通过酶细胞化学揭示柑橘属分泌囊是以裂溶生方式发生（Liang et al., 2009, Trees-Structure and Function）；通过细胞化学证明细胞程序性死亡参与了分泌囊细胞的破毁过程（Chen and Wu, 2010, Chinese Science Bulletin）；通过分子生物学和免疫细胞化学证明Ca²⁺依赖的核酸酶、Zn²⁺依赖的核酸酶和Caspase-3-like蛋白酶参与到细胞核降解过程（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）；果胶酶和纤维素酶参与分泌囊细胞PCD中的细胞壁降解（Tong et al., 2020, Plant Science）；液泡加工酶参与液泡破毁（Huai et al.,2023, International Journal of Molecular Biology）。

已有基于生物化学的研究，推测Ca²⁺依赖和Zn²⁺依赖的核酸酶协同参与细胞核DNA的降解过程。然而两者在分泌囊细胞PCD期间的时空特征缺乏细胞学资料支撑。本研究运用分子生物学和免疫细胞化学技术，特别是对Ca²⁺依赖和Zn²⁺依赖的核酸酶进行细胞内同步标记，揭示出在分泌囊发育过程中，Ca²⁺依赖和Zn²⁺依赖的核酸酶在时间和空间上协同作用，共同参与了细胞核DNA的降解。在分泌囊发育的原始细胞中期，细胞核中大量的Ca²⁺聚集在中性pH环境中激活了Ca²⁺依赖的核酸酶参与DNA降解，产生DNA大片段。到原始细胞后期，Zn²⁺依赖的核酸酶大量合成，较多地分布在细胞核中，部分储存在液泡中。此时部分Zn²⁺转运至细胞核中，Zn²⁺激活Zn²⁺依赖的核酸酶在中性pH环境中开始降解DNA大片段。直至腔隙形成期，细胞核基本降解。此时，液泡膜开始裂解，释放Zn²⁺依赖的核酸酶且导致细胞质酸化。丰富的Zn²⁺依赖的核酸酶依赖Zn²⁺在酸性pH环境中快速降解残留核区域中大量的DNA片段。该研究首次报道了不同离子依赖型核酸酶在PCD中细胞核DNA降解过程中的协同作用的模式，为深入研究植物细胞PCD中细胞核的降解提供了新的实验证据。

图1 Ca²⁺依赖和Zn²⁺依赖的核酸酶协同参与柑橘植物分泌囊细胞PCD中的细胞核DNA降解过程的模式图

本研究得到广东省“十四五”农业科技创新十大主攻方向项目、广东省重点领域科技发展计划、国家自然科学基金、广东省现代农业产业科技创新团队专项基金的资助。

文/图 生命科学学院 梁敏坚