2022年4月6日，比利時根特大學Moritz K. Nowack等科研學者在國際著名期刊Current Biology發表題為“Autophagy promotes programmed cell death and corpse clearance in specific cell types of the Arabidopsis root cap”的研究論文。研究表明，擬南芥側根冠遠端邊緣的細胞死亡與自噬無關，而近端小柱根冠的細胞死亡和死亡細胞的清除需要自噬過程。
細胞自噬(autophagy)是真核生物中進化保守的、對細胞內物質進行週轉的重要過程。該過程將細胞成分靶向到細胞器溶酶體或液泡中，進而介導細胞成分的降解。在動物中，自噬一般與一些受調節的細胞死亡過程的調節有關。然而，自噬在植物的程式性細胞死亡（dPCD）中的作用仍然很少被研究。
本研究使用擬南芥根冠作為研究物件，研究了自噬在dPCD中的作用。在細胞死亡和細胞凋亡的共同作用下，擬南芥根冠器官的大小保持不變。植物中自噬過程受自噬相關基因ATG的控制。擬南芥突變體atg7-2，atg5-1，atg2-2自噬體形成減少，自噬的流向也出現了異常，流向液泡。研究者在突變體中，觀察自噬報告基因的呈現，顯示LRC細胞死亡之前以ATG5依賴的方式啟用自噬。觀察報告基因聚集位點和聚集數量，顯示在LRC和小柱細胞中執行dPCD之前，自噬就已經被激活了。
為了研究 dPCD 執行前自噬啟用的相關性，使用熒光素二乙酸酯（FDA）和碘化丙啶（PI）進行了活細胞和死細胞染色。在atg突變體和野生型植株中，遠端LRC的PCD無明顯差別。觀察染色發現，根表面PI染色死亡細胞的延時成像顯示野生型和atg2-2突變體之間沒有差異。這表明雖然在細胞死亡之前自噬增強，但遠端LRC中的dPCD和死亡細胞清除的發生獨立於自噬過程。進一步的結果表明自噬對根冠發育和分化都不是關鍵的，但自噬促進了近端LRC和小柱細胞中及時dPCD 的啟動。
為了檢測自噬參與清除根冠死亡細胞的清除，研究者在垂直瓊脂板上培養了atg突變體和野生型幼苗。在atg突變體中能統計數到明顯更多的PI染色的死亡小柱細胞。這表明野生型中細胞殘骸在迅速降解，而atg突變體中的細胞殘骸清除功能受損。延時成像也證實了上述觀點。說明，近端根冠細胞殘骸的清除需要自噬過程。
兩種NAC轉錄因子共同控制近端根冠中PCD的發生並調節dPCD相關基因的表達。因此，研究了自噬是否受這些轉錄因子的控制。將GFP-ATG8E自噬報告基因轉化為anac046 ana087突變體，以野生型和atg5-1突變體作為對照。然而自噬啟用發生在anac046 anac087突變體中，就像它在野生型根冠細胞中一樣（圖1A -1C）。這些結果表明成熟根冠細胞中自噬的啟用獨立於ANA046和ANAC087介導的dPCD調控網路。
圖1 anac046 anac08突變體中，LRC細胞中表達pUBQ10::GFP-ATG8E
由於自噬過程在整個植物中都很活躍，研究者想知道觀察到的根冠表型是否是器官特異性的。基於CRISPR的組織特異性敲除系統 CRISPR-TSKO，由 pSMB啟動子控制的根冠中表達熒游標記的Cas9。結合靶向ATG2或ATG5的gRNA，生成了具有根冠特異性自噬缺陷的轉基因系。轉基因植株的小柱細胞中都顯示出明顯延遲的細胞殘骸的清除（圖2）。此外，FDA染色顯示小柱和近端LRC細胞生命週期延長，類似於atg2-2突變體，而ATG5的回補能恢復其異常的表型。
圖2 自噬以一種根冠自主的方式控制細胞死亡
綜上所述，本研究表明，在兩種根冠組織中執行dPCD之前，自噬過程會增加，並且取決於關鍵的自噬基因ATG2、ATG5和ATG7。這些基因的系統性和器官特異性突變顯示PCD 執行延遲和小柱中細胞殘骸清除減少，但遠端LRC中沒有dPCD或細胞清除的缺陷（圖4）。本結果揭示了自噬功能中高度的細胞型別特異性，並表明dPCD中的自噬作用在同一植物器官的不同細胞型別之間可能存在很大差異。
圖4 根尖不同部位的自噬功能模擬圖
原文連結：
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(22)00383-7
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