植物葉片衰老及其調(diào)控研究

1、,,植物葉片衰老及其調(diào)控研究進展,,衰老---有序的主動過程衰老是由內(nèi)源因子調(diào)控的、主動的、程序化的與自然思維有關(guān)的事件。 老化---無序的被動過程老化是一個主要受外源因子影響的、被動的、非程序化控制的衰退過程。,,葉片是植物利用光能、合成有機化合物的重要 場所，在植物生長發(fā)育過程中起重要作用。 葉片的衰老是一個極為復(fù)雜的生理生化過程，多年來人們對于葉片衰老的調(diào)控機制開展了大量的研究，以期在理論上揭示葉片衰

2、老的生理生化機制。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中有目的地對葉片衰老進行調(diào)控，以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量或延長農(nóng)產(chǎn)品的貯藏期。如延緩觀葉植物的葉片衰老以提高其觀賞價值；糧食作物在收獲前如能延遲衰老幾天，其產(chǎn)量和品質(zhì)會大大提高等。,,,葉片衰老的調(diào)控,,葉片衰老的生理生化,,葉片衰老的分子生物學(xué)基礎(chǔ),葉片衰老的生理生化變化,光合能力和呼吸速率下降活性氧、自由基代謝葉綠素含量下降蛋白質(zhì)含量下降核酸含量下降內(nèi)源激素變化可溶性糖含量變化,,,光合能力和呼吸

3、速率下降 葉片衰老中光合能力下降是衰老葉片的一大特征。一方面可能是因為植物衰老后，根系吸水能力減弱，體內(nèi)相對含水量減少，水勢下降，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，阻礙CO2進衰老入葉肉細胞，而使光合作用降低；另一方面，衰老引起的非氣孔因素亦是降低光合作用的重要原因。 一般器官衰老時，由于線粒體體積變小，內(nèi)膜褶皺，線粒體數(shù)目減少，使呼吸速率下降。但下降速度比光合作用慢。,,活性氧、自由基代謝 葉片衰老的過程是體內(nèi)活性氧、自由基代謝失調(diào)

4、的累積過程，同時細胞內(nèi)存在清除這些活性氧的多種途徑。植物的抗氧化作用是植物自身適應(yīng)性調(diào)節(jié)的一個重要的方面，SOD、CAT、POD等是活性氧清除酶系統(tǒng)的重要保護酶。,,葉綠素含量下降 葉綠素的降解是葉片衰老過程中最明顯的特點，從外觀上看，葉片由綠變黃，這就是經(jīng)常用葉綠素含量作為葉片衰老指標的原因。葉綠素含量下降得快則表明衰老的進程快，衰老程度加深。,,蛋白質(zhì)含量下降 蛋白質(zhì)降解是葉片衰老的基本特征之一。蛋白質(zhì)在植物成熟組織中是

5、出于相對恒定的周轉(zhuǎn)中，細胞組織的穩(wěn)定狀態(tài)是由一種合成和分解的平衡系統(tǒng)所維持。但隨著植物葉片的衰老，這種平衡被打破，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)的降解，并且降解的蛋白質(zhì)主要是可溶性蛋白質(zhì)中的部分I蛋白，也就是RuBP羧化酶。,,核酸含量下降 在葉片衰老時，RNA總量下降，其中rRNA減少最明顯，DNA含量也下降，但下降速率小于RNA。核酸含量的下降趨勢與蛋白質(zhì)的一致。,,內(nèi)源激素變化 在植物衰老過程中，植物內(nèi)源激素有明顯變化。研究發(fā)現(xiàn)，五大類

6、植物激素都與植物衰老密切相關(guān)。一般情況下，IAA、GA、CTA可抑制衰老，在植物衰老過程中含量逐步下降；而ABA、茉莉酸，特別是乙烯對衰老有促進作用，其含量隨衰老的進行而逐漸上升。油菜素內(nèi) 酯和多胺類物質(zhì)中腐胺、精胺、亞精胺等可抑制衰老。,,可溶性糖含量變化 可溶性糖是光合作用的直接產(chǎn)物，也是植物體內(nèi)多糖、蛋白質(zhì)、脂肪等大分子化合物合成的物質(zhì)基礎(chǔ)。,葉片衰老的調(diào)控,環(huán)境因子對衰老的調(diào)控植物自身對衰老的調(diào)控,,環(huán)境因子對衰老的調(diào)

7、控1.光照（1）光質(zhì)與葉片衰老 光質(zhì)對衰老的影響有所不同。紅光可阻止葉綠素和蛋白質(zhì)的降解，延緩葉片衰老。藍光處理可延緩葉片葉綠素和蛋白質(zhì)含量的降低，促進氣孔的開放，維持SDO活性在較高水平，延緩了質(zhì)膜相對透性的增大，從而延緩綠豆幼苗離體葉片的衰老。,,（2）日照長度與葉片衰老 日照長度影響植物激素GA和ABA的合成，因而影響器官的衰老。長日照促進GA合成，利于生長；短日照促進ABA合成，利于脫落，加速衰老。 （3）

8、光強與葉片衰老 光強對植物衰老的影響不同。適度光照能延緩多種作物葉片的衰老，而強光會加速衰老。,,2.溫度 低溫和高溫都會加速葉片衰老。高溫能加速葉片衰老，使植物葉片遭受到不可逆損傷，葉綠體結(jié)構(gòu)破壞，葉綠素降解加速，與合成葉綠素有關(guān)的阻力加大，氣孔開度變小，而二氧化碳進入葉片的阻力以也增大。低溫使細胞完整性喪失，質(zhì)膜和線粒體破壞，ATP含量減少，通過影響生理代謝而加快衰老進程，如光合作用下降，光和色素下降。,,3.水分

9、 在環(huán)境因素中，極端水分供應(yīng)是許多生態(tài)系統(tǒng)中影響植物生命的主要因素。土壤水分過多時漬水或土壤水分不足導(dǎo)致的干旱均能明顯增加植物內(nèi)源乙烯含量，加速葉片衰老。,,4.礦質(zhì)營養(yǎng) 氮肥不足，葉片易衰老；增施氮肥，能延緩葉片衰老。鈣離子能延緩植物衰老。銀離子能延緩水稻葉片的衰老。Ni離子和Co離子則有抑制植物體內(nèi)合成乙烯和ABA的作用。,,5.氣體主要是氧氣和二氧化碳兩種氣體。,,植物自身對衰老的調(diào)控1.植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)調(diào)控植物葉片衰老

10、（1）細胞分裂素（CTK）調(diào)控植物葉片衰老 細胞分裂素(CTK)調(diào)控植物葉片衰老。CTK在植物衰老代謝的過程中其含量一般處于下降趨勢，外源CTK的引入可以抑制植物的衰老，減緩脂質(zhì)過氧化的作用。,,（2）乙烯和乙烯抑制劑調(diào)控植物葉片衰老 乙烯是人們所公認的果實成熟衰老激素。乙烯是結(jié)構(gòu)最簡單的植物激素，植物對它非常敏感。植物葉片衰老過程中產(chǎn)生了非常復(fù)雜的生理變化，乙烯是通過對代謝的直接或間接調(diào)節(jié)在植物衰老中起主要作用。乙烯能明顯

11、加速植物的衰老，增加乙烯的濃度，則促進衰老的發(fā)生；解除或者抑制植物組織本身釋放的乙烯，能夠延緩植物組織的衰老；乙烯抑制劑能抑制乙烯的形成和作用，從而延緩植物離體葉片衰老過程中植物激素與活性氧的代謝。,,（3）生長素調(diào)控植物葉片衰老 最常見的生長素是IAA，大量研究表明IAA能夠延緩植物組織的衰老。IAA在植物葉片的發(fā)育過程中是不斷增長的，但在衰老的植物組織中含量呈下降趨勢，IAA對植物組織衰老的調(diào)控關(guān)系比較復(fù)雜，影響因素很多，還有

12、待深入研究。,,（4）赤霉素調(diào)控植物葉片衰老 赤霉素（GA）對植物衰老的調(diào)節(jié)作用，Lei等（1998年）的研究表明赤霉素能加強蛋白質(zhì)的合成延緩蛋白質(zhì)與RNA的喪失。（5）脫落酸調(diào)控植物葉片衰老 脫落酸（ABA）是葉片衰老的內(nèi)在促進劑。,,2.活性氧及其清除劑調(diào)控植物葉片衰老 活性氧物質(zhì)包括含氧自由基和含氧非自由基，自由基可以在細胞代謝過程中連續(xù)不斷地產(chǎn)生，它可以直接或間接地發(fā)揮作用，誘導(dǎo)機體的生理與病理的過程。,葉

13、片衰老的分子生物學(xué)基礎(chǔ),一、與葉片衰老相關(guān)的基因二、衰老相關(guān)基因的功能類別三、葉片衰老的分子機制,與葉片衰老相關(guān)基因,概念：葉片衰老過程中基因表達水平發(fā)生變 化的基因叫葉片衰老相關(guān)基隨著因（SAG）。 SAG分分為三類：第一類是衰老下調(diào)基因，隨著葉片的衰老，這類基因的mRMA的數(shù)量較少或消失；第二類是衰老特異基因，僅在衰老期間被激活，其表達增強；第三類是衰老相關(guān)基因。,,與葉片衰老相關(guān)的基因1.衰老下調(diào)基因葉片衰老

14、往往伴隨著植物光合作用的下降以及葉綠素的丟失，因此與編碼光合作用有關(guān)蛋白質(zhì)對應(yīng)的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)錄豐度隨衰老的發(fā)生而急劇下降。這類蛋白質(zhì)包括葉綠素a/b結(jié)合蛋白、rbcS、rbcL、電子傳遞體、光和系統(tǒng)II等。Hensel等（1993）發(fā)現(xiàn)，光合作用的下降以及光合作用相關(guān)基因表達的下降將引起衰老相關(guān)基因表達的上升，因而得出一個模型假說，即葉片衰老由依賴于年齡的光和過程的下降觸發(fā)。,,與葉片衰老相關(guān)的基因2.衰老特異基因衰老特異基因，即I型

15、SAG，指在衰老過程中表達的基因。到目前為止，只有擬南芥的SAG12和SAG13、油菜的LSC54等少數(shù)幾個SAGs被報道為高度的I型衰老的特異基因，SAG12和SAG13除了在衰老葉片中表達外，還在莖、萼片、花瓣和心皮等衰老的綠色組織和花器官中表達。有意思的是，LSC54基因編碼金屬硫蛋白，在沒有衰老的花序分生組織中也表達。,,與葉片衰老相關(guān)的基因3.衰老相關(guān)基因水稻衰老和雄性不育突變體生理性狀及基因定位衰老相關(guān)基因，即II型SA

16、G，指在衰老前已有表達，但在受到衰老信號誘導(dǎo)后表達量急劇上升的基因。谷氨酰胺合成酶是細胞質(zhì)內(nèi)參與衰老過程中谷氨酰胺合成一種酶。Kamachi等研究發(fā)現(xiàn)，水稻中該酶基因在衰老葉片中表達水平較高，細胞質(zhì)谷氨酰胺合成酶和葉綠體谷氨酰胺合成酶多肽的含量不能簡單地取決于在水稻葉片自然衰老過程中相應(yīng)的mRMA豐度，這暗示衰老期間基因表達也可能在翻譯水平上收到調(diào)控。,,衰老相關(guān)基因的功能類別1.葉綠素分解相關(guān)基因植物衰老時光合色素（葉綠素、葉黃

17、素及類胡蘿卜素）的降解速率加快，導(dǎo)致植物的葉片呈現(xiàn)黃化現(xiàn)象，因此，葉片黃化現(xiàn)象通常也作為植物衰老的形態(tài)學(xué)標志。研究發(fā)現(xiàn)，葉綠素降解酶活性增強，是植物衰老期間光合色素降解速率加快的重要原因。對野生型和葉綠素降解缺陷突變體的研究表明，葉片衰老期間，葉綠素降解通常與葉綠素分解代謝生化途徑的某些酶類（主要是參與葉綠素降解和光合系統(tǒng)捕光色素II解體的酶類）有關(guān)，同時伴隨著參與上述代謝過程酶的基因表達增強。,,衰老相關(guān)基因的功能類別2.激素代謝相

18、關(guān)基因細胞分裂素和乙烯是調(diào)控植物衰老的兩種重要激素。增加植物體內(nèi)的內(nèi)源細胞裂素（CTK）含量和外源施用CTK)能明顯延緩植物的衰老。異戊烯基轉(zhuǎn)移酶（IPT）是催化細胞分裂素類合成過程中的第一個限速酶，葉片衰老期間（IPT）表達水平下降，使細胞分裂素含量降低，最終導(dǎo)致植株衰老加快。乙烯的作用與細胞分裂素的相反，外源施用乙烯，可加快植物衰老的速率。,,衰老相關(guān)基因的功能類別3.蛋白質(zhì)降解相關(guān)基因蛋白質(zhì)降解是植物衰老的顯著特征之一。谷

19、類的特異性蛋白酶------半胱氨酸蛋白酶基因與參與蛋白質(zhì)降解的泛素化基因。因此，上述 衰老相關(guān)基因與植物衰老期間蛋白質(zhì)含量下降有關(guān)。研究表明，上述基因編碼的蛋白參與蛋白質(zhì)降解的特征存在差異。SAG12在葉片中特異性表達，編碼蛋白參與植物衰老過程中蛋白質(zhì)的降解。,,衰老相關(guān)基因的功能類別4.核酸降解相關(guān)基因盡管植物衰老過程中細胞內(nèi)DNA含量保持相對穩(wěn)定，但核糖體RNA（rRNA）含量顯著下降，這與衰老期間細胞內(nèi)部RNA酶活性增加有關(guān)

20、。Lers等在番茄中研究發(fā)現(xiàn)，核糖體類（RNS類）基因LX和LE發(fā)生增強的特異性表達。在擬南芥中，也克隆了三個與衰老期間呈高水平表達，參與RNA降解，并參與衰老葉片中磷的再度轉(zhuǎn)運，此外，RNS2的表達還表現(xiàn)為受生長介質(zhì)中磷的誘導(dǎo)。,,衰老相關(guān)基因的功能類別5.氮代謝相關(guān)基因在植物衰老期間，根、莖、葉等營養(yǎng)器官中的大量礦質(zhì)元素發(fā)生器官間的再度轉(zhuǎn)運，轉(zhuǎn)運目的地是生殖器官等植株生育后期的生長中心。研究發(fā)現(xiàn)通過葡萄糖異生作用，合成谷氨酰胺、

21、天冬酰胺和蔗糖，是植物衰老過程中大分子轉(zhuǎn)移或器官間再度轉(zhuǎn)運的重要代謝途徑。植物葉片衰老過程中，兩種不同類別的谷氨酰胺合成酶基因GS1和GS2的表達特征不同，其中，隨著衰老的進行，GS1的表達水平增強，且在維管束中優(yōu)勢表達，表明該類基因與植株衰老期間氮素的再度轉(zhuǎn)運有關(guān)。此外，其他與氮素轉(zhuǎn)移相關(guān)的基因pSEN3和pSEN4也被克隆。,,衰老相關(guān)基因的功能類別6.酯類代謝和抗氧化相關(guān)基因在植物衰老時，構(gòu)成植物細胞膜的脂類分子通過代謝作用

22、發(fā)生降解，進行植株體內(nèi)的再度轉(zhuǎn)移和作用。對大麥和擬南芥的研究表明，衰老葉片中與脂類降解相關(guān)的乙醛酸循環(huán)代謝中的關(guān)鍵酶(包括蘋果酸酶合成酶及異檸檬酸裂解酶)的含量增加和活性增強。植物在衰老的過程中，誘發(fā)的活性氧(包括超氧陰離子自由基和過氧化氫等)數(shù)量增多。其中，誘發(fā)的H2O2可作為信號物質(zhì)，將衰老信號向下游級聯(lián)傳遞，誘導(dǎo)抗氧化系統(tǒng)保護酶基因的表達增強,葉片衰老的分子機制,葉片的衰老伴隨著葉色的改變，以葉片的死亡脫落而告終。葉片的衰老是一個

23、包括許多生理變化和分子事件的連續(xù)的過程。Nooden理論講葉片衰老過程分為起始、衰退、終末三階段。,,葉片衰老的分子機制1.起始階段：葉片衰老誘導(dǎo)糖是光合作用的重要產(chǎn)物，其在衰老的誘導(dǎo)過程中起著重要作用。糖濃度的升高或降低可能誘導(dǎo)葉片的衰老。衰老的糖調(diào)控也受其它因素的影響，如氮素、光照和發(fā)育階段。內(nèi)外因素的整合和平衡可能對葉片衰老的誘導(dǎo)是重要的。,,葉片衰老的分子機制2.衰退階段：大分子降解一旦衰老程序被啟動，衰退過程就開

24、始了，其伴隨著細胞內(nèi)物質(zhì)得降解和營養(yǎng)的救援。在葉片的衰老過程中，許多蛋白水解過程被認為是活躍的，多聚泛素基因的表達上調(diào)，與之耦合的各種酶活性增強，20s蛋白酶在衰老過程中始終保持活性。泛素依賴的蛋白質(zhì)水解可能不僅僅參與了葉片衰老的衰退過程，也參與了調(diào)節(jié)機制?？赡艽嬖谝粋€衰老的負調(diào)控因子定位于葉綠體的外面，今由泛素依賴途徑降解。引發(fā)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的級聯(lián)反應(yīng)，從而導(dǎo)致葉綠體蛋白質(zhì)的降解。葉片衰老過程中也觸發(fā)了脂類的降解。,,葉片衰老的分子