植物激素调控林木叶片衰老

中文标题:木本植物叶片衰老研究进展

文章作者:王厚领

发表单位:北京林业大学

中文核心期刊:中国科学

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研究背景:

根据太阳高度以及昼夜长短随纬度的变化, 地球表面可以划分北寒带、北温带、热带、南温带和南寒 带等5个区域. 温带地区四季分明, 森林生态系统物种 多样性较高, 落叶乔木是其中的重要组成部分, 树叶有 “春生秋落”的生物学现象. 在秋季, 叶片由绿色变为黄 色或者红色等颜色, 形成绚烂的秋景, 这是自然界典型 的叶片衰老过程, 该过程涉及能量转化及养分回运, 参与了森林中重要的碳循环途径. 叶片衰老受到叶片年龄、内源植物激素以及各种外源环境因素的影响, 是重要的生物学过程. 环境因子, 如干旱、盐胁迫、病虫害、遮阴和营养亏缺 等都能引起叶片早衰. 细胞分裂素(cytokinins, CK)、 (ethylene)、莉酸(jasmonic acid, JA)以及水杨酸(salicylic acid, SA)等激素处理也能引起叶片衰老进程的改变. 对于拟南芥等一年生草本植物而言, 在正常生长条件下, 叶龄是触发叶片衰老的主要因素. 随着叶龄的增加, 衰老相关基因SAGs(senescence-associated genes)的表达水平上调, 进而调控叶片衰老及细胞死亡, 营养物质在此期间回运到种子等器官中. 对于木本植物而言, 复杂多变的循环季节更替是影响叶片发育的重要因素. 其中, 秋季“日照时间逐渐缩短”(光周期改变)和“气温逐渐降低”是最为显著的两个外界环境信号, 并被认为是触发落叶乔木叶片衰老的重要原因. 本文主要针对木本植物秋季叶片衰老(autumn leaf senescence)展开综述与讨论.

 木本植物秋季叶片衰老

 

图注:木本植物叶片衰老过程. A: 在全球尺度上拍摄与观测叶片衰老. 照片由欧洲航天局, 通过环境卫星拍摄(2007), 展示了全球范围的叶片衰老叶绿素降解情况. 红色、蓝色、紫色箭头分别指示亚洲、欧洲、北美区域的叶片衰老. B: 生长在北京地区的杨树叶片衰老情况; C: 杨树叶片的四个发育时期以及叶绿素含量的定量分析


 

植物激素调控林木叶片衰老


    自20世纪50年代, 植物激素就被用来研究对叶片衰老的调控作用. 根据对叶片衰老的影响以及衰老过程中激素含量的动态变化情况, 植物激素分为两类:生长素(auxin)、细胞分裂素(CK)及赤霉素(gibberellic acid, GA)延缓叶片衰老; 而脱落酸(abscisic acid, ABA)、乙烯、茉莉酸(JA)及水杨酸(SA)促进叶片衰老(图2). 其中, 细胞分裂素和乙烯分别作为叶片衰老的重要“负”和“正”调控激素, 即细胞分裂素延缓叶片衰老而乙烯加速叶片衰老, 在不同物种中调控功能相对保守. 由于植物激素信号转导通路彼此交叉联系,激素调控叶片衰老, 与物种、植物的生理状态以及激素浓度有直接关系. 叶片脱落时, 生长素在叶柄和茎干处的离层带区域(abscission zone)形成浓度梯度, 从而调控叶片脱落(leaf abscission)的进程, 落叶一般发生在叶片衰老的下一个阶段. 拟南芥中, 生长素能通过调控IAA29WRKY57的表达, 调控叶片衰老. 杨树中, 整形素(morphactin)被用作生长素运输抑制剂, 能够抑制离层带的形成, 继而延缓黑暗诱导的杨树落叶, 并且乙烯并不参与调控. 因此, 叶片衰老和脱落之间的关系, 以及生长素和乙烯的调控机制有待进一步研究. 异戊烯基转移酶IPT(isopentenyltransferase)是细胞分裂素生物合成中的关键限速酶. Gan和Amasino利用叶片衰老特异基因SAG12的启动子, 在衰老叶片中诱导表达IPT基因(SAG12-IPT), 其可促进内源细胞分裂素的合成, 显著抑制叶片衰老. Edlund等人以欧洲山杨为材料, 对秋季叶片中的34种细胞分裂素及其代谢产物进行了连续3年的检测, 并对相关基因表达模式进行了分析. 虽然每年叶片衰老的起始时间一样, 并且部分细胞分裂素含量会随着叶片衰老逐渐降低, 但是不同年份间细胞分裂素的含量变化差异较大.单个基因或者单个基因家族难以揭示叶片衰老的复杂变化, 表明细胞分裂素含量的变化可能并不是触发叶片衰老起始的唯一因素. 赤霉素参与调控多个植物发育过程, 包括叶片衰老. 木本植物中, 垂枝桦(Betula pendula)BpMADS4基因、拟南芥AtSOC1和白芥子SaFUL基因作为赤霉素调控信号通路的下游基因, 异源表达在杨树中, 通过延长叶片生长时间, 延缓叶片衰老. 自20世纪90年代, 气态植物激素乙烯就被认为是调控叶片衰老起始的关键激素之一. 木本植物中,乙烯参与调控多个发育过程, 例如能够调控杨树茎干形成层细胞分裂, 从而参与调控木材形成. 在调控 叶片衰老方面, 基因表达谱数据筛选到了8个与乙烯响应相关的基因, 其中2个是EIN3-like基因(EIL). 对枫香中筛选到的叶片衰老上调转录因子LfMYB113进行功能验证发现, LfMYB113能特异性地调控二氢黄酮醇4-还原(dihydroflavonol 4-reductase)基因LfDFR1LfDFR2. LfMYB113通过结合到DFR基因的启动子区域激活基因表达, 促进花青素的生物合成.

木本植物植物激素系统

图注:木本植物中叶片衰老的调控网络及其与休眠的关系. 秋季温度降低和日照时间缩短是触发叶片衰老的两个关键因素. 主要展示了延缓叶片衰老的植物激素生长素(auxin)、细胞分裂素(CK)、赤霉素(GA)以及促进叶片衰老的植物激素脱落酸 (ABA)、乙烯(ethylene)、茉莉酸(JA)、水杨酸(SA)作为节点调控叶片衰老的信号网络通路. 尖头直线表示正向调节, 平头直线表示负向调节, 虚线表示生化功能机制尚未得到验证, 斜体基因名旁边的向上箭头表示上调表达, 向下箭头表示下调表达

   

    另外, 绿色荧光蛋白(green fluorescent protein, GFP)荧光激发实验证明, LfMYB113也能直接促LfSGR(stay-green)基因的表达, 通过调控叶绿素降解促进叶片衰老. 乙烯能通过调控叶绿素降解和花青素的积累加速叶片衰老, 但LfMYB113是否受乙烯调控有待进一步研究. 茉莉酸是脂肪酸的衍生物, 外源施加茉莉酸能促进离体叶片衰老, 并且这一过程依赖于关键基因COI1 (coronatine insenstive 1) . 在茉莉酸冠菌素类似物(JA mimic coronatine)存在的情况下, PtCOI1能和PtJAZ6发生直接相互作用, 茉莉酸处理能促进PtCOI1的表达以及诱导PtJAZ6蛋白的降解. 水杨酸处理能够诱导部分衰老相关基因的表达, 加速叶片衰老甚至死亡. 茉莉酸和水杨酸以WRKY75为节点, 协同促进叶片衰老. 通过转基因方法, 将一个来自于小肠结肠炎耶尔森氏菌(Yersinia enterocolitica)的水杨酸合成酶基因Irp9过 表达到欧洲山杨杂交种(Populus tremula×alba)中, 导致水杨酸信号途径的持续激活, 引起下游WRKY基因的表达, 以及所有9个杨树NRX1(Nucleoredoxin-1)基因都上调表达. 然而, 关于茉莉酸通过“JA-PtCOI1- PtJAZ6”途径、水杨酸通过“SA-WRKYs-NRX1”途径调控杨树叶片衰老方面的具体分子机制有待进一步研究.


展望:   

    作为陆地生态系统的主体, 森林承载着约2/3的陆生植物物种, 森林中落叶乔木的季节性叶片衰老和休眠是未来值得深入研究的两大自然现象. 叶片发育是“春生秋落”的动态的变化过程, 一年中叶片发育过程涉及“幼叶-成熟叶-衰老叶”, 所以可以从一年的时间维度上进行连续研究. 另外, 木本植物在生殖生长前, 有短则几年长则数十年的营养生长阶段, 所以也可以通过连续追踪研究随着树木年龄的增加植物叶片衰老的调控过程是否会有变化等, 例如古树的叶片衰老和整株衰老之间的关系. 同时, 由于叶片衰老涉及到养分回运, 在不同细胞器水平、细胞水平、个体水平甚至物种水平上, 可以和木本植物次生生长、木材形成、冬季适应低温气候等科学问题产生关联.

木本植物衰老的过程

 图注:木本植物叶片衰老中的科学问题及研究手段. 采用多样的研究方法(组学及CRISPR/Cas9基因编辑技术), 从不同层次(从 细胞器到群体), 解决林木中的关键科学问题(衰老、休眠以及木材形成等). X, Y, Z三个维度分别代表不同月份、不同年份以及不同的分析角度

 

植物激素调控林木叶片衰老
植物激素就被用来研究对叶片衰老的调控作用[40]. 根据对叶片衰老的影响以及衰老过程中激素含量的动态变化情况, 植物激素分为两类:生长素(auxin)、细胞分裂素(CK)及赤霉素(gibberellic acid, GA)延缓叶片衰老; 而脱落酸(abscisic acid, ABA)、乙烯、茉莉酸(JA)及水杨酸(SA)促进叶片衰老(图2). 其中, 细胞分裂素和乙烯分别作为叶片衰老的重要“负”
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