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(jìn)展,,衰老---有序的主動(dòng)過程衰老是由內(nèi)源因子調(diào)控的、主動(dòng)的、程序化的與自然思維有關(guān)的事件。 老化---無(wú)序的被動(dòng)過程老化是一個(gè)主要受外源因子影響的、被動(dòng)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(jī)化合物的重要 場(chǎng)所，在植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中起重要作用。 葉片的衰老是一個(gè)極為復(fù)雜的生理生化過程，多年來(lái)人們對(duì)于葉片衰老的調(diào)控機(jī)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(jī)制。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中有目的地對(duì)葉片衰老進(jìn)行調(diào)控，以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量或延長(zhǎng)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(jià)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(huì)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?yàn)橹参锼ダ虾?，根系吸水能力減弱，體內(nèi)相對(duì)含水量減少，水勢(shì)下降，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，阻礙CO2進(jìn)衰老入葉肉細(xì)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(shí)，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(shí)細(xì)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(gè)重要的方面，SOD、CAT、POD等是活性氧清除酶系統(tǒng)的重要保護(hù)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(diǎn)，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(biāo)的原因。葉綠素含量下降得快則表明衰老的進(jìn)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(duì)恒定的周轉(zhuǎn)中，細(xì)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(shí)，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(shì)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(duì)衰老有促進(jìn)作用，其含量隨衰老的進(jìn)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(duì)衰老的調(diào)控植物自身對(duì)衰老的調(diào)控,,環(huán)境因子對(duì)衰老的調(diào)

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

8、光強(qiáng)與葉片衰老 光強(qiáng)對(duì)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(qiáng)光會(huì)加速衰老。,,2.溫度 低溫和高溫都會(huì)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(jìn)入葉片的阻力以也增大。低溫使細(xì)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(jìn)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(shí)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(yíng)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(duì)衰老的調(diào)控1.植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)調(diào)控植物葉片衰老

10、（1）細(xì)胞分裂素（CTK）調(diào)控植物葉片衰老 細(xì)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(shì)，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(rèn)的果實(shí)成熟衰老激素。乙烯是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的植物激素，植物對(duì)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(duì)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(jìn)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(zhǎng)素調(diào)控植物葉片衰老 最常見的生長(zhǎng)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(zhǎng)的，但在衰老的植物組織中含量呈下降趨勢(shì)，IAA對(duì)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(duì)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(qiáng)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(jìn)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(xì)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(jī)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(jī)制,與葉片衰老相關(guān)基因,概念：葉片衰老過程中基因表達(dá)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(dá)增強(qiáng)；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(duì)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(dá)的下降將引起衰老相關(guān)基因表達(dá)的上升，因而得出一個(gè)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(dá)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(gè)SAGs被報(bào)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(dá)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(dá)。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(dá)。,,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(dá)，但在受到衰老信號(hào)誘導(dǎo)后表達(dá)量急劇上升的基因。谷氨酰胺合成酶是細(xì)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(dá)水平較高，細(xì)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(jiǎn)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(dá)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(shí)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(biāo)志。研究發(fā)現(xiàn)，葉綠素降解酶活性增強(qiáng)，是植物衰老期間光合色素降解速率加快的重要原因。對(duì)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(shí)伴隨著參與上述代謝過程酶的基因表達(dá)增強(qiáng)。,,衰老相關(guān)基因的功能類別2.激素代謝相

18、關(guān)基因細(xì)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(xì)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(xì)胞分裂素類合成過程中的第一個(gè)限速酶，葉片衰老期間（IPT）表達(dá)水平下降，使細(xì)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(xì)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(dá)，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(xì)胞內(nèi)DNA含量保持相對(duì)穩(wěn)定，但核糖體RNA（rRNA）含量顯著下降，這與衰老期間細(xì)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(qiáng)的特異性表達(dá)。在擬南芥中，也克隆了三個(gè)與衰老期間呈高水平表達(dá)，參與RNA降解，并參與衰老葉片中磷的再度轉(zhuǎn)運(yùn)，此外，RNS2的表達(dá)還表現(xiàn)為受生長(zhǎng)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(yíng)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(yùn)，轉(zhuǎn)運(yùn)目的地是生殖器官等植株生育后期的生長(zhǎng)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(yùn)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(dá)特征不同，其中，隨著衰老的進(jìn)行，GS1的表達(dá)水平增強(qiáng)，且在維管束中優(yōu)勢(shì)表達(dá)，表明該類基因與植株衰老期間氮素的再度轉(zhuǎn)運(yùn)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(shí)，構(gòu)成植物細(xì)胞膜的脂類分子通過代謝作用

22、發(fā)生降解，進(jìn)行植株體內(nèi)的再度轉(zhuǎn)移和作用。對(duì)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(qiáng)。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(hào)物質(zhì)，將衰老信號(hào)向下游級(jí)聯(lián)傳遞，誘導(dǎo)抗氧化系統(tǒng)保護(hù)酶基因的表達(dá)增強(qiáng),葉片衰老的分子機(jī)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(gè)

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(jī)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(duì)葉片衰老的誘導(dǎo)是重要的。,,葉片衰老的分子機(jī)制2.衰退階段：大分子降解一旦衰老程序被啟動(dòng)，衰退過程就開

24、始了，其伴隨著細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)得降解和營(yíng)養(yǎng)的救援。在葉片的衰老過程中，許多蛋白水解過程被認(rèn)為是活躍的，多聚泛素基因的表達(dá)上調(diào)，與之耦合的各種酶活性增強(qiáng)，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(jī)制?？赡艽嬖谝粋€(gè)衰老的負(fù)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的級(jí)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