植物叶片衰老的研究综述

周玉堂，李拥军

(1.长江大学 农学院，湖北 荆州 434025；2.孝感市农业科学院，湖北 孝感 432000)

植物叶片衰老的研究综述

周玉堂1，2，李拥军2

(1.长江大学 农学院，湖北 荆州 434025；2.孝感市农业科学院，湖北 孝感 432000)

摘要：叶片在植物生长过程中起重要作用，是植物进行光合作用的重要场所。叶片衰老过程复杂，主要包括蛋白质、RNA、叶绿素和质膜等的分解和营养物质的再次利用，在分子水平层面，是相关衰老基因的活跃表现，是植物生长后期的重要特征。本文结合植物叶片生长发育的过程，从叶片衰老过程中各组织的细胞生理生化及结构变化、植物激素以及基因调控等方面对叶片衰老的机理进行综述，并提出今后研究的方向。

关键词：植物叶片；衰老；研究进展

衰老是普遍存在于生物界的生理现象之一，一般指生物的某些器官或者全部个体的生理功能渐渐衰退直至最终死亡的全过程。叶片是植物光合作用的重要场所，是衰老比较敏感的部位之一。叶片衰老一般是指植物体叶片代谢活动减弱、生理机能衰退的过程[1]，是植物细胞死亡的一种类型。叶片衰老并不是一个被动的退化过程，而是在叶片发育后期，由植物内部某些因素控制的有序的衰败过程，是一系列有序调控的结果[2]。叶片衰老过程中，细胞结构、激素水平、生理生化代谢以及基因调控等都发生变化，过程极其复杂。相关研究学者提出的营养胁迫假说、激素平衡假说及程序性细胞死亡理论等在一定程度上对叶片衰老的机理给出了较为合理的解释，在此基础上，学者对叶片衰老本质方面的研究也正在不断深入。

1叶片衰老的细胞结构和生理功能变化

研究表明，叶片衰老过程中细胞内最早的结构变化发生在叶绿体，主要是叶绿素的降解快于合成，叶片在形态上表现为黄化。而与基因表达相关的线粒体和细胞核结构会一直保持完整，直到衰老[3]。叶片衰老至最后阶段时，液泡会崩裂，染色质会浓缩，原生质膜的完整性缺失导致细胞内平衡破坏，最终细胞死亡。

植物叶片衰老的生理生化典型特征表现为核酸含量降低，蛋白质含量下降，膜脂过氧化程度加重和细胞保护酶活性下降，光合作用功能衰退、细胞内部激素平衡破坏。所有细胞中多核糖体和核糖体的含量降低，随之而来导致rRNAs和tRNAs的合成降低[3]。内肽酶和氨肽酶活性在叶片衰老过程中明显上升，表明叶片衰老过程中内肽酶和氨肽酶均参与蛋白质降解。在叶片衰老过程中，RNA含量不断降解，但DNA含量和DNase活性无明显变化[4]。叶片衰老时，细胞内自由基产生及清除的动态平衡被破坏，自由基不断积累，从而加剧细胞膜脂过氧化。研究表明，在叶片衰老过程中，植物体内部分小分子抗氧化物及保护酶系统的数量和活性明显降低，而作为细胞膜脂氧化产物的丙二醛(MDA)含量增加[5]。叶片衰老过程中，呼吸速率初始快速下降，然后急剧上升，随之迅速下降。之所以产生这种现象，源于叶片中乙烯含量的变化[6]。

2植物激素与叶片衰老

2.1促进叶片衰老激素

脱落酸(ABA)能引起种子的起芽休眠、叶子脱落和抑制细胞生长等生理作用。Hung等研究表明，ABA广泛参与植物的环境胁迫和叶片衰老过程[7]。Yang等在拟南芥的研究中发现，叶片衰老的关键调节因子NAC-LIKE, ACTIVATED BY APETALA3/PISTILLATA(NAP)可以直接激活ABA合成基因脱落酸乙醛氧化酶(AAO3)的表达，从而促进ABA的积累和叶片衰老过程[8]。Seo等在拟南芥的研究中发现AtNCED, AtAAO1和 AtAAO3等编码ABA生物合成关键酶的基因在叶片衰老过程中均上调表达[9]。

油菜素内酯类(BRs)是首个被分离出的油菜素甾族化合物，是一种新型的植物内源激素，广泛存在于植物的花粉、种子、茎和叶等器官中，在植物发育的多个过程不可缺少并促进叶片衰老[10]。Hung等研究表明，随着叶片时期的增加，BRs相关基因的表达有上调也有下调，叶片衰老过程中BRs的生物合成并没有明显增加[7]。在棉花和拟南芥中的研究发现，随着叶片生长期的增加，BRs生物合成基因中细胞色素P450的两个72C1 (CYP72C1)同系物和一个CYP90A1同系物的表达都有所上调。在BR信号通路的受体及其应答体系中，大部分的可变转录本都是上调的，包括BRs释放信号的三个BRI1相关受体激酶(BAKI)同系物、作为信号受体的15个油菜素类固醇迟钝(BRI1)同系物和与BRs信号应答相应的两个感触4(TCH4)同系物。BRL1和BRL3是BRs的受体，只在原形成层的分化中起作用[11]，在叶片衰老过程中大部分的BRL1和BRL3同系物都上调表达，也说明BRs可能在叶片衰老过程中通过有效输出代谢物来调节微管组织的性能。

乙烯(ET)是一种植物内源激素，在一定条件下，几乎高等植物的所有部分，如根、茎、叶、花、果、种子和幼苗都能产生乙烯。乙烯是促进叶片衰老的主要激素，Graaff等通过对叶片生长过程中拟南芥膜转运蛋白和激素途径分析发现，乙烯生物合成基因编码的ACC合成酶(ACS)、ACC氧化酶(ACO)和腈水解酶都会随着叶片衰老上调表达[12]。Min等研究表明，ACS活性在棉花叶片衰老过程中维持高水平表达，随后ACC通过ACO转化为乙烯，叶片在衰老过程中还会增加乙烯的生产[13]。Li等通过表达拟南芥中乙烯信号通路中关键的转录因子EIN3的表达会加速叶片衰老，而EIN3突变体则表现出叶片延缓衰老的症状。所以，乙烯在植物叶片衰老过程中主要起到促进作用[14]。

水杨酸(SA)在植物体内普遍存在，主要起胁迫反应作用，包括病害和涉及整个植株的抗性等，同时在叶片衰老中有重要作用。植物叶片衰老与膜脂过氧化有一定相关性。Morris等研究认为，茉莉酸信号途径在拟南芥叶片衰老中通过控制基因表达而起重要作用，在叶片衰老末期的细胞死亡中作用更加明显，同时对缺失水杨酸信号的突变体会改变SAG的表达模式，进而延缓叶片衰老。但是，这种通过减少SA的生物合成来延缓衰老的方式会显著影响植株的防御反应[15]。NPR1是SA应答的关键催化剂，它通过SA受体NPR3来定向使蛋白酶体降解[16]。在种子发育过程中，SA呈现增龄性的积累，会引起衰老组织中NPR1依赖的内质网强度的激活和自我吞噬[17]。

茉莉酸类(JAs)调节一系列种子萌发、叶片衰老、非生物胁迫等植物发育过程[18]。He等研究了茉莉酸对叶片的作用，利用拟南芥对茉莉酸很敏感、拟南芥突变体对茉莉酸不敏感的特性，通过实验发现对拟南芥施加外援茉莉酸引起叶片提前衰老，而对拟南芥突变体施加则没有提前衰老的效果，说明茉莉酸对叶片衰老起促进作用，茉莉酸信号通路在茉莉酸促进叶片衰老过程中起重要作用。茉莉酸生物合成基因的表达几乎在拟南芥叶片衰老的整个过程中都明显增加，包括LOX3、AOS、AOC4 和 OPR3等[19]。F-box蛋白COI1作为茉莉酸信号通路的受体复合体的重要组成部分，在叶片衰老过程中也上调表达。茉莉酸信号在植物叶片衰老的初期开始活跃，并在叶片衰老过程中调节相关基因的表达，是促进叶片衰老的重要激素[20]。

2.2延缓叶片衰老的相关激素

赤霉素(GA)等调控植物生长的不同过程，如细胞伸长、生长繁殖和衰老等过程。赤霉素最突出的作用是加速细胞的伸长，对细胞的分裂有促进作用，赤霉素还具有抑制成熟、侧芽休眠、衰老、块茎形成的生理作用。研究表明，GA是叶片衰老的抑制剂，Yu等对赤霉素A3(GA3)在叶片衰老中的作用研究发现，赤霉素可通过增加绿叶面积和延长光合作用时间的方式来延缓叶片衰老过程[21]。Chen等在对拟南芥DELLA蛋白研究中发现，在缺失抑制DELLA的突变体中，叶片呈现出早衰的症状，同时认为赤霉素信号是茉莉酸，水杨酸和乙烯调节叶片衰老的上游信号通路。赤霉素有延长叶片寿命的作用，但还有促进生殖生长的作用，所以赤霉素会缩短植株整体的寿命[22]。

生长素在调节植物的根系形成、果实发育、顶端优势和叶片衰老过程中都发挥重要作用。生长素主要促进细胞的生长，特别是细胞的伸长[23]。研究表明，Indole acetic acid (IAA)的生物合成基因编码基因Tryptophan synthase (TSA1)、IAAld oxidase(AO1)和Nitrilases (NIT1-3)随着叶片衰老表达量上升[24]。生长素对叶片衰老的调节作用通过应答和编码生长素相应因子(ARFs)或吲哚乙酸(IAA)蛋白来实现，生长素在叶片衰老过程中可以有效抑制SAG12基因表达，从而维持细胞活性来延缓衰老[25]。

细胞分裂素(CK)的主要作用是诱导细胞分裂，促进芽的形成和生长。除此之外，细胞分裂素还具有抑制不定根和侧根形成、延缓叶片衰老的作用。CK是延缓叶片衰老的激素，它是影响叶片衰老的关键信号[26]。CK主要通过抑制叶绿体分解来延缓叶片衰老。Gan等研究认为，在SAGL2启动子的驱动下，CK生物合成基因会编码一个异戊烯焦磷酸单酯转移酶(IPT)，从而延迟叶片衰老[27]。CK通过增加植物组织库的强度来延缓衰老。拟南芥反应调节器蛋白(ARRs)是细胞分裂素信号通路中反应调节器的核心。Lin等研究结果表明，在5个B-型的ARRs中有4个ARR12同系物在棉花叶片衰老的后期都下调表达，说明CK对抑制叶片衰老有重要作用[13]。

多种激素对促进或延缓叶片衰老起重要作用，各种激素之间有分工也有合作，通过上下游之间或者通过不同模式之间的相互作用来调节整个衰老过程。一般认为，ET、ABA 和JA可以明显促进叶片衰老，而CK则是延缓叶片衰老的重要激素[13]。Jiang等研究结果表明，生长素通过WRKY57来对抗JA介导的拟南芥叶片衰老，WRKY57作为JA介导和生长素介导的信号通路的共同组件，是JA介导叶片衰老的抑制剂[28]。

3基因调控叶片衰老

3.1叶片衰老的基因调控

在小麦中鉴定出一个主要在叶片和叶鞘中表达的NAC1转录因子，过表达该转录因子可以延迟叶片衰老，然而产量、地上部生物量、收获指数和籽粒中总含量均没有改变，但是过表达的转基因系中N浓度高于对照未转基因系。上述结果表明NAC1是一个叶片衰老的负调控因子，延迟叶片衰老不仅增加籽粒产量，而且增加籽粒蛋白含量[29]。

水稻ONAC106转录因子能够负调控叶片衰老，onac106-1D突变体在自然衰老和黑暗诱导衰老条件下仍能保持绿色，此外onac106-1D突变体也表现出耐盐胁迫和大的分蘖夹角。上述结果表明，ONAC106参与延迟叶片衰老，耐盐胁迫和株型塑造等生长发育过程[30]。

叶片衰老对棉花产量和品质有较大影响，尽管发现许多基因能够调控叶片衰老，但许多转录因子没有被鉴定出来。据报道，从棉花中鉴定出一个具有典型NAC结构的NAP类转录因子(GhNAP)，在atnap突变体的拟南芥中转入含有GhNAP基因的互补载体，在野生型中拟南芥中过表达均能够加速衰老症状，而下调表达能够延迟衰老[31]。

WRKY57是另一个与叶片衰老相关的WRKY 家族基因，对拟南芥wrky57突变体喷施茉莉酸甲酯后，叶片会产生典型的衰老表型，叶片发黄，叶绿素含量降低，细胞死亡率高。进一步研究发现，在wrky57突变体中，与衰老相关的基因上调表达。染色质免疫共沉淀实验发现WRKY57基因能直接与SENSCENCE4和SAG12启动子结合抑制其表达。体外和体内的实验表明，WRKY57能够与JASMONATE ZIM-DOMAIN4/8 (JAZ4/8) 和 AUX/IAA 蛋白 IAA29互作，抑制茉莉酸和生长素信号通路。因此，WRKY57基因作为JA诱导叶片衰老的抑制子参与了茉莉酸和生长素介导的信号通路[32]。

3.2甲基化及miRNA与叶片衰老

在模式生物拟南芥中研究了通过表观遗传机制方法控制特异叶片衰老的过程[33]。他们通过研究编码一个调控叶片衰老的基因WRKY53的组蛋白修饰，控制叶片特异衰老的表观遗传学机制。在叶片衰老时，当这个位点被激活，常染色质H3K4me2和H3K4me3修饰在WRKY53的5’末端和编码区明显增加。此外过表达一个组蛋白甲基化转移酶SUVH2导致异常的异染色质化和延迟衰老的表型。

microRNAs(miRNAs)是一类单链的非编码RNA，目前已知的主要功能是指导对目标基因的降解。通过芯片技术在拟南芥叶片中鉴定黑暗诱导下的叶片衰老的相关miRNAs，结果共发现137个miRNAs显著差异表达。其中有44个miRNAs的表达水平相对高于其他的miRNAs。在这些差异表达的miRNAs中，有6个miRNAs(miR319a、319c、miR159、miR164a、miR164c 和 miR390a)与黑暗诱导的叶片衰老有关，还有38个未被报道的miRNAs与叶片衰老相关。

4展望

由于世界人口的日益增长和全球气候的变化，发展高产作物是本世纪面临的重大课题。衰老对作物的产量和质量有重要影响。在过去的几十年内，对叶片衰老的进程及其分子水平的调控机理方面的研究已经取得了显著成效，许多关于调控叶片衰老的技术在作物上已检验到增产潜力。然而，衰老与作物产量、质量之间的复杂关系，还有很多未探知的内容。通过构建遗传群体，克隆更多叶片衰老相关的调控基因，采用双突变、回复突变等科学技术开展叶片衰老机制研究，补充和构建衰老调控网络，将是今后重点研究的方向之一。

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(责任编辑：张凯兵)

Research Survey of Plant Leaf Senescence

Zhou Yutang1，2，Li Yongjun2

(1.CollegeofAgriculture,YangtzeUniversity，Jingzhou,Hubei434025,China；2.XiaoganAcademyofAgriculturalSciences,Xiaogan,Hubei432000,China)

Abstract：Leaf, an organ where photosynthesis happens, plays an important role in the process of plant growth and development. Leaf senescence , an important feature of plants' late development, have extremely complex processes, which mainly contains the decomposition of chlorophyll, protein, plasma membrane, RNA and other macromolecules, the reuse of the nutrients and the activated expression of a large number of genes related to senescence at the molecular level. Recently, lots of researches about the regulation mechanism of leaf senescence have been conducted, and great progress has been made. This paper, with the combination of the process of leaf senescence, reviewed its mechanism in various aspects, such as the changes of cell structure in different tissues, the physiological and biochemical changes in cells, plant hormone and the gene regulation. Finally it proposes the directions for the future research.

Key Words：leaf; senescence; research progress

收稿日期：2016-02-23

作者简介：周玉堂(1986-)，男，湖北秭归人，长江大学农学院助理农艺师。

中图分类号：Q945

文献标志码：A

文章编号：2095-4824(2016)03-0055-05

李拥军(1969-)，男，湖北孝感人，孝感市农业科学院棉油所高级农艺师。