植物叶片衰老过程中的基因表达与调控.docx

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1、植物叶片年轻过程中的基因表达与调控张少华（东北农业高校生命科学学院，哈尔滨，150030 ）摘要：年轻是一个高度调整的程序化过程。在此过程中，植物激素和环境因子等信号 通过激活或关闭某些基因的表达而启动年轻。关键词：年轻RNA转译基因水解酶细胞分裂素年轻是一种器官或组织逐步走向功能衰退和死亡的变化过程囚。它除了代表器官或组 织生命周期的终结之外，在发育生物学上也有着重要的意义。叶片的年轻是植物的一个重 要发育阶段。在这段时期内，植物在成熟叶片内积累的物质，包括大量的氮、碳有机化合 物和矿物质，将被分解并运送至植物其它生长旺盛的部分，其中大部分被转移到种子内， 为下一代的生长做好预备a】。对于产

2、生种子的作物，包括绝大多数农作物，这种转移使养 分重新安排，对植株保持正常的生长发育与繁殖是非常必要的网。年轻过程中，叶片细胞 在组成成分上有很大的变化。据分析，总RNA削减了非常之一，可溶性蛋白削减了三分 之一口。叶组织年轻的表型以叶绿素的流失为标记，随之消失叶绿体的分解，叶色褪淡。 在分子水平上，年轻过程中叶绿素、蛋白质、RNA和DNA不断削减，水解酶和生长抑制 因子则持续增长1引。叶片年轻在很多物种中的发生是依靠于植株年龄的，因此靠近植株根 部的叶片比顶端叶片更早进入年轻。同时它也能被一系列外部因子所诱导，其中包括阴暗、 缺乏矿物质、干燥与病原体感染等口刀。其它一些发育过程也能诱导年轻的

3、发生，如开花、 受精与种子发育叫。最初RNA合成的削减被认为是年轻的主要缘由，这一结论基于以下几个发觉。首先, 叶片年轻过程中RNA水平与蛋白质含量同步削减，而DNA的削减速度则慢得多1刃。其 次，能够延迟年轻的物质能够增加RNA的合成，反之亦然0%但是，抑制因子讨论表明 叶片年轻对转录抑制因子放线菌丝素D不敏感，而在转译抑制因子放线菌酮的作用下，年 轻延迟口6,2。由此推想涉及叶片衷老的大多数大事发生在转译水平上，而非转录水平口刀。1年轻中基因表达产物的变化生理与遗传讨论显示年轻是一个高度程序化的调控过程a，1刀。这一过程包括了大量 有序大事发生，如叶片蛋白质的分解、光合作用力量的下降、叶绿

4、体的解体、叶绿素的流 失以及分解产物的撤离等，涉及一些相关基因的表达阿。年轻过程中表达量提升的蛋白包 括以下这样几种类型：蛋白酶、核酸酶等参加养分物质分解代谢的酶类；参加叶绿素和叶 绿体分解的酶类；年轻调控蛋白因子等口7，坳。此外，某些在植物果实成熟期表达的基因， 如乙烯合成酶基因，在年轻时期也很活跃。而光合作用相关蛋白的含量则下降。在年轻初始时期被诱导表达的基因很可能是掌握年轻的关键基因，但这种年轻特异基 因是否存在，目前尚未证明。RNA-DNA杂交试验的结果显示，大麦幼苗的7日龄和17 日龄叶片的总RNA之间没有区分现 在最近的一项讨论中，用含有polyA的RNA进行 体外转译，然后检测转

5、译产物发觉，离体小麦叶片在暗环境下的年轻过程中，至少有12 种差异的多肽产物消失mi。但这一讨论并未区分这些差异是年轻本身造成的基因表达变 化，还是光暗之间转换引起的基因表达变化，而很多植物基因表达是由光调控的叫从番茄叶片的cDNA文库存中分别出一些年轻相关的cDNA克隆，其中有年轻上调基 因(SENUl、SENU4、SENU5 )和年轻下调基因(SEND3236 )。Southern杂交显 示，SEND32是一个单拷贝基因，而SEND33-36以及SENU1、SENU5都是一些基因 家族中的成员。在已知功能的基因中，SEND33编码铁氧还蛋白，SENU34编码系统II的 10kD蛋白，SEN

6、D36编码降解酶。SENU4蛋白与一种致病性相关蛋白P6有肯定同源性。 三种上调基因mRNA水平在年轻叶片中都有提升，其中SENU1与SENU5在叶片及其它 器官中的表达水平也相当高。因此，好像SENU4更加特异地针对叶片年轻。全部年轻期 间下调的基因在年轻时表达量都下降，并且除了 SEND32之外，其它在非叶片部位的表达 水平也相当低。在拟南芥中分别到四种表型为叶片年轻延迟的突变Ml。通过遗传分析发觉它们都是单 基因隐性突变，可分为三个互补群，分别对应拟南芥中掌握叶片年轻的三个基因位点。这 三个位点的突变可引起全部年轻表征，如叶绿素含量下降、光系统的光化学效率减退、 Rubisc。大亚基的相

7、对数量削减、RNase和过氧化酶的活性降低等。含有突变的植物中， 无论是自然年轻，或是暗诱导的人工年轻，都表现出叶片年轻推迟。以上结果显示这三个 基因位点是掌握叶片年轻的关键遗传因素，其中一个基因的突变是乙烯不敏感突变，证明 乙烯在拟南芥叶片年轻信号传导过程中发挥了重要作用。通过脉冲标记方法发觉，编码叶 绿体rRNA的RRN基因和编码LSU蛋白（Rubisco蛋白的大亚基）的rbcl基因，它们的 转录量在总RNA量中的比例不变，而编码LHCP （ 26kD ）和编码SSU蛋白（Rubisco的 小亚基）的基因cab和rbcS在年轻过程中其mRNA量占总RNA的比例显著下 降。前两者是叶绿体基因

8、，后两者是核编码基因。同时，一种核编码的与光合作用无关的 过氧化物酶，在这一过程中含量不变。这说明，在年轻的叶片中，与光合作用有关的核基 因与叶绿体基因受到不同的调控。psbA基因编码了光系统II的D-1蛋白,psaA/B基因编码了光系统I的68kD和70kD 蛋白，atpB/E基因编码了 ATP酶B亚基。这几种蛋白的转录水平在年轻过程中都有削减, 但在合成量方面只有后两者发生下降。与多聚体结合的psbA转录产物，在年轻叶片中占 总RNA的比例要比幼嫩叶片中的高。而psaA/B和atpB/E则正相反,形成多聚体的信号 量在年轻叶片中削减。因此，D-1蛋白在年轻叶片中连续合成的缘由好像是psbA

9、的转录 产物使核糖体优先汇合，这种力量或许与D-1蛋白的高周转率有关也2水解酶在年轻中的作用年轻叶片中RNA与蛋白质含量上的变化是由两方面的因素造成的。其一是基因表达 的调控使某些基因产物合成削减；其二是由于水解酶的特别表达加速了细胞内生物大分子 的降解风 用PCR方法从番茄中分别得到两个年轻诱导的RNase基因的cDNA克隆。将 它们同年轻诱变的转录产物杂交，发觉这两个克隆分别对应番茄中的LX-RNase与 LE-RNaseQ在年轻程度较高的时期，LX的诱导表达量比LE更高。在年轻的花和离体叶 片中，RNase基因表达较低，而在茎、根及不同成熟阶段的果实中没有表达。幼年离体叶 片中，LX基因

10、的表达可被乙烯活化，而LE则被脱落酸活化。此外，外部损害也可导致LE 的临时表达。因此LX可能在年轻时期的RNA代谢中起作用，而LE则可能与植物受伤时 的主动防备有关。尽管已经发觉了一些年轻诱导的水解酶基因，但是由于植物细胞中那些 非诱导的降解酶一般具有比较高的背景，这方面的工作有待进一步深化。植物年轻中，质膜崩解是一个至关重要的过程。磷脂酶（PLD ）在其中起着关键作用。 磷脂酶A是拟南芥中最为普遍的一种磷脂酶，它的表达能被反义cDNA片断抑制。缺乏 PLD的转基因植物的离体叶片在脱落酸与乙烯中培育，其年轻过程比野生型慢。年轻水平 的衡量标准是叶片黄化程度、离子渗漏量、光合作用活性、叶绿素与

11、磷脂含量。脱落酸与 乙烯的处理能使PLD的mRNA、蛋白质水平及其活性提升。在没有上述两种处理的状况 下，转基因植株与野生型在年轻速度上是相近的。此外，PLD的抑制并未转变植物的自然 生长与发育。因此，磷脂酶被认为是在离体叶片中由植物激素启动的触发年轻的重要媒介, 而并非自然年轻中的直接启动因子。3植株年轻的遗传操纵叶片的年轻掌握与细胞分裂素有亲密关联，年轻叶片中细胞分裂素水平消失明显下降。 将合成细胞分裂素的ipt (isopentenyl transferase )基因转化烟草细胞，可使转基因植 株叶片延缓年轻。讨论还发觉，当细胞分裂素只在年轻叶片中产生时，植物本身有一种自 主调控系统可阻

12、挡激素的过度合成mi。构建这种自主调控的年轻抑制系统是按以下步骤进行的。拟南芥的SAG 12基因的表 达是年轻特异性的。把SAG的启动子与ipt基因的编码区相连，构建P-12-IPT ,转基因 表达，使细胞分裂素的含量不断提高，到达可抑制叶片年轻进程的水平。这种抑制作用紧 接着就会反过来减弱ipt基因的转录，防止细胞分裂素的过度合成。ipt转基因植株除抑制 叶片年轻外，不影响其它发育过程，但能延长有效光合作用的时期。为了证明PSAG12-IPT的SAG 12启动子的反馈抑制，Susheng Gan和Richard M. Amasino构建另一种融合基因PSAG12-GUS ,其中gus作为报告

13、基因。将含有 PSAG12-IPT与PSAG12-GUS的纯合植株杂交，获得同时具有这两个转基因位点的后代。 在只有PSAG12-GUS转基因植株中，GUS活性在年轻消失后的71天里，随着年轻的进 程增加到最高水平直到叶片干枯。在有PSAG12-IPT的状况下,gus表达水平下降了 1 000 倍，叶片寿命增加，年轻相应延迟。因此，通过转基因技术延缓植株年轻对增加作物的干 重及籽粒产量有潜在的应用价值。【参考文献】1 Cai Zhong Jiang, et al.Photosynthesis, rubisco activity and amount, their regulation by t

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