植物衰老的營養(yǎng)機制

1葉片衰老與葉綠體老化植物個體的衰老主要體現(xiàn)在綠色器官的衰老上。不同于動物的衰老,植物綠色器官的衰老具有模塊化的特征,即成熟的器官相對獨立地啟動衰老與凋亡;不僅如此,成熟器官的先后衰老與凋亡常常伴隨著新生器官的發(fā)生與發(fā)育。對于一年生或隔年生的單次結(jié)實性植(作)物而言,生長季節(jié)后期營養(yǎng)器官集中衰老與凋亡,與此同時完成生(繁)殖器官(種子和/或根莖)的發(fā)育與成熟,形成了整個植株衰老的景象。葉片是植物最主要的模塊衰老器官。葉片發(fā)育成熟以后,在外部信號(光溫周期變化和逆境脅迫等)和/或內(nèi)在因子(生理狀態(tài)和激素水平變化等)的作用下遠離主脈的細胞率先啟動衰老,其中的許多衰老相關基因(senescence-associatedgenes,SAGs),特別是許多轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子顯著上調(diào)表達,多種水解酶活性也顯著增強,這些觀察表明葉片的衰老是一個主動的調(diào)控過程(Lim等2007;Guo和Gan2012)。最重要的是,衰老的葉片(綠色器官)與新生的器官,特別是生殖器官,構(gòu)成了營養(yǎng)供求上的“源”(source)與“庫”(sink)的關系,前者為后者的快速發(fā)育提供充足的營養(yǎng),該過程被稱之為營養(yǎng)物質(zhì)動員與再利用(nutrientremobilization)(Masclaux-Daubresse等2010)。因此,綠色器官的衰老本質(zhì)上屬于植物發(fā)育的一個內(nèi)在組成部分。葉綠體是綠色器官中蛋白質(zhì)含量最豐富的亞細胞結(jié)構(gòu)。衰老進程中,葉綠體結(jié)構(gòu)率先發(fā)生解體,積累在其中的大量結(jié)構(gòu)性和功能性營養(yǎng)物質(zhì),包括蛋白質(zhì)、糖類、脂類和核酸等,被降解成各種小分子,如氨基酸、蔗糖和無機磷等。這些小分子物質(zhì)通過篩管組織被轉(zhuǎn)運至新生的組織器官中,特別是種子中,為它們的快速發(fā)育提供物質(zhì)保障。本文對綠色器官衰老進程中營養(yǎng)物質(zhì)的動員與再利用研究進展進行了梳理與總結(jié),同時對未來的研究方向進行了展望。2植物的生長與環(huán)境發(fā)育碳(C)、氮(N)、磷(P)、硫(S)、鉀(K)、鐵(Fe)及銅(Cu)等元素在衰老葉片中的含量大幅降低(Himelblaua和Amasino2001)。這表明它們都可以從衰老葉片中轉(zhuǎn)運出去,用于新生組織器官的發(fā)育。其中,氮素(N)是植物生長最重要也是生長環(huán)境中最缺乏的礦質(zhì)元素之一,同時谷物中的氮素含量也是其營養(yǎng)品質(zhì)高低的決定性因素(Bertheloot等2008)。長期以來,對氮素的動員與再利用研究較為詳盡,因此本文重點介紹這一方面的研究進展。氮素的動員與再利用對種子的發(fā)育至關重要。在小麥和玉米的種子中有50%~90%的氮素自衰老葉片中轉(zhuǎn)運而來(Kichey等2006)。在生殖生長階段,植物根系對外界氮素的吸收能力顯著下降。開花期油菜中的HATs和LATs的活性下降,生殖生長階段擬南芥根中NRT2.1及NRT1.1的表達量降低(Schiltz等2005;Masclaux-Daubresse等2010)。對種子發(fā)育來說,后期根系氮素吸收能力的減弱使得從衰老組織器官中獲得氮素顯得尤為重要。2.1財務共享學整合葉綠體中的氮素約占葉片總氮素的75%,是氮素轉(zhuǎn)運的主要來源(Soudry等2005)。在葉片衰老進程中,葉綠體的超微結(jié)構(gòu)解聚,蛋白質(zhì)、脂類和糖類等物質(zhì)發(fā)生大規(guī)模的降解。目前已知的葉綠體及其蛋白的降解途徑有4種:(1)葉綠體內(nèi)由蛋白酶介導的蛋白質(zhì)降解,(2)非自噬途徑依賴的衰老相關囊泡(senescence-associatedvacuoles,SAV)介導的降解,(3)自噬途徑依賴的Rubisco包含小體(Rubisco-containingbodies,RCB)介導的降解,(4)整個葉綠體的自噬降解(圖1)。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn),在葉片衰老過程中大批蛋白水解酶基因的表達量上調(diào)。葉綠體中包含的蛋白家族主要有Clp、Deg、Ftsh和lon(Adam和Clarke2002)。Ftsh家族蛋白定位在類囊體膜的基質(zhì)一側(cè),暗示這一家族的成員有可能負責捕光復合體蛋白的降解(Sakamoto2006)。研究發(fā)現(xiàn),擬南芥Ftsh6基因缺失突變體在衰老過程中Lhcb3的降解受到明顯的抑制(Zelisko等2005)。位于擬南芥葉綠體內(nèi)的Deg家族的4個成員在PSII的修復過程中發(fā)揮重要作用,它們也有可能參與到衰老階段相關蛋白質(zhì)的降解中(Sakamoto2006)。以Rubisco為代表的可溶性蛋白的降解一直是衰老研究中的重點。有證據(jù)表明,這些蛋白降解的初始步驟發(fā)生在葉綠體中(Kokubun等2002;Zhang等2007);ROS可以把Rubisco大亞基切斷成更小的片段(Feller等2008)。CND41是一種在煙草成熟和衰老葉中大量積累的天冬氨酸蛋白酶。在氮缺失的條件下,野生型葉片的衰老明顯加速,可溶性蛋白大量降解,而在CND41的RNAi轉(zhuǎn)基因植株中可溶性蛋白,特別是Rubisco的積累量顯著增多,表明CND41在可溶性蛋白的降解中可能起著重要的作用(Kato等2004)。捕光復合體(lightharvestingcomplexes,LHC)是除Rubisco外最重要的動員與再利用氮源。在類囊體膜上,葉綠素與各種蛋白質(zhì)結(jié)合形成捕光復合體。葉綠素的最終降解產(chǎn)物貯存于液泡膜中,其中的氮素并不參與氮素的動員與再利用(Tommasini等1998)。但是,在葉綠素降解缺陷的滯綠(stay-green)突變體中,LHC蛋白亞基的降解同樣受阻,表明兩者之間存在偶聯(lián)的降解關系(Park等2007;Ren等2007;Schelbert等2009;Nakajima等2012)?；谌~綠素降解關鍵酶基因PAO和RCCR突變體的光損傷表型,衰老過程中的葉綠素降解被認為是一個解毒的過程,以便于衰老的各個特征性過程,特別是營養(yǎng)物質(zhì)的動員與再利用得以順利進行(Hortensteiner2013)。衰老階段的液泡和細胞質(zhì)中的蛋白酶活性也顯著增強,表明葉綠體外的蛋白降解活動也明顯增加(Yang等2004)。在衰老的擬南芥和煙草葉肉細胞質(zhì)中,存在一種稱之為SAVs的單膜小泡,它們包含基質(zhì)可溶性蛋白以及蛋白酶(Otegui等2005)。在黑暗條件下,內(nèi)含的蛋白酶可以降解其中的蛋白質(zhì)(Martinez等2008)。在自噬相關突變體atg7中,SAV的形成并沒有受影響,表明其形成是非自噬途徑依賴的(Otegui等2005)。RCB是衰老葉片細胞質(zhì)以及液泡中的內(nèi)含基質(zhì)蛋白的小泡(Chiba等2003)。它們具有雙層膜結(jié)構(gòu),可以在葉綠體與液泡之間穿梭,被認為是從葉綠體上衍生出的一類小體結(jié)構(gòu)(Ishida等2008)。在自噬相關突變體atg4中,RCB的形成受阻,表明這類小泡的形成是受到ATG的調(diào)控(Wada等2009)。細胞自噬(autophagy)是目前已知最高效的亞細胞結(jié)構(gòu)降解途徑(Mizushima等2008)。在這一途徑中,廢棄的或者受損的蛋白和細胞器被隔離進一種稱作自噬體(autophagosome)的特化雙層膜囊泡中,在自噬體與液泡或溶酶體融合后被降解。在自然衰老與黑暗誘導衰老的葉片中,多數(shù)自噬基因的表達都顯著上升,而且這一過程與葉綠素的降解聯(lián)動(vanderGraaff等2006)。在擬南芥中過量表達大豆的自噬關鍵基因GmATG8c,能夠在不改變植物發(fā)育進程的同時,延緩葉片的自然衰老進程,顯著提高轉(zhuǎn)基因植株的產(chǎn)量(Xia等2012)。研究發(fā)現(xiàn),擬南芥AtATG4a/b、AtATG5、AtATG7、AtATG9和AtATG18a基因的突變體都對營養(yǎng)缺乏十分敏感,呈現(xiàn)早衰,且衰老葉片基質(zhì)中的蛋白降解不完全(Guiboileau等2012)。作為在降解途徑中起促進作用的自噬蛋白,其缺失突變體卻導致早衰,這一看似矛盾的現(xiàn)象表明自噬途徑在保證衰老的有序進行上發(fā)揮著重要的作用。當自噬途徑被阻斷后,可能導致了營養(yǎng)物質(zhì),特別是氮素營養(yǎng)不能被及時有效地動員與再利用,進而導致發(fā)育異常;也可能是非自噬途徑的啟動引起細胞內(nèi)大范圍的無序降解,從而導致了早衰。2.2gs2在幼葉和煙草葉片中的表達氨基酸是氮素長距離轉(zhuǎn)運的主要形式(Soudry等2005)。葉綠體中蛋白質(zhì)的降解產(chǎn)生的各種氨基酸可以直接裝載到篩管組織中,或經(jīng)過進一步的轉(zhuǎn)化,形成谷氨酰胺以及天冬氨酰,而后被轉(zhuǎn)運。后兩者含有較高的N/C比,有利于提高氮素的轉(zhuǎn)運效率(Masclaux-Daubresse等2010)。植物體內(nèi)存在兩類谷氨酰胺合成酶GS1和GS2(Tabuchi等2005)。GS2主要在幼葉的葉綠體中發(fā)揮作用;GS1定位于胞漿中,其編碼的基因在衰老的葉片中上調(diào)表達,因此被認為在氮素的動員與再利用過程中負責谷氨酰胺的合成(Masclaux-Daubresse等2006)。玉米中GS1的2個成員GLN1.3和GLN1.4基因突變后導致谷粒數(shù)目和重量的下降,而組成型過表達GLN1.3可以增加30%的谷粒數(shù)目(Martin等2006)。水稻中GS1的3個成員主要在衰老葉片的篩管組織表達,其中OsGS1.1的缺失延緩了植株的生長并降低了產(chǎn)量,谷氨酰胺含量的降低使葉片中總氨基酸含量大大下降(Tabuchi等2005)。在楊樹中異源過表達松樹的GS1后,莖干增粗延長;同樣,過表達GS1的煙草葉片中含有更高的蛋白量(Oliveira等2002)。GS1的高表達可以促進衰老葉片中銨根的再吸收,從而提高氮素的動員與轉(zhuǎn)運效率。谷氨酰胺在天冬酰胺合成酶(asparaginesynthetase,AS)的作用下轉(zhuǎn)化成天冬酰胺。擬南芥ASN1受衰老的誘導,雖然其缺失突變體與野生型并無明顯差別,但過表達ASN1基因可以增加篩管中氨基酸的含量,從而提高種子含氮量及千粒重(Lam等2003)。2.3老葉中的氨基酸表達及生理生化特性衰老葉片中蛋白質(zhì)降解產(chǎn)生的大量氨基酸和短肽及其它一些含氮化合物主要通過韌皮部轉(zhuǎn)運至新葉或種子中(Masclaux-Daubresse等2010)(圖1)。這一過程涉及到位于膜上的各類轉(zhuǎn)運蛋白及其調(diào)控。氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白至少包括5個蛋白家族,每一個家族的成員在底物特異性、結(jié)合能力和表達特異性等方面均不盡相同(Rentsch等2007)。氨基酸透性酶(aminoacidpermease,AAP)是一類底物特異性較低的氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白。擬南芥AAP家族8個成員中只有AAP4和AAP5在老葉中具有較高水平的表達,暗示它們可能參與了氮素的轉(zhuǎn)運(Fischer等1995)。降低番茄衰老葉中AAP1的表達可導致果實中氨基酸水平的下降(Koch等2003)。除了AAP家族外,其它家族成員也參與了衰老葉片中氮素的動員與再利用。楊樹Pt-CATII屬于APC亞家族,具有轉(zhuǎn)運谷氨酰胺的功能。隨著衰老葉片中Pt-CATII的表達量不斷上升,位于莖貯藏組織中的谷氨酰胺的含量也不斷增加(Couturier等2010)。氨基酸經(jīng)長距離運輸后,可被位于庫器官的轉(zhuǎn)運蛋白卸載至細胞中,被重新吸收利用。擬南芥AAP家族中的AAP1、AAP2和AAP8基因在發(fā)育的種子中具有較高水平的表達(Kwart等1993;Schmidt等2007),暗示它們可能在此過程中發(fā)揮作用。AAP8的突變造成了種莢中的種子數(shù)下降了50%(Schmidt等2007);AAP2突變體中氨基酸從源向庫的轉(zhuǎn)運發(fā)生改變,導致植株的分枝數(shù)、果莢數(shù)目以及產(chǎn)量明顯提高(Zhang等2010);而AAP1介導的胚胎氨基酸吸收對種子中儲存蛋白的合成及產(chǎn)量性狀的形成則發(fā)揮著重要的作用(Sanders等2009)。除氨基酸外,寡肽、硝酸根及其他一些含氮化合物也可從衰老葉片轉(zhuǎn)運至庫器官中。肽轉(zhuǎn)運蛋白(peptidetransporters,PTR)可以轉(zhuǎn)運二肽及三肽。擬南芥PTR1基因主要在維管組織中表達,暗示其可能參與了寡肽的長距離運輸(Dietrich等2004)。而屬于寡肽轉(zhuǎn)運蛋白(oligopeptidetransporters,OPT)家族的AtOPT3基因在維管組織及發(fā)育的種子中高表達,其缺失突變體的胚胎不能正常發(fā)育,表明AtOPT3介導的寡肽轉(zhuǎn)運及再利用對早期胚胎發(fā)育至關重要(Stacey等2002,2008)。硝酸根在細胞內(nèi)轉(zhuǎn)化成銨根后被利用,但也可以儲存于液泡中,參與氮素的再利用。擬南芥NRT1.7是一個硝酸根轉(zhuǎn)運蛋白,氮缺失可以導致NRT1.7功能缺失突變體的生長受阻,老葉中積累的大量的硝酸根不能被轉(zhuǎn)運至新葉中。NRT1.7基因主要在衰老葉片的維管組織中表達,表明它可能負責源器官中硝酸根的裝載(Fan等2009)。2.4老葉過程中總氮含量、運通過測定高氮和低氮條件下油菜新葉及老葉中的氮素含量,Tilsner等(2005)提出篩管的裝載并不是氮素動員與再利用過程中的限制性步驟。高氮條件下生長的油菜幼葉中的氮素含量遠高于低氮條件下幼葉中的含氮量,而老葉中的氮素含量在高氮及低氮條件下并無區(qū)別,并且篩管中氨基酸的濃度是葉肉細胞胞漿中的4~5倍,表明篩管的裝載及運輸是十分高效的。Soudry等(2005)發(fā)現(xiàn)離體衰老的燕麥及擬南芥葉片中積累了大量的游離氨基酸,而活體的燕麥葉片中氨基酸的含量卻不斷下降。因此,作者提出除了源器官外,庫器官的需求對氮素的動員與再利用同樣十分重要。氮素轉(zhuǎn)運速率在衰老進程中呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢,這一觀察結(jié)果使得研究者認為,在種子發(fā)育的早期,不斷增強的庫強度是決定營養(yǎng)轉(zhuǎn)運的主要因素,而源容量的大小則限制了后期的營養(yǎng)動員與再利用(Schiltz等2005;Gregersen等2008)。3其他影響因素氮素是作物生長需求量最大的礦質(zhì)元素之一,環(huán)境中作物可利用的氮素嚴重缺乏,這使得氮肥的使用成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最昂貴的一項成本支出。更為嚴峻的是,生產(chǎn)上施用的氮肥50%~70%流失到環(huán)境中,造成了嚴重的環(huán)境污染(Erenoglu等2011)。因此,如何提高氮素的利用率成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的一項挑戰(zhàn)。提高植株的氮素動員和再利用效率(nitrogenremobilizationefficiency,NRE)是一個重要且可行的途徑之一。雖然葉片衰老進程中氮素的動員與再利用研究已經(jīng)取得了一定的進展,但是更多的問題還有待系統(tǒng)深入地探索和研究,如氮素動員和再利用的系統(tǒng)調(diào)控