南方科技大学/北京林业大学研究团队合作揭示多

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

近日，南方科技大学、北京林业大学以及瑞典于默奥大学的研究团队合作在Plant Physiology在线发表了题为“Metabolic control of arginine and ornithine levels paces the progression of leaf senescence”的研究论文，揭示了多胺调控叶片衰老的分子机制。

叶片是植物利用光能合成有机化合物的重要场所，叶片光合效率以及时长对农业生产具有重要意义。在作物遗传改良上，长期以来人们十分注重提高叶片的光合效率，而对如何通过直接延长叶片光合功能期和提高营养物质转运效率来提高作物产量和品质关注较少，后者的调节实质上就是对叶片衰老进程的调控。衰老是植物叶片发育的最后一个阶段，在叶片衰老过程中同时进行着大分子物质降解与营养元素回收与循环利用。随着衰老的进行，叶绿素、蛋白质、脂类和核酸降解为可转运的形态并被重新转运到新的生长点或者储藏器官中，例如幼嫩的新叶、花芽、生长中的果实以及种子。叶片衰老进程的快慢直接影响叶片的功能期时长，以及同化产物的积累及营养转运的效率，并进一步影响作物的产量和品质。

叶片衰老调控机理是植物发育生物学的研究热点，同时延缓衰老也是增加作物产量的重要途径之一。植物衰老的进程可以大幅度地影响农业生产的效益，比如粮食的产量及其品质，据在主要作物（玉米, 大豆、棉花、水稻、小麦）上的估算，后期功能叶片晚衰一天，产量可增加2-10％。

植物叶片衰老受到各种复杂外源环境信号、内源植物激素以及叶片年龄等因素的影响和有序时空调控，是重要的发育生物学过程。黑暗或者遮阳是一种常见的诱导叶子衰老的因素，比如密集种植的作物经常遭受这类胁迫，进而影响其产量和品质，培育暗处理耐受性作物是解决策略之一。

该研究利用模式植物拟南芥，通过正向遗传学筛选鉴定到PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR 5（PIF5）为候选基因。代谢组研究发现，精氨酸和鸟氨酸在暗处理的pif5突变体中积累，进而通过三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle）提供能量或产生多胺（polyamines，PAs）而延缓衰老进程。进而发现，亚精胺诱导ETHYLENE BINDING FACTOR1和2（EBF1/2）的蛋白积累，进而抑制乙烯信号通路及延缓叶片衰老。

该研究揭示氨基酸输出的速度和叶片衰老进展之间的调节回路是微调植物叶片细胞死亡的一种机制。如果过多的触发这个通路，会阻碍营养物质的再分配，从而影响植物的生长、发育以及存活。

多胺调控叶片衰老的分子机制

于默奥大学Daniela Liebsch博士、Marta Juvany博士和北京林业大学生物科学与技术学院李中海教授为论文第一作者，南方科技大学生物系郭红卫教授和于默奥大学Olivier Keech教授为通论作者。北京林业大学生物科学与技术学院讲师王厚领博士和南方科技大学植物与食品研究所工程师温兴博士做出重要贡献。本项目得到了国家自然科学基金、深圳市科创委基金、国家重点研发计划和北京林业大学高层次人才引进专项经费的大力资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiac244