植物叶片衰老的机理与调控研究进展Word下载.docx

1、叶片衰老；机理；调控；研究进展Research Progress on Mechanism and Regulation of Plant Leaf SenescenceBAI Li-wei（College of Horticulture and Landscape Architecture of SouthwestUniversity,Chongqing 400715,China）Abstrct：Plant leaf senescence is an important characteristic at the late stage of plant development.In crop

2、 production, abnormal leaf senescence can directly affect Photosynthetic Efficiency, thusinfluence the crop yield. bining the plant leaf senescence progress, this paper summarizes themechanism of Plant leaf senescence from each anther organizational structure, cell differentiation, planthormones and

3、 gene regulation, and puts forward directions for future study.Key Words：LeafSenescence；Mechanism；Regulation；Research Progress引言叶片衰老Senescence是指在正常的环境条件下，植物体叶片代活动减弱，生理机能衰退的过程王三根，2003，是叶片发育后期由植株部因素控制的高度有序的衰退过程，是植物细胞程序化死亡Programmed cell death，PCD的一种类型。衰老作为自然死亡的前奏，并不像外表上看到的那样仅是死亡，是植物生长发育周期中一个重要的生理现象，是植

4、物器官或组织逐渐走向功能衰退或死亡的过程周峰，2012。叶片衰老并不是一个被动的退化过程，而是一系列有序调控的结果连涛，2006。在叶片衰老过程中，细胞结构、生理生化代以与基因表达调控等都发生很多变化。在细胞结构上，最主要的变化是叶绿体的降解；在生理生化变化中，叶绿素和蛋白质、膜脂和RNA等大分子的分解以与营养物质再利用等；分子水平上表现为许多衰老相关基因的活跃表达袁政，2002。1叶片衰老过程叶片衰老最显著的形态变化就是叶片颜色的变化，在衰老过程中，生理生化指标的变化是其衰老过程的反响，可用来判断衰老的过程与其程度，而衰老的机理是导致这些生理生化指标变化的根底宝来，2013。研究明确，根据植

5、物叶片生理生化变化的早迟、强弱、方向和幅度，一般将衰老过程划分为三个阶段：诱导期、抵抗期和加剧期。三个衰老阶段表现出不同的生理生化变化特征。第一阶段的变化较大，第二阶段为趋于平稳的变化，第三阶段变化剧烈。即第三、第一、第二阶段的生理生化变化速率依次降低。在衰老诱导阶段，叶片受到衰老信息的刺激，存在于体的衰老机制得到激发，生理生化变化表现为幅度较大的应激反响，呈现出通过生理生化变化来去除衰老信息作用的趋向。在衰老抵抗阶段，是叶片衰老机制和防衰老机制相互激烈作用的时期，因而表现出生理生化变化速率较小的特点。但是，衰老机制逐渐处于主导地位，使生理生化变化逐渐向衰老的方向开展，真正意义的衰老是从这一阶

6、段开始的。在剧烈衰老阶段，体的防衰老机制已失去作用或不复存在，因而生理生化变化表现为变幅很大的衰老特征，最终导致死亡Eng-Chong Pua Michael R.Davey,2010。2叶片衰老的细胞结构和生理功能的的变化研究明确，植物叶片在衰老过程中表现为下述典型特征：叶绿素的降解明显快于合成，蛋白质迅速丧失，RNA大量水解，叶片在形态上表现为黄化现象。叶细胞在衰老阶段显示出一些独特的结构和生化变化。叶片衰老过程中细胞结构变化的一个显著特点是细胞细胞器的解体顺序。最早的结构变化发生在叶绿体，即在基粒结构的改变和容以与形成一种被称为质体小球的脂滴。与之不同的是，和基因表达有关的细胞核和线粒体

7、直到衰老，其结构还保持完整周峰，2012。这反映了叶细胞需要在案衰老过程中保持功能直到衰老的后期，可能是为了有效调动细胞材料。在叶片衰老的最后阶段，PCD典型的特征为如控制液泡崩裂，染色质浓缩，DNA梯状条带被发现在不同种类植物的自然衰老的叶片中，包括拟南芥、烟草。这些观测显示叶片衰老涉与到细胞活动最终导致PCD。最终，原生质和液泡明显的衰变出现。原生质膜的完整性缺失导致细胞平衡破坏，从而在衰老叶片中完毕了一个细胞的生命。的变化植物叶片衰老时的典型生理生化特征是：蛋白质含量显著下降，核酸含量降低，细胞保护酶活性下降与膜脂过氧化程度加重，光合功能衰退和细胞部的激素平衡发生改变海娜等，2007。衰

8、老叶片中细胞的生物学变化首先伴随着降低合成代。所有细胞中多核糖体和核糖体的含量降低相当早，反响了蛋白质合成的降低。随之而来导致rRNAs和tRNAs的合成降低周峰，2012。氨肽酶和內肽酶活性伴随叶片衰老进程显著上升，明确二者参与了叶片衰老过程中蛋白质的降解。与蛋白质含量表现趋势一样，在叶片衰老过程中，RNA含量不断降解，但DNA含量和DNase活性无明显变化朱诚，2000。当叶片衰老时，细胞自由基产生和去除的平衡受到破坏，自由基积累量增多，加剧了细胞膜脂过氧化。研究明确，叶片衰老过程中，植物体保护酶系统，如超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT、过氧化物酶POD以与谷胱甘肽复原酶GSH等和一

9、些小分子抗氧化物质活性和数量显著降低。细胞膜脂氧化产物丙二醛MDA含量增多，2003。与叶绿体快速衰老相比，叶片衰老时在呼吸速率上的表征是，衰老初期快速下降，而后急剧上升，再迅速下降，这种现象和叶片中乙烯含量的动态变化具有高度的对应性洪国，2006。4植物激素参与叶片衰老的调节激素对植物叶片衰老过程具重要的调节作用，其中细胞分裂素（CTK）、赤霉素（GA）、生长素（IAA）、多胺等激素具有延缓衰老的作用，而脱落酸（ABA）、乙稀（ETH）、茉莉酸（JA）、茉莉酸甲酯（MeJA）等具有促进衰老的作用。自Richmond等RICHMOND，1957发现激动素处理苍耳叶片可阻止蛋白质降解、抑制叶绿素

10、降解，进而延缓叶片衰老后，细胞分裂素（CTK）成为研究衰老调节的最常用激素。三唑酮（细胞分裂素类物质）对绿豆幼苗叶片、茶树离体叶片等的衰老也具有类似的作用郭振飞，1998；远庆，2001。细胞分裂素类物质延缓叶片衰老、延长叶片功能期与增产的效应可能与活性氧代有关，用4PU-30（一种苯脲类高活性CTK） 处理月季切花，可明显降低花瓣SOD、CAT活性下降的速度，同时减小负氧离子产生速率和MDA积累量杭芳，2004。近年来,利用细胞分裂素合成酶基因IPT转化调控叶片衰老已成为叶片衰老的分子遗传学调控研究的一个重要方面。Gan等GAN，1995以在拟南芥衰老过程中特异表达的SAG12启动子与IPT

11、基因构建PSAG12-IPT嵌合基因，转化获得的转基因烟草植株叶片衰老和光合功能衰退均减缓，且叶片发育正常，形态与野生型无明显差异。路明路明，2001在研究多胺与激动素对稀脉浮萍离体叶状体衰老的影响中指出外源多胺的作用与细胞分裂素类物质相似，多胺和激动素均可抑制稀脉浮萍离体叶状体在暗诱导衰老过程中的叶绿素损失，且多胺的作用大于激动素。多胺延缓衰老的作用在植物中普遍存在，目前人们已发现多胺可延缓许多双子叶和单子叶植物如豌豆、菜豆、芜菁、烟草、大麦、小麦、玉米、水稻等离体叶片衰老。离体叶片衰老时，水解酶如核糖核酸酶和蛋白酶活性迅速增加，叶绿素含量逐渐下降，而外源多胺可抑制上述过程段辉国，2006。

12、福庚福庚，1999指出，一定浓度的多胺与其前体物均具有明显抑制叶绿素、蛋白质降解的作用，即外源多胺具有延缓离体叶片衰老的作用。钙作为植物生长发育的第二信使亦得到广泛认可。自从20世纪70年代钙调节蛋白（尤其是钙调素，CaM） 被发现以来，人们逐渐认识到钙不仅具有胞外功能，而且具有胞功能。外源Ca2+不仅能够增加胞外Ca2+，改变细胞间隙离子环境，而且可以调节细胞活力从而在一定程度上起到延缓衰老的作用。梁颖等梁颖，1997研究明确，适宜浓度的Ca2+能够抑制叶绿素降解，从而抑制植物组织衰老。王亚琴等王亚琴，2003指出胞外高浓度的Ca2+可稳定原生质膜，延缓膜的衰老，从而降低乙烯的生成；而进入细

13、胞的Ca2+如此可激活CaM第二信使系统，促进一系列酶的活化和细胞膜的膜质过氧化作用，加速乙烯合成。最近发现油菜素酯（BR）缺陷型拟南芥的叶片衰老缓慢，因此BR被认为是一种可操纵的延缓叶片衰老的生长调节物质。与以上几种激素的作用相反，脱落酸和乙烯可促进植物叶片衰老。脱落酸影响细胞膜的透性，加速叶片衰老道智，1998。试验明确正在发育中的果实和种子合成的ABA可诱导叶片衰老，胁迫诱导叶片ABA积累和外施ABA均可促进叶片衰老付振，2005。Guinn 等GUINN，1993研究棉花大田叶片衰老过程中光合作用和ABA、细胞分裂素的关系时发现，细胞分裂素含量的下降和ABA含量的上升是启动棉花叶片衰老

14、的主要因素。董志强等董志强，2005研究指出，棉花在盛花期后，功能叶中ABA含量上升。衰老叶中ABA含量由盛花期至结铃后期呈下降趋势。对小麦叶片的研究明确，乙烯对叶片衰老没有直接作用，但具有促进和延缓叶片衰老的多条作用途径，对叶片衰老的最终影响取决于各途径实现的程度朱中华，1998。综上所述，植物衰老是众多激素相互协调平衡的结果。如IAA、GA和ABA可调节乙烯的合成，GA可促进IAA的作用，ABA对抗IAA等王建勇等，2011。5叶片衰老的分子机制所谓衰老相关基因一般是指叶片自然衰老过程中表达量增加的基因Nam，1997。研究明确，叶片衰老是一个主动的受特定基因调控的过程。衰老过程中，细胞中

15、总RNA含量下降，许多基因停止表达。衰老相关基因包括编码降解生物大分子酶的基因，如核糖核酸酶、蛋白酶、脂酶；另外，还包括转移营养功能的基因如谷氨酰胺合成酶基因glutamine synthetase genes，GS等。Lohman等从玉米、拟南芥和油菜中别离得到的3个与衰老相关的蛋白酶基因，其序列与谷类的特异蛋白酶半胱氨酸蛋白酶的基因序列相似，它们在叶片衰老过程中可能起转移贮藏蛋白的作用。另外，在衰老叶片中鉴定到的SAG12编码的蛋白序列与木瓜蛋白酶的序列相似，这个基因在衰老叶片中特异表达Gan et al，1995，其发现对于研究抗衰老基因工程有很大作用。Buchanan-Wollaston和Ainsworth（Ainsworth,1997）发现了油菜中半胱氨酸蛋白酶基因LSC790，这一基因在叶片发育的所有阶段，如开花、发芽等过程中均有表达，它编码的蛋白质序列与从拟南芥中别离得到的干旱诱导的半胱氨酸蛋