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中心青年研究员李中海团队揭示DNA损伤诱导植物叶片衰老的分子机制
作者:| 发表时间:20-03-18| 阅读次数:

 

2020年3月12日,New Phytologist在线发表了来自北京林业大学林木分子设计育种高精尖创新中心、韩国基础科学研究所植物衰老研究中心、韩国大邱庆北科技研究院(DGIST)和南方科技大学合作完成的研究论文 “ATM suppresses leaf senescence triggered by DNA double-strand break through epigenetic control of senescence-associated genes in Arabidopsis”,该研究为DNA损伤衰老学说提供了支持并提出新的见解。

 

 

五彩缤纷的叶片是秋天里一道美丽的风景线,殊不知这是由于叶片衰老过程中叶绿素降解引起的。叶片衰老是植物叶片发育的最后一个阶段,最终导致死亡。叶片是特异的进行光合作用的器官,植物投入了大量的能量和物质促进叶片生长。一旦叶片开始衰老,叶片对整个植物体的贡献就开始下降。叶片衰老过程也是一个程序化的影响物质回收、循环利用的过程。对于一年生植物而言,衰老叶片中的营养物质运输至生长旺盛的叶子、果实及种子中。

 
因此,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%。对于多年生植物如树木而言,衰老叶片的氮等营养物质运输到树皮储藏蛋白,以供第二年春天生长发育。
 
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。通过正向遗传学筛选突变体、转录谱分析以及反向遗传学功能分析,鉴定出一批调控植物叶片衰老的调控因子,构建出一些信号通路。但是,植物叶片衰老的分子调控机制依然还不清楚。
 
DNA损伤被认为是引发细胞衰老的因素之一,DNA修复基因发生突变导致多种模式动物早衰,为DNA损伤衰老学说提供了依据。DNA损伤能否引发植物叶片衰老呢?
 

该研究首先发现DNA损伤随着叶片衰老逐渐增加,DNA修复能力逐渐下降。然后通过反向遗传学筛选,发现DNA修复途径重要的成员ATAXIA TELANGIECTASIA MUTATED (ATM)功能突变后,DNA损伤积累增加,植物早衰。

 

 

通过诱导性过表达限制性内切酶I-PpoI引发DNA双链断裂(Double-strand Break, DSB),诱导植物早衰,为DNA损伤促进植物叶片衰老提供了直接证据。转录谱分析发现,DSB上调了大量衰老相关基因表达(Senescence-associated genes, SAGs),包括调控叶片衰老的关键转录因子如WRKY和NAC家族基因(Senescence-associated transcription factors, Sen-TFs)。进一步研究发现,DNA损伤通过影响组蛋白甲基化水平(H3K4me3/H3K27me3),进而上调Sen-WRKYSen-NAC转录因子表达,促进植物早衰。

 

 

该研究表明,DNA修复效率随年龄下降而导致的DNA损伤积累增加,是植物叶片衰老的主要决定因素之一,这支持了DNA损伤衰老学说,表明DNA损伤诱导的衰老是一种进化上保守的机制。

 

 

参考文献

Li Z., Kim J.H., Kim J.S., Lyu J.I., Zhang Y., Guo H., Nam H.G., and Woo H.R. (2020). ATM suppresses leaf senescence triggered by DNA double-strand break through epigenetic control of senescence-associated genes in Arabidopsis. New Phytol. (doi.org/10.1111/nph.16535 ).

Li, Z., Zhang, Y., Zou, D., Zhao, Y., Wang, H.L., Zhang, Y., Xia, X., Luo, J., Guo, H. and Zhang, Z. (2020). LSD 3.0: a comprehensive resource for the leaf senescence research community. Nucleic Acids Res.48, D1069-D1075

Wang H.-L., Guo H. and Li Z. (2019). Gene network analysis of senescence-associated genes in annual plants and comparative assessment of aging in perennials and animals. Transl. Med. Aging3, 6-13.

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