植物衰老机理研究进展探讨

摘要：指出了植物的衰老与自生基因和外界环境中光、温度、水分、营养等因素的影响有关，其调控机制公认的主要有自由基理论和细胞的程序死亡理论。分析了植物衰老时的生理生化变化，探讨了建立操纵植物衰老的方法,在农业生产以及园林花卉、城市绿化、分子育种等众多实用方面具有潜在的价值。

关键词：植物衰老;细胞程序死亡;衰老相关基因;自由基

收稿日期：20120327

作者简介：陈睿（1986—），女，安徽人,云南省西南林业大学硕士研究生。中图分类号：Q945.48文献标识码：A文章编号：16749944(2012)05000604

1引言

植物的衰老（senescence）是指细胞、器官或整个植株生理功能衰退,最终自然死亡的过程［1］。如可以观察到身边植物的落叶、枯萎等植物衰老的现象。衰老是生物体自然死亡前生理上的一系列衰退过程,是长期进化和自然选择的结果。植物的衰老对植物的生态适应、自然选择和内部生理机制的恢复等方面都有明显的积极意义。如多年生乔木在秋季落叶,可减少在冬季水分和热量的散失,起到保护植株安全过冬的作用;草坪草在遇到暂时性胁迫如缺乏必需的矿质元素、极端温度、不合季节的水分供应以及机械创伤和病原菌入侵时,通过衰老机制,对不利环境做出响应,使伤害局限在特定组织内或进行“自我修剪”,待环境条件改善后重新恢复生长。

衰老是植物生长发育、形态建成和对环境应答反应中一个必要的、主动的过程,是受内外因子直接或间接影响的一种器官或组织逐步走向功能衰退和死亡的变化过程［2］。

根据植物生长习性,开花植物有两类不同的衰老方式:一类是一生中能多次开花的植物,如多年生木本植物及草本植物,营养生长和生殖生长交替的生活周期,虽然叶片甚至茎杆会衰老死亡,但地下部分或根系仍然活着;另一类是一生中只开一次花的植物,在开花结实后整株衰老和死亡,这类植物称单稔植物。所有一年生和二年生植物和一些多年生植物(如竹)都属于这类植物［1］。

2植物衰老时的生理生化变化

2.1蛋白质显著下降

许多实验证实,叶片衰老时,总的蛋白质含量显著下降。蛋白质含量下降的原因有两种可能:一是蛋白质合成能力减弱。例如,用延缓衰老的植物激素(赤霉素和激动素)处理旱金莲离体叶或叶圆片,掺入蛋白质中的14C-亮氨酸数量比对照(水)多;用促进衰老的脱落酸处理,掺入蛋白质的数量则比对照还少。这就说明衰老是由于蛋白质合成能力减弱［3］。

另一种可能认为衰老是由于蛋白质分解过快引起的。植物叶片中有70%的蛋白质存在于叶绿体,衰老时首先发生叶绿体的破坏和降解,蛋白含量下降。同时,在衰老过程中,水解酶如蛋白酶、核酸酶、酯酶等活性增大,分解蛋白质、核酸和脂类等物质并进行物质的再循环［1］。

2.2核酸的变化

人们将在衰老过程中表达上调或增加的基因称为衰老相关基因(senescence associated gene,SAG)。而表达下调或减少的基因称为衰老下调基因(senescence down-regulated gene,SDG),SAG包括降解酶如蛋白酶、核酸酶、酯酶等基因、与物质再循环有关酶如谷氨酰胺合成酶基因以及与乙烯合成相关的ACC合酶和ACC氧化酶基因。外加激动素可提高RNA含量,延缓衰老。实验得知,放射性前体在离体衰老叶片中结合到核酸的数量是比较低的,如果用激素延迟衰老,则结合到核酸的放射性前体数量就较多［4］。

例如在叶片衰老过程中,其总DNA 水平变化较小,而总RNA水平尤其是mRNA 水平则剧烈下降［5］。随着叶片衰老,一部分mRNA数量减少或消失,而另外一部分mRNA则出现或数量增加。这说明叶片衰老过程中可能有一些基因受到抑制而低水平表达,甚至完全不表达,而另一些基因则在衰老期间被激活,其表达增强。运用差示筛选和减式杂交分离、鉴定这些衰老相关基因,发现大多数基因的mRNA水平随叶片衰老而提高,即该基因衰老上调基因,其中一类仅在衰老特定发育阶段表达的基因称为衰老特定基因(senescence specific genes,S SGs),它的mRNA只有在叶片衰老时才能检测到。另一类SA Gs在叶片生长初期就可检测到有低水平表达,衰老开始后表达量迅速上升［6］。

而衰老下调基因,如编码与光合过程有关的蛋白质［叶绿素a、b 集光复合体、rbcL、rbcS(2,52二磷酸核酮糖羧化酶加氧酶大亚基、小亚基)、电子传递体(petB)、光合系统(psb A)］的转录本丰度随叶片衰老急剧下降［7,8］。

2.3光合速率下降

叶片衰老时,叶绿体的基质破坏,类囊体膨胀、裂解,嗜锇体的数目增多、体积加大。叶片衰老时,叶绿素含量迅速下降。在大麦叶片衰老时,伴随着蛋白水解酶活性增强的过程,Rubisco减少,光合电子传递和光合磷酸化受到阻碍,所以光合速率下降［9,10］。

2.4呼吸速率下降

在叶子衰老过程中,在衰老早期,线粒体体积变小,褶皱膨胀,数目减少,然而功能线粒体一直到衰老末期还是保留着。叶片衰老时,呼吸速率迅速下降,后来又急剧上升,再迅速下降,这种现象和乙烯出现高峰有关,称为呼吸骤变。因为乙烯加速透性,呼吸加强［10］。

3影响植物体衰老的条件

3.1光照

光能延缓菜豆、小麦、烟草等多种作物叶片或叶圆片的衰老［10,11］。实验表明,光延缓叶片衰老是通过环式光合磷酸化供给ATP,用于聚合物的再合成,或降低蛋白质、叶绿素和RNA的降解。红光能阻止蛋白质和叶绿素含量的减少,远红光照射则消除红光的阻止作用,因此光敏色素在衰老过程中也起作用。蓝光显著地延缓绿豆幼苗叶绿素和蛋白质的减少,延缓叶片衰老。长日照对木槿延缓叶片衰老的作用比短日照更为有效［1］。

3.2温度

低温和高温都会加速叶片衰老,可能由于钙的运转受到干扰,也可能因蛋白质降解,叶绿体功能衰退,叶片黄化［3］。

3.3水分

干旱促使向日葵和烟草叶片衰老,加强蛋白质降解和提高呼吸速率,叶绿体片层结构破坏,光和磷酸化受抑制,光合速率下降［12］。

3.4营养

早在1938 年,molish 就提出“营养亏缺”理论来解释单稔植物的衰老,即生殖器官从其他器官获得大量营养物质,致使其他器官缺乏营养而衰老死亡［1］。这种理论得到了很多实验的证实,例如通过不断摘除幼花可使大豆植株长期保持绿色和繁茂生长,延长寿命数周(molish,1928)。除去充实前的豆荚可延缓豌豆、红花菜豆和大豆植株的死亡(Nooden and Leopold,1978),这种除花保绿技术已长期应用于园艺生产。但后来的许多研究与这种理论是相矛盾的。例如,随着豆荚的发育,即使给大豆提供充足的矿质营养仍然不能阻止它们的衰老(Mark and Nooden,1992)。

还有人认为衰老是由于发育中的生殖器官使得营养器官(如叶片)中糖类缺乏所致(Kelly and Davies,1988)。但大量数据表明,大部分植物叶片衰老过程中,可溶性糖含量是增加的。既然衰老是一种程序化细胞死亡(PCD),是一个主动过程,那么必须要有足够的糖来提供能量;反过来,糖浓度的升高也可能会导致衰老(Lazan et al,1993)。另外,光合作用中,叶片积累的糖分过多,会产生负反馈调节,抑制光合作用的进行,从而导致叶绿体的“功能衰老”。尽管并非所有的负反馈调节都会导致衰老,但至少从某些方面来说,糖的积累参与衰老的启动。

3.5与植物衰老相关的基因

衰老是一种基因编码的程序性事件,衰老期间有新蛋白质的合成和原有蛋白质种类的增减。人们已从拟南芥、大麦、玉米、番茄等植物中克隆出许多与衰老有关的基因。在衰老过程中正调节表达的基因,称衰老上调基因,如SAG12、SAG13、LSC54。β - 半乳糖苷酶基因参与类囊膜主要组分(半乳糖脂)的降解产物(半乳糖)的动员。陈昆松等从中华猕猴桃果实中克隆到了一个β - 半乳糖苷酶基因cDNA 片段,分析结果表明β - 半乳糖苷酶在猕猴桃果实后熟软化的启动阶段起作用。

3.6植物激素

植物激素调控论者认为,植物内源激素含量的变化是调控单稔植物衰老和死亡的原初因子［10,11］。研究表明,植物正常衰老时,促进衰老的激素会增加,而延缓衰老的激素会减少,用外源激素处理,可明显促进或延缓衰老。已发现的五大类激素中,IAA、CTK 和GA 可以延缓衰老,ABA 和乙烯可促进衰老［4］。例如,离体叶片如长出根,则延迟衰老,这是因为根系合成CTK,满足叶片细胞的需要;离体叶片外施CTK 可延长保绿时间,推迟其衰老［13］。乙烯是典型的促进衰老的激素,很多种类切花在衰老过程中,乙烯生存量增加,若用外源乙烯处理,能加速切花衰老,缩短瓶插寿命,相反,用乙烯抑制剂来抑制乙烯的产生或干扰其作用,则可延缓切花衰老［19,20］。GA 在衰老中的作用一般认为是起延缓衰老作用,但Paul 等(1999)发现GA可以启动大麦糊粉层的PCD,这样看来GA 可能并不只是延迟衰老,其详细作用有待于进一步研究。ABA 在衰老中的作用目前也存在争议,Leshem 等认为ABA是一种抵御胁迫和衰老的激素;Kelly and Davies(1998)却认为ABA 是仅次于乙烯的衰老促进剂。在离体叶片中,ABA 促进叶绿素的丧失和蛋白质降解以及其他衰老症状的出现,但上述现象在整体植株的叶片并不显现。目前仍难断定ABA在衰老中的确切作用,它的作用只能同其他激素一起讨论［20］。

细胞分裂素是一类较活跃的植物激素,它不仅能促进植物细胞的分裂和扩大,而且在芽分化的诱导、叶绿体的发育、养分的运输和分配、细胞衰老的抑制等方面都表现显著的效果［9,12］。其调节植物衰老的作用最早由Richmond 和Lang于1957 年观察激动素能阻止欧龙牙草离体叶片的蛋白质和叶绿体的损失而得到证实。在植物衰老过程中,细胞分裂素调节了叶绿素的合成、物质的分解代谢、矿质营养的转移和再分配等多种生理生化过程,在分子水平上对衰老相关基因的表达起到了激活、表达增强和表达抑制等调节作用［4,13］。细胞分裂素的生物合成一般认为有两种途径。一是tRNA 途径,经该途径合成的细胞分裂素很少;二是从头合成途径,这是细胞分裂素合成的主要途径［3 ］,Hen 等于1979 年将该合成途径中起关键作用的异戊烯基转移酶活性片段克隆出来,1984 年A k iyosh i 等从根癌农杆菌中将编码此酶的基因(ipt)分离了出来,并阐明了异戊烯基转移酶是细胞分裂素生物合成步骤中的一个关键限速酶,它促使5′2 AM P 和异戊烯基焦磷酸合成异戊烯基25′2 腺苷磷酸,并最终形成玉米素核苷酸和玉米素。于是先后不少研究人员利用不同启动子与ipt连接导入各种植物,证明了延迟叶片衰老是因为植物体内细胞分裂素含量的增加,利用转基因技术使植物体自动提高内源细胞分裂素,ipt基因转化的研究使延缓衰老的解决方法提高到了分子水平。最初人们以原始(未更换启动子的ipt)为外源基因转化植株,发现不仅植株叶片衰老有所缓解,而且植株形态发生了变化。为了解决植物组织中细胞分裂素过量表达的问题,试用了许多组织特异性启动子和可诱导启动子来表达外源ipt,例如热激启动子、铜诱导启动子、四环素诱导启动子、光诱导启动子、果实特异性启动子、伤害诱导启动子等等,均获得了相应的抗衰老植株,而且大部分的转基因植株的形态不发生变异［19,20］。但这些研究仅仅局限于实验室内,大大限制了抗衰老遗传转化工程在农业生产上的应用。直到1994年,Lohman 等人从拟南芥中克隆出一组SA Gs,并证明其中SA G12 是高度衰老特异的,次年Gan等人把SA G12 特异启动子与ipt 构建成PSA G12~ipt嵌合基因,通过根癌农杆菌介导转化烟草获得转基因植株。这种转基因植株与野生型相比,形态方面无明显差别,根系发育完全,顶端优势得到保持,但在生理方面表现出光合能力延长,叶片衰老大大延迟,花数和生物量增加等;其基本原理是当转基因植物叶片开始衰老时,启动子开始启动,ipt 基因开始表达,细胞分裂素含量增加;而当细胞分裂素增加到一定浓度,叶片衰老延迟,启动子关闭,这就使基因产物保持一定水平,从而防止了细胞分裂素的过量产生而影响植物的正常发育［19］。之后不少专家学者将ipt转入不同农作物(水稻、小麦、烟草、木薯等)中延缓叶片衰老,以求提高作物产量,1998 年付永彩等利用基因枪法将抑制衰老的嵌合基因PSA G12~ipt转入水稻,观察并分析了T1 代转基因植株成熟期的形态,证明了抑制衰老的自我调节系统在部分转基因水稻中表达,叶片衰老受到明显的抑制［4］。1999 年曹孟良通过根癌农杆菌法转化了水稻,并取得了阳性植株。2000 年李洪清等进行木薯的抗衰老、增加产量方面的研究,将PSA G12~ipt通过农杆菌法转入木薯中,获得了转基因植株［13］。

2012年5月绿色科技第5期4植物衰老的调节机制

自1928 年molisch提出营养亏缺学说以来,随着国内外研究的深入进行,相继提出了新的衰老学说以及对衰老学说进行了修补,如植物激素、死亡因子、自由基理论、气孔调控假说、差误理论、衰老基因调控学说和细胞程序性死亡理论等等。在衰老原因的众多理论中,目前较为大家所公认的、很有发展前途的理论主要有:一是自由基理论,二是细胞的程序死亡理论［14］。

4.1自由基与衰老

植物体内的自由基是指植物代谢过程中产生的O·-2、OH·等活性氧基团或分子,当它们在植物体内引发的氧化性损伤积累到一定程度,植物就出现衰老,甚至死亡［15］。但生物在长期进化过程中在体内形成了一套抗氧化保护系统,通过减少自由基的积累与清除过多的自由基两种机制来保护细胞免受伤害。生物体内的抗氧化剂主要有两大类,一是抗氧化酶类,主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢(CAT)、过氧化物酶(POX)等;二是非酶类抗氧化剂,主要有维生素E、维生素C、谷胱甘肽(GSH)等。

许多研究表明,在缺氧条件下,生物体内SOD、CAT活性下降。对菜豆子叶超氧化物歧化酶活性研究发现,其SOD活性随组织衰老而下降,表明植物组织酶的清除能力随年龄增加而下降［16］。自由基、活性氧对植物的损害作用主要表现在生物膜损伤、呼吸链损伤、线粒体DNA损伤等。很多研究集中在活性氧所引发的膜脂过氧化方面。膜脂过氧化即自由基(O·-2、OH·等)对类脂中不饱和脂肪酸引起的一系列自由基反应。脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)是一种氧合酶,专门催化具有顺-1,4 戊二烯结构的不饱和脂肪酸的加氧反应,其中间产物自由基和最终产物丙二醛都会严重地损伤生物膜。丙二醛具有强交联性质,能与蛋白质、核酸游离的氨基结合,形成具有荧光的Schif碱,称为类脂褐色素(Lipofuscin - like pigment,LEP),是不溶性化合物,干扰细胞内正常生命活动代谢。同时,丙二醛与生物膜中结构蛋白和酶的交联,破坏它们的结构和催化功能。活性氧、自由基还能直接与核酸分子作用,使碱基羟基化,发生突变,从而改变核酸的结构。

线粒体呼吸链是细胞内自由基的主要发生器之一,它本身易被自由基损伤。在衰老的植物组织中电子传递链的失衡使得部分电子泄露给O2,呼吸链电子传递出现短路,其结果使ATP生成减少,O·-2等活性氧的产生增加,从而影响细胞的功能［17］。

4.2细胞的程序死亡理论

植物在长期进化和适应环境的基础上有选择性地使某些细胞、组织和器官有序死亡,是其生长发育生存的一个主要特征。因为植物体自身起始和执行死亡过程,故广义上称之为程序化死亡［18］。

程序化细胞死亡最初是在研究动物时被发现的,是机体内存在的一种由细胞特定基因控制的、主动的过程［15］。

后来有人在植物中发现了这种现象,如根系生长发育中导管细胞的死亡;病原菌引起的超敏反应;植物叶片的衰老和死亡等。PCD对植物的发育生存是必需的过程,植物的许多过程如衰老、胚胎发生以及许多胁迫反应等都是通过PCD 运转的。衰老之所以被看作是一种程序化细胞死亡,主要是因为衰老发生的时间、部位、以及发生的方式是专一而有序的［20］。

它并不仅仅是一种消极的老化过程,同时也是养料从衰老部位向新生部位转移的再循环过程。

植物衰老是涉及PCD的生理过程,两者在发生机制和信号传导上存在较多的共性:包括植物衰老和PCD都是由基因控制的主动的过程,它们的发生都依赖新基因的转录和蛋白质的合成。PCD和植物衰老都是一程序性事件。植物衰老与PCD都可以受许多内部发育信号和外部环境信号的影响,从而调节进程的快慢。植物衰老和PCD过程中都存在物质的运转,这在衰老器官中表现为维管束周围组织最后衰老［21］。

植物衰老也是受基因控制的,现在人们已分离出许多与衰老有关的基因其中有编码RNAase、蛋白酶、脂酶等的基因。

有关PCD 分子机制的研究表明,细胞的死亡程序是由核基因和线粒体基因共同调节的,是主动连续的程序化反应,此过程也受细胞内外多种信号系统的诱导和细胞内多种基因的级联反应调控。植物PCD 是指整个原生质(有细胞壁或无细胞壁)在植物某个生命时期主动撤退、消化过程,它在去除不需要细胞质或整个细胞时主要通过自溶、裂解和木质化过程。而植物衰老是在植物生长发育的最后阶段导致许多细胞与器官自然程序化死亡、主动的生理过程,既受核基因控制又受各种环境因子影响。不仅是一种季节性生存战略,同时又是避免不可测胁迫因子的适应战术。在衰老过程中细胞群间衰老速率不一,代谢过程一般来说是主动的、需能过程。

植物衰老的过程不完全是PCD。完整的植物衰老过程应包括两个阶段:第一阶段为可逆衰老阶段,细胞以活体状态存在;第二阶段为不可逆衰老阶段,细胞器裂解,细胞衰退,PCD发生,其中液泡的裂解和染色质降解形成的DNA片段是PCD开始发生的标志。胞间基质相互作用,为细胞的分化、生长和死亡提供必需的信号［14］。

5结语

植物衰老的部分被分解并运送至植物其它生长旺盛的部位,有利于健康部分的生长。但另一方面,衰老引起的植物各种功能的下降极大地限制了作物产量潜力的发挥,对于绝大多数农作物来说,衰老会限制产量。因此研究植物衰老不仅有助于认识其发育过程,而且可能建立操纵植物衰老的方法,使其有利于农业生产以及园林花卉、城市绿化等。认识植物衰老的本质,了解其PCD 机制,将为植物衰老开拓一个新的研究领域。

参考文献：

［1］ 潘瑞炽.植物生理学第五版［M］.北京:高等教育出版社,2004:227~229.

［2］ 沈成国.植物衰老生理与分子生物学［M］.北京:中国农业出版社,2001.

［3］ 潘瑞炽,李玲.植物生长发育的化学控制第二版［M］.广州:广东高等教育出版社,1999:130~801.

［4］ 宋纯鹏.植物衰老生物学［M］.北京:北京大学出版社,1998.

［5］ 郝鲁宁,余叔文.植物细胞内信使及其功能［M］.北京:科学出版社,1992.

［6］ 王亚琴,张康健,黄江康.植物衰老的分子基础与调控［J］.西北植物学报,2003,23(1):182~189.

［7］ BU SH D S.Calcium regulation in plant cell and its role in singnaling［J］.Annu,Rev,Plant Physiol Plantmol Biol,1995(46):122~137.

［8］ 曹孟良.Establishment of efficient A grobacterium mediated transformation of rice［J］.湖南农业大学学报,1999,25(5):349~356.

［9］ 韩碧文.植物生长与分化［M］.北京:中国农业大学出版社,2003.

［10］ 陆定志,傅家瑞,宋松泉.植物衰老及其调控［M］.北京:中国农业出版社,1997.

［11］ Sexton R,Woolhouse H W.Senescence and abscission.In;Wilkins M B eds.Advanced Plant Physiology［M］.London:Pitman Publishing Limited,1984.

［12］ 许智宏.植物细胞分化的调控［M］.上海:上海科学技术出版社,1999.

［13］ 陆定志,傅家瑞,宋松全.植物衰老及其调控［M］.北京:中国农业出版社,1997.

［14］ 秦宏伟.植物衰老机理研究进展［J］.生物学教学,2007(32):7.

［15］ 王树凤,郑春明,徐礼根.植物衰老的分子机制及其调控［J］.四川草原,2000(4):10~13

［16］ 李晴,朱玉贤.植物衰老的研究进展及其在分子育种中的应用［J］.分子植物育种,2003,1(3):289~296.

［17］ 阎成士,李蔼垒,张建华.植物叶片衰老与氧化胁迫［J］.植物学通报,1999,16(4):398~404.

［18］ 朱美君,王学臣,陈珈.植物的编程性细胞死亡［J］.植物生理学通讯,1999,35(5):353~358.

［19］ Larry D.Nooden,Juan J.Guiamet and IsaacJohn.Senescence mechanisms［J］.PhysiologiaPlantarum,1997(101):746~753.

［20］ 华志明,陈睦传,沈明山.植物生长发育中的程序性细胞死亡［J］.生物工程进展,1998,18(3):32~35.

［21］ 李静,沈法富,于东海.植物衰老中的编程性细胞死亡［J］.植物学通报,2004,21(6):724~732.

［22］ Himelblau E,Amasino M.Nutrients mobilized from leaves of Arabidopsis thaliana during leaf senescence［J］.Plant Physiol,2001(158):1 317~1 323.

［23］ Noodén L D,Guiamet J J,John I.Senescence mechanisms［J］.Physiol Planta1,1997(101):746~753.

［24］ Fujiki Y,Ito M,Nishida I,et al.Multiple signaling pathways in gene expression during sugar starvation1 Pharmacological analysis of din gene expression in suspension cultured cells of Arabidop sis［J］.Plant Physiol1,2000(124):1 139~1 147.

［25］ Quirino B F,Noh Y S,Himelblau E,et al.molecular aspects of leaf senescence［J］.Trends Plant Sci,2000(5):278~282.

［26］ Rolland F,Moore B,Sheen J.Sugar sensing and signalingin pants［J］.Plant Cell,2002(14):185~205.

［27］ Ono K,Nishi Y,Watanabe A,et al.Possible mechanisms of adaptive leaf senescence［J］.Plant Biol,2001(3):234~243.

［28］ Woo H R,Goh C H,Park J H,et al.Extended leaf longevityin the ore4~1 mutant of Arabidopsis with a reduced expression of plastid ribosomal protein gene［J］.Plant J,2002(31):331~340.

［29］ Yoshida S.Molecular regulation of leaf senescence［J］.Cur1 Opin1inPlant Biol1,2003(6):79~84.

［30］ He Y,Gan S.A gene encoding an acyl hydrolase is involved in leaf senescence in Arabidopsis［J］.Plant Cell,2002(14):805~815.

［31］ Eulgem T,Rushton P J,Robatzek S,et al.The WRKY superfamily of plant transcription factors［J］.Trends Plant Sci,2000(5):199~206.

［32］ Robatezk S,Somissch I E.Targets of AtWRKY6 regulating during plant senescence and pathogen defense［J］.Gene Dev,2002(16):1 139~1 149.