杨树叶片衰老分子调控机制

地球上温带地区的落叶乔木在叶片发育过程中存在"春生秋落"的生物学现象,每年秋季叶片颜色由绿色变成黄色或者红色就是典型的叶片衰老现象。叶片衰老会发生叶绿素降解、花青素的积累,以及氮元素等营养物质往韧皮部运输的回收再利用,以供第二年春天生长发育。因此,叶片衰老对于多年生木本植物适应寒冷冬季气候,储存营养物质来年重新萌芽,还被广泛的用于表征气候变化尤其是全球气候变暖,因此林木叶片衰老具有重要的生物学意义。但是,对多年生木本植物叶片衰老的调控机制研究较少。 为了探究木本植物叶片衰老调节机制,以毛白杨(Populus tomentosa)为材料,通过高密度时间梯度转录组学分析鉴定到 3459 个秋季叶片衰老相关基因(ASAGs)。通过基因共表达网络分析(WGCNA)鉴定到 31 个家族 115 个衰老相关核心转录因子(Sen-Hub TFs)。其中,16 Sen-hub TFs(～14%)是NAC家族TF(Sen-NAC TFs),表明NAC TFs在调秋叶叶片衰老中具有重要作用。PtRD26 是所有Sen-hub TFs中表达水平最高,因此对这个基因进行功能分析。在基因克隆时发现随着叶片衰老的进程,PtRD26 基因的第一个内含子发生了滞留事件(IR),分子遗传分析发现该选择性剪切版本的mRNA不被NMD途径降解,产生了截短的多肽PtRD26IR.PtRD26IR只保留了NAC TF的蛋白互作区域,定位于细胞质。生化分析发现,PtRD26IR通过与正常剪切版本的PtRD26 蛋白互作,抑制其结合靶基因。同时,PtRD26IR与其他Sen-Hub NAC TFs互作,从细胞质转移到细胞核,抑制其活性,形成一个多重反馈调控环。功能分析发现,PtRD26通过调控多个 Sen-hub TF 进而促进叶片衰老,而 PtRD26IR抑制叶片衰老。同时表达时,PtRD26IR抑制PtRD26 诱导的叶片衰老过程,起到刹车的作用。因此,PtRD26 通过调控下游靶基因促进叶片衰老,同时产生选择性剪切变体PtRD26IR抑制自身和其他Sen-Hub TF延缓叶片衰老,保障叶片衰老的正常起始和进展,进而保障衰老叶片营养物质的正常回运。研究发现了调控叶片衰老的新机制,为通过精准分子育种培育速生林木提供了理论依据和技术支持。