（植物学专业论文）lser诱导衰老的作用与细胞分裂素延缓衰老的机制.pdf

l - s e r 诱导衰老的作用与细胞分裂素延缓衰老的机制 摘要 本文以紫萍为衰老系统，研究了l 丝氨酸在植物叶片衰老中的可能的信号作用，丝 氨酸的积累与光呼吸途径的关系及其他氨基酸的关系，并进而对细胞分裂素延缓叶片衰 老的机制进行了探索。研究发现，当在长日照条件下培养时，半叶状体在6 天时即出现 明显的衰老症状，在1 2 天内完全死亡。如果在培养液中加入i p m6 - 苄基腺嘌呤( 6 b a ) ， 半叶状体的衰老能推迟至少2 个月；如果将半叶状体在黑暗下培养，在6 0 多天内半叶 状体也不会衰老。测定了培养过程中半叶状体内源丝氨酸含量的变化，发现在长日照条 件下丝氨酸含量不仅增加，而且在衰老症状出现之前达到一个峰值，之后又随着衰老下 降，而在暗下或6 - b a 处理的不衰老半叶状体中，内源丝氨酸的含量则处于相对稳定的 低水平，说明内源丝氨酸的含量变化可能与半叶状体的衰老之间存在一定的相关性。用 外源l - 丝氨酸在长日照和黑暗条件下分别对半叶状体以及完整植株进行处理，测定鲜 重、千重和叶绿素含量的变化表明，大于o 5 r a m 的外源l 丝氨酸确实具有诱导紫萍衰 老的作用，为内源l 一丝氨酸含量的增加与衰老间的相关性提供了进一步的证据。 对比研究了其他l 型氨基酸对半叶状体和完整植株的影响，除发现l 甘氨酸的衰 老诱导作用，l 一天冬酰氨的条件性诱导衰老作用外，其他氨基酸都没有发现有衰老诱导 作用，而且l 精氨酸在黑暗条件下，l 半胱氨酸无论在长日照还是黑暗条件下都可拮抗 l 丝氨酸的诱导衰老作用。说明l 丝氨酸的衰老诱导作用是特异性的。 对于l - 天冬酰氨的条件性诱导衰老作用进行了进一步的研究，发现在含有( 乙二胺 四乙酸二钠) e d t a 的培养液中，l 一天冬酰氨具有促进衰老的作用，而在缺乏e d t a 的 情况下，l 一天冬酰氨不仅具有保绿或延缓衰老的作用，而且具有协同6 - b a 抑制半叶状 体衰老的作用。 甘氨酸是丝氨酸合成的前体。通过使用酶抑制剂羟甲基氨( m o a ) 抑制由甘氨酸 向丝氨酸的转化，表明l 甘氨酸的诱导衰老作用可能主要是通过转化为l 丝氨酸而发 挥的。 通过丝氨酸合成酶抑制剂m o a 和甲酸对半叶状体内源丝氨酸含量的影响表明，长 日照条件下丝氨酸的积累主要是通过光呼吸途径引起的，因此研究了光呼吸途径与衰老 的关系以及光呼吸途径中其他相关代谢产物对半叶状体衰老的影响，发现0 5 m m 甲酸、 乙醇酸、乙醛酸和甘氨酸的作用都小于丝氨酸的促衰老作用。另外，外源蔗糖的给予也 不能逆转半叶状体的衰老过程。说明丝氨酸积累引起的衰老，不可能由于其引起半叶状 l s e r 涛导衰老的作用与细胞分裂素延缓衰老的机制 体中碳水化合物的匮乏所致。因此认为，较高浓度下。内源l 一丝氨酸具有特异性的诱导 衰老的作用。 研究了6 - b a 与l 丝氨酸之间对于半叶状体衰老的相互作用。研究结果表明，6 - b a 与丝氨酸之间存在拮抗作用，而且在衰老的信号途径中，丝氨酸位于6 - b a 作用的下游。 因为在植物体内，丝氨酸：乙醛酸转氨酶( s g a t ) 负责丝氨酸的进一步转化，所以研究 了6 - b a 对该酶的影响。研究结果表明在不含有6 - b a 的培养液中，随着半叶状体趋向 衰老，伴随丝氨酸含量的增加s g a t 酶总活力逐渐下降；而在含有细胞分裂素培养液中 培养的半叶状体，s g a t 酶总活力是在增加。用从紫萍中克隆到的编码s g a t 基因的部 分c d n a 合成的探针做n o r t h e m 杂交，结果显示光呼吸途径中s g a t 基因的表达受细 胞分裂素上调，受衰老下调。基于以上结果，我们推测细胞分裂素在维持光呼吸途径的 正常运转中具有至关重要的作用，至少可能通过维持s g a tm r n a 水平的稳定和s g a t 酶的活性，促使丝氨酸的快速转化，进而延缓了衰老。这可能是细胞分裂素延缓紫萍半 叶状体衰老的部分分子机制。 关键词：l 丝氨酸，诱导衰老，光呼吸途径，细胞分裂素，紫萍 i i s e n e s c e n c e - i n d u c i n gr o l eo f l - s e r i n ea n dm e c h a n i s m o f e y t o k i n i ni nd e l a y i n gs e n e s c e n c e a b s t r a c t t h er o l eo fl s e r i d ei ni n d u c i n g - s e n e s c e n c e ，r e l a t i o n s h i pb e t w e e nl 。s e r i n ea c c u m u l a t i o n a n dp h o t o r e s p i r a t i o np a t h w a y ，a n dt h em o l e c u l a rm e c h a n i s mu n d e rw h i c he y t o k i n i nd e l a y s s e n e s c e n c ew e r es t u d i e di n 印i r o d e l ap o 砂r r h i z ap 1 4 3 h a l f - f r o n d sw i t h o u tr o o t sa n dt h e m e r i s t e m a t i cp o c k e t sd e v e l o p e d a p p a r e n t s e n e s c e n c es y m p t o mw h e n t h e yh a d b e e nc u l t i v a t e d o nt h em e d i u ms u i t a b l ef o rv e g e t a t i v eg r o w t ha n du n d e rl o n g d a yc o n d i t i o n sf o r6d a y s ，a n d d i e da f t e r1 2d a y sc o m p l e t e l y ；b u tt h es e n e s c e n c ep r o c e s sc o u l db ed e l a y e du pt o t w o m o n t h sw h e n1p m6 一b aw a sa p p l i e di n t ot h em e d i u m a n o t h e rf i n d i n gi st h a th a l f - f r o n d s m a i n t a i nt h e i rv i a b i l i t yf o rm o r et h a nt w om o n t h si ft h e ya r ec u l t i v a t e di nt h ed a r k n e s so n t h e s a m em e d i u mc o m p o s e do f o n l yi n o r g a n i cs a l t sa n dw i t h o u ta n ye x o g e n o u sc y t o k i n i n s 髓e a s s a yr e s u l t s o ft h ee n d o g e n o u ss e r i n ei nh a l f - f r e n d sd e m o n s t r a t e dt h a tt h es e r i n el e v e l i n c r e a s e da n da m o u n t e dt oap e a kv a l u ep r i o rt ot h ev i s u a l i z a t i o no f 也es e n e s c e n c es y n d r o m e u n d e r1 0 n g d a yc o n d i t i o n s i nc o n t r a r y , h a l f - f r o n d sc u l t i v a t e do nt h em e d i u mw i t hl t t m6 一b a o rt h e s ec u l t i v a t e di nt h ed a r k n e s s m a i n t a i n e dar e l a t i v e l yl o wa n ds t a b l es e r i n e1 e v e l ，w h i c h i m p l i c a t e dt h a tt h e r em i g h tb es o m er e l a t i o n s h i p sb e t w e e n t h ec h a n g eo f e n d o g e n o u ss e r i n e l e v e la n dt h es e n e s c e n c eo fh a l f - f r o n d s t h i sw a st e s t e db ya p p l y i n ge x o g e n o u sl s e r i n ei n t o t h em e d i u m i tw a ss h o w nt h a te x o g e n o u s l ya d d e dl s e r i n ea tac o n c e n t r a t i o no fm o r et h a n 0 5 m mn o to n l yp r o m p t e dt h es e n e s c e n c ep r o c e s so fe x c i s e ds p o l y r r h i z ah a l f f r o n d s b u t a l s oi n d u c e d 也es e n e s c e n c eo fi n t a c tp l a n t sb o t hu n d e rl o n g d a yc o n d i t i o n sa n di nt h e d a r k n e s s w h i c hp r o v i d e ss u p p o r t i n ge v i d e n c ef o rt h er e l a t i v i t yb e t w e e n h i g hl e v e lo f l - s e n n e a n dt h ej n i t i a t i o no fs e n e s c e n c e n os i m i l a rs e n e s c e n c e i n d u c i n ge f f e c tw a so b s e r v e do fo l e ra m i n oa c i d se x c e p tl g l y c i n e a n dl a s p a r a g i n e a n dt h ee f f e c to fl a s p a r a g i n ew a sc o n d i t i o n a l t h ep o s s i b l er o l eo f l g l y c i n ea n dl a s p a r a g i n ei ni n d u c i n gs e n e s c e n c eo f h a l f - f r o n d su n d e rl o n g d a yc o n d i t i o n s w a sf u r t h e ri n v e s t i g a t e d g l y c i n ei st h ep r e c u r s o rs u b s t a n c eo fs e r i n eb i o s y n t h e s i s i tw a s f o u n dt h a tt h e a p p l i c a t i o no fm o a ( m e t h o x y l a m i n e ) as p e c i f i c i n h i b i t o ro fg l y c i n e d c c a r b o x y l a s e ，i n h i b i t e dt h ea c c u m u l a t i o no fs e r i n ea n dr e s u l t e di n t h ea c c u m u l a t i o no f g l y c i n e ，b u td i dn o tc a u s et h ei r r e v e r s i b l ep r o c e s so fs e n e s c e n c e t h e r e f o r e ，t h ee f f e c to f l g l y c i n ei nt h es e n e s c e n c eo fh a l f - f r o n d su n d e rl o n g d a yc o n d i t i o n sm a v b er e s u l t e df r o m l s e f i n ei tw a ss h o w nt h a tl - a s p a r a g i n ec o u l dp r o m o t es e n e s c e n c ep r o c e s si fe d t aw a s p r e s e n tj nt h em e d i u m ，b u td e l a yt h es e n e s c e n c ep r o c e s sa n ds y n e r g i z et h ee f f e c to fc y t o k i n i n w h e ne d t aw a so m i t t e df r o mt h em e d i u m a na n t a g o n i s t i ce f f e c tw a sf o u n db e t w e e n l - s e n n ea n dl a r g i n i n ei nt h ed a r k n e s s a n dl s e r i n ca n dl c y s t e i n eb o t hu n d e rl o n g d a v c o n d i t i o n sa n di nt h ed a r k n e s s a b o v er e s u l t sf i u t h e rs u g g e s tt h ei d e at h a to n l yl s e r i n e b u t n o ta l la m i n oa c i d sc a r lp r o m p tt h es e n e s c e n c eo fh a l f - f r e n d s u n d e r l o n g - d a y c o n d i t i o n st h ea c c u m u l a t i o no fs e f i n ei nh a l f - f r o n d sw a si n h i b i t e db y m o a ， b u tm u c hl e s ss i g n i f i c a n t l yb yf o r m a l d e h y d e ，ag e n e r a li n h i b i t o ro fs e r i n eb i o s y n t h e s i sf r o m g l y c i n e t h i sd e m o n s t r a t e s t h a tu n d e r l i g h tc o n d i t i o n st h ee n d o g e n o u ss e r i n ei sm a i n l y , i f n o t a l l ，s y n t h e s i z e db y t h e p h o t o r e s p i r a t o r yp a t h w a y t h e r e f o r e ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e n s e n e s c e n c ep r o c e s sa n dp h o t o r e s p i r a t i o nw a si n v e s t i g a t e d i nt e s t i n gt h ee f f e c to f u p s t r e a m i i i s e n e s c e n c e - i n d u c i n g r o l eo f l - s e r i n ea n dm e c h a n i s mo f c y t o k i n i ni nd e l a y i n gs e n e s c e n c e s u b s t a n c e so fp h o t o r c s p i r a t o r yp a t h w a yo ns e n e s c e n c e , i tw a so b s e r v e dt h a ta p p l i e da t 0 5 m m ，o n l yl g l y c i n e a n dl - s e r i n e ，b u tn o t g l y c o l l a t e ，g l y o x y l a t e o r f o r m a t e ，i n d u c e d s e n e s c e n c eo fh a l f - f r o n d s a p p l i c a t i o no fs u c r o s ei n t ot h ec u l t i v a t i o nm e d i u m w a sn o tf o u n d t ob ea b l et oi n h i b i t 血es e n e s c e n c ep r o c e s s ，w h i c hs u g g e s t e dt h a tt h es e n e s c e n c ew a sn o t c a u s e db ys h o r t a g eo f c a r b o h y d r a t e s ，r e s u l t e df r o m t h ea c c u m u l a t i o no fs e r i n e s ol - s e r i n ea t h i g h e rc o n c e n t r a t i o nc o u l dh a v eas p e c i f i ce f f e c to fi n d u c i n g s e n e s c e n c ei nd u c k w e e d t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nl s e r i n ea n d6 一b ao ns e n e s c e n c eo fh a l f - f r o n d sw a ss t u d i e dw h e n h a l f - f r o n d sw e r ec u l t i v a t e di nt h ep r e s e n c eo fb o t 1l s e r i n e ( 1 m m ) a n d6 一b af lp m ) t h e r e s u l t ss u g g e s tt h a tl s e r i n ec a l la n t a g o n i z et h ee 髓c to f6 一b ai nd e l a y i n gt h es e n e s c e n c ea n d 血a te y t o k i n i ni so nt h eu o s t r e a mo fl s e r i n ei nt h es i g n a l i n gp a t h w a yo fs e n e s c e n c e a ss e r i n e ： g l y o x y l a t ea m i n o t r a n s f e r a s e ( s g a t ) c a t a l y s e st h ec o n v e r s i o no fl s e r i n e ，t h ee n z y m ea c t i v i t y a n dt h ee x p r e s s i o no ft h eg e n ec o d i n gf o rt h ee n z y m ew a si n v e s t i g a t e d i tw a sd e t e c t e dt h a t t h et o t a ls g a t a c t i v i t yo f h a l f - f r o n d sd e c r e a s e da l o n gw i t ht h ea c c u m u l a t i o no fs e r i n ed u r i n g s e n e s c e n c e b u ti n c r e a s e dd u r i n gc u l t i v a t i o no nc y t o k i n i n c o n t a i n i n gm e d i u m n o r t h e mb l o t a n a l y s i su s i n gt h ep r o b es y n t h e s i z e df r o mae d n ae n c o d i n gs g a t i ns p i r o d e l a p o l y r r h i z a p 1 4 3s h o w e dt h a tt h e e x p r e s s i o n o ft h i s g e n e w a s u p r e g u l a t e db yc y t o k i n i n b u t d o w n - r e g u l a t e dd u r i n gs e n e s c e n c e b a s e do n 也e s er e s u l t sw ep r o p o s e dt h a tc y t o k i n i nw a s n e e d e di nm a i n t a i n i n gt h eo p e r a t i o no f p h o t o r e s p i r a t o r yp a t h w a y , a tl e a s tk e e p i n gt h em r n a e n c o d i n gs g a t a ta h i g hl e v e l ，t h u st h ee n c o d i n gp r o t e i n ( s g a t ) ，w h i c hr e s u l t e di nt h er a p i d c o n v e r s i o no f e n d o g e n o u ss e r i n ea n d d e l a y e d s e n e s c e n c e k e yw o r d s ：l s e r i n e ，i n d u c i n gs e n e s c e n c e ，p h o t o r e s p i r a t i o n ，c y t o k i n i n ，s p i r o d e l a p o f 妒抽扬d i v 笙兰堕 第一部分前言 一叶片的衰老及其衰老机理的探索 ( 一) 研究叶片衰老的意义 生物体从诞生到生长发育乃至衰老死亡，是生命发展的必然规律。其中衰老是自然界 中每种生物都必须经历的发育过程。对于生物机体来说，衰老导致最终的死亡，而生物体 不同器官以及组织和细胞中发生的衰老可能是整个机体走向衰老的前奏。就植物而言，叶 片作为光合作用的主要器官，从形成叶绿体便开始进行光合作用，将c 0 2 和h 2 0 合成有机 物，并释放出能量，源源不断地运到植物的其它部分，以满足植物生长发育的需要。同时， 叶片的生长状况不仅涉及植物整体的营养生长，也是生殖生长的基础，是衡量植物长势的 重要指标。而当植物开始衰老时，随着叶片固定二氧化碳能力的逐渐下降，叶片最终也将 降解、死亡，可以说叶片的衰老是叶片发育的最后阶段( b u c h a n a n w o l l a s t o n ，1 9 9 7 ；n a m ， 1 9 9 7 ；q u i r i n oe ta 1 ，2 0 0 0 ) ，也是植物界最普遍、最重要的衰老现象之一。 虽然叶片降解产生的营养物质被运输到植物的其它组织，以利于营养物质的再利用， 这种循环再利用过程，对于植物自身的生长和繁育是非常有利的，但是在农业生产上，叶 片衰老将影响许多作物的收成，并导致蔬菜作物收获后的损失，降低经济收入。尤其是植 物叶片的早衰现象普遍存在，各种外界因素，都能导致早衰现象的发生。研究发现，多种 重要的农作物如水稻、大豆、小麦、棉花等，生命后期皆不同程度地出现早衰现象，这是 影响产量的重要原因之一。衰老是无法避免的自然现象，但如果能够认识衰老的原因，推 迟衰老的进程则是可能的。据理论推算，如能在作物成熟时期，设法延长功能叶片的寿命 一天，产量便可增加2 ( 徐爱东，1 9 9 9 ) 。如能在不良生长条件下，延缓植物叶片的衰老， 则有利于植物度过难关，当生长条件好转后，植物又能恢复生长。因此，研究植物叶片的 衰老机理对于指导农业生产意义重大，研究成果可以直接转化为现实生产力。研究植物衰 老问题不仅仅着眼于植物科学本身，更重要的是为了人类的生存与未来。 ( 二) 植物叶片衰老的机理 1 叶片衰老的概述 衰老( s e n e s c e n c e ) 是机体各个部分功能的衰退和老化过程。衰老常常发生在植物由成 熟期转向生殖期的阶段。植物的衰老过程也是种程序性的细胞死亡( p r o g r a m m e dc e l l d e a t h ，p c d ) ，是指细胞通过启动自我破坏系统从而达到使自己死亡的目的，具有原发性、 障碍性、渐进性和普遍性的特点( j o n e sa n dd a n g l ，1 9 9 6 ；n o o d d n ，1 9 9 7 ) 。叶片衰老是一 i 第一部分前言 种程序性细胞死亡的主要依据是：功能上，叶片衰老并非只是一种退化过程，它也是养分 从衰老细胞向幼叶、发育中的种子或储藏组织转运的再循环过程( s m a r t ，1 9 9 4 ) ；结构上， 衰老过程中叶片细胞经历了明显的亚细胞变化。其中叶绿体结构完整性的破坏是叶片衰老 的最初反应，之后是细胞核的分解。叶绿体在叶片衰老中的调节作用可能类似于线粒体对 动物p c d 的调节作用。研究表明动物细胞代谢的紊乱导致线粒体膜完整性的破坏，使得 一些启动细胞衰老过程的因子释放，从而诱发了衰老( j o n e s ，2 0 0 0 ) 。但是植物线粒体直到 叶片衰老的最后阶段仍有功能，所以植物线粒体不可能以同样方式启动叶片细胞的衰老 ( t h o m s o na n dp l a t t a l o i a ，1 9 8 7 ) 。 叶片衰老的最明显特征是叶片黄化，即叶绿素的逐渐丧失，还有叶绿体结构破坏，光 合功能衰退，呼吸活动增强，光合产物的生产、供应逐渐减少。叶片衰老的普遍特征之一 是蛋白质的迅速丧失，也就是说衰老过程总的表现为“氮的负平衡”，这与动物衰老是一 致的。所以蛋白质含量的变化也是衡量衰老进程的常用指标。许多人认为，以蛋白质含量 的变化表示衰老的程度较以叶绿素丧失更为真实。与此同时，植物细胞衰老还伴随r n a 的水解、呼吸速率的变化以及乙烯的产生。脂类过氧化作用也是衰老的固有特征，是自由 基的来源，尤其是烷氧自由基、过氧化自由基和单线态氧，因此测定脂类过氧化程度也很 重要。叶片衰老时的这些复杂生理变化是描述叶片衰老的主要特征。也正因为叶片衰老症 状的复杂性，所以t h i m a n n ( 1 9 8 2 ) 又将植物的衰退过程称为“衰老综合症”。 2 叶片衰老机理的几种假说 叶片衰老是植物生长发育的最后阶段，是一个不可逆的走下坡路的正常阶段，这一阶 段包括一系列代谢变化，错综复杂。叶片的自然衰老和它的生长发育过程一样，由核基因 控制并受到许多因素的调控( a m a s i n o ，1 9 9 7 ) 。既受来自于繁殖和植物激素等内部遗传因 素的影响( t i m a n n1 9 8 2 ；n o o d 6 n1 9 9 8 ) ：也受外界环境因子，包括干早、臭氧、避光、极 端温度、机械损伤、病原体感染和营养缺乏等的影响。下面是从不同水平对植物衰老机理 提出的假说，主要有营养胁迫假说、光碳失衡假说、激素平衡假说和基因调控假说。 2 1 营养胁迫假说 营养胁迫假说( m o l i s h ，1 9 3 8 ) 认为，叶片的衰老主要是由于生殖器官从其它器官获取 大量营养物质，使其它器官因缺乏营养而死亡。这种假说对于解释叶片的衰老现象十分简单， 而且许多实验证据也都证明了它的合理性。但由于在这种简单的解释后面涉及了多方面的关 系，所以在理论上有一定的局限性。另外，它虽然适用于解释整体植物叶片的衰老，但对于 离体叶片，或者雌雄异株植物叶片的衰老，就往往不能给予圆满的解释了( 宋纯鹏! 1 1 1 。 2 第一部分前言 2 2 激素平衡假说 激素平衡假说是由m e c o l l u m ( 1 9 3 4 ) 在观察黄瓜的生殖生长和营养生长相互关系时， 发现黄瓜授粉后，营养生长受到抑制而提出的。现在知道，虽不存在一种特定的衰老激素， 但已知的五大类植物激素的确和衰老有联系。生长素( a u x i n ) 、细胞分裂素( c y t o k i n i n ，c t k ) 和赤霉素( g i b b e r e l l i n ，g a ) 可明显地推迟离体叶片的衰老；脱落酸( a b s c i s i ca c i d ，a b a ) 和乙 烯( e t h y l e n e ) 可加速离体叶片衰老。在这五类激素中，生长素抗衰老效果较小，赤霉素在一些 情况下有效，细胞分裂素延缓衰老最有效，但对整体植株的抗衰老效果比离体差。植物整体 的衰老耿决于植物体内源激素的平衡状况，尤其是细胞分裂素脱落酸之间的平衡。激素平 衡假说能更好地说明植物叶片的衰老。因为随着生殖阶段与营养阶段的转变，地上部分对于 根系营养供应减少，根系本身的活力也开始衰退，使得c t k 的合成量与向上的输送量下降， 相反a b a 含量增高：到生殖后期，叶片得到的c t k 越来越少，而a b a 浓度越来越升高， 使得二者比例失调，诱发并加速叶片的衰老。以上实验结果表明：自然衰老的叶片由于内 源激素的不平衡，( 可能主要是) 使促衰老激素的作用大于c t k 延缓衰老的作用，致使细 胞走向衰老。后来w o o l h o u s e ( 1 9 8 2 ) 更好地概括了激素平衡假说，他认为植物营养生长阶 段，由地上部和地下部器官所合成的激素，通过运输在体内形成一个反馈环，相互协调，维 持植物正常的生长和代谢。 2 3 光碳失衡假说 光碳失衡假说认为，叶片衰老进程中光合器官衰退导致活性氧和自由基的产生，由于 后者的破坏作用而引起衰老( h a r m a n ，1 9 5 6 ) 。光碳失衡假说的重点在于解释叶片衰老进 程中光合器官衰退的变化。叶片衰老期间核酮糖一l ，5 - 二磷酸羧化酶力氧酶( r u b i s e o ) 含量、 活性的衰退速率快于光系统和叶绿素含量的降低。正常情况下，叶片中的光系统通过光合 电子传递链生成光合还原力，使光合机构运转正常。但是由于衰老叶片中羧化酶活性下降 速度较快，从而打破了能量的供需平衡，使光合碳循环消耗的a t p 和n a d p h 减少，叶绿 体中电子受体n a d p + 匮乏，还原态f d 将电子传递给0 2 形成超氧化物阴离子自由基( 0 2 ) 。超氧化物歧化酶( s o d ) 在植物体内负责清除0 2 ，使其成为分子氧和h 2 0 2 ，h 2 0 2 在过氧化氢酶( c a t a l a s e ，c a t ) 作用下形成h 2 0 。而衰老过程中c a t a l a s e 活性的下降同样 也快于s o d 活性的下降，这样就导致了h 2 0 2 的积累。大量积累的h 2 0 2 和0 2 相互作用，产 生o h 和0 2 + 。由于o h 可与蛋白质中的多种氨基酸残基发生反应，抑制了许多酶的活 性( f u c c i ，1 9 8 3 ) 。同时o h 还可以使膜的不饱和脂肪酸过氧化( f o n g e ta 1 ，1 9 7 3 ) ，其中 间产物自由基和最终产物丙二醛( m d a ) 都对生物膜造成严重损伤( 汤学军，1 9 9 3 ) ，导致 第一部分前言 膜的结构及生理完整性的破坏( h a i l l i e ta 1 ，1 9 8 2 ) 。另外0 2 还可对d n a 分子产生氧化性损 伤，导致d n a 链的断裂缺失、d n a _ 一蛋白质交联等。所以光碳失衡假说又称活性氧假说， 因为主要是由于光合作用的降低破坏了能量平衡，使电子和能量传递过程中产生的活性氧对 植物细胞造成多方位、多层次的伤害，这可能是诱发植物体衰老的主要内因。叶片衰老期间 光合作用能力的迅速降低是一个显著的问题( j i a n ge t 以，1 9 9 3 ) ，而且研究表明：光合能力降 低到一定的阈值可能是引发衰老的信号( s a m r t1 9 9 4 ；b l e e c k e ra n dp a t t e r s o n ，1 9 9 7 ) 。 2 4 基因的时空调控假说 基因的时空调控假说最早来自于叶绿体衰老早于细胞核衰老的实验证据。该假说最早 由t h o m a s ( 1 9 7 5 ) 提出，是在分子水平上对叶片衰老的机理进行了解释，认为核基因在叶 片发育的时间和细胞空间上，通过调节质体的衰老程度或者与叶片衰老启动有重要关系的 某物质的合成，从而诱导叶片的衰老。随着近年来分子生物学，特别是基因的分离、克 隆技术的发展，迄今为止，已在拟南芥、芦笋、大麦、玉米、胡萝h 、马铃薯等许多植物 中鉴定出6 0 多个与叶片衰老相关的基因( s e n e s c e n c e a s s o c i a t e dg e n e s ，s a g s ) 。叶片衰老 不仅被一系列衰老特异的基因所调控，而且同时被参与细胞其它发育过程的基因所调控。 衰老相关基因可以分为6 类( n o o d na n dp e n n e y ，2 0 0 1 ；l i m ，2 0 0 3 ) ，1 调节自然衰老相关 的基因；2 除调节叶片衰老外，还调节细胞内其它生物过程的基因：3 应答环境因子影 响的衰老基因；4 ，上调与衰老过程相关的基因或者下调维持细胞活力的基因：5 参与衰 老调控因子的降解过程，这5 类基因可能参与衰老的启动和进程。6 衰老过程的下调基因， 参与细胞裂解和营养恢复，主要是衰老过程启动后表达的基因。g a n ( 1 9 9 7 ) 提出叶片衰 老可能受多条途径组成的网络系统调节，因此，封闭个别途径可能不会完全抑制叶片的衰 老，并将此称为叶片衰老的可塑性；还有，n o o d 6 n ( 1 9 9 8 ) 曾提出，完整植株的衰老似乎 由不同的、松散联系的平行过程组成，可见，衰老过程中基因的表达及其调控是相当复杂 的。 最近，模式植物拟南芥在叶片衰老方面的研究取得了突出的进展。通过对带有叶片衰 老症状的拟南芥突变体的分离，发现许多与衰老调控相关的基因。其中对突变体o r e 4 1 的 研究表明，该突变体能延缓叶片的自然衰老丽不是激素或暗诱导的衰老( w o o e t 以2 0 0 2 ) ， o r e 4 1 突变体( 编码质体核糖体小亚基1 7 的o r e 4 基因的突变体) 在叶绿体的功能和光合 作用方面有一定的缺陷，由于质体核糖体蛋白小亚基1 7 基因( p r p s l 7 ) 表达的降低，使植 物受到的氧化胁迫也降低，使得叶片衰老表型的出现得到延缓，因此推测o r e 4 一l 基因可能 是衰老过程中的关键性因子( m u n n e b o s c ha n da l e g r e ，2 0 0 2 ) 。而且这与在动物老化中的 4 第一部分前言 研究结果类似，但是还需要进一步的实验证据( k i m u r a ，1 9 9 7 ；g u a r e n t e ，1 9 9 7 ) 。 表l 拟南芥中具有叶片衰老症状的突变体 t a b l e1 s u m m a r yo f m u t a n t sw i t ha l t e r e dl e a f s e n e s c e n c ep h e n o t y p e s d l s l d e l a y e d l e a f s e n e s c e n c e ；r e d u c e dp r o t e i n y o s h i d ae ta 1 ，2 0 0 2 a d e g r a d a t i o n ； d l se n c o d e sa r g i n y lt r n a ：p r o t e i nt r a n s f e r a s e e i n 3 e t h y l e n e i n s e n s i t i v e ；d e l a y e dl e a fs e n e s c e n c e ； g r b i ca n db l e e c k e r , a l l e l i ct oo r e 31 9 9 5 ；o h “a 1 1 9 9 7 h y s le a r l yl e a fs e n e s c e n c e ；a l l e l i ct oc p r s ； y o s h i d ae ta 1 ，2 0 0 2 b c o n s t i t u t i v ee x p r e s s i o no fp a t h o g e n e s i s r e l a t e d g e n e s ； ! ! 垒! ! ! ! 皇! ! ! 旦! 墨! ! ! ! ! 旦g 塑 o l d l e a r l y l e a fs e n e s c e n c ei n a l l a g e d e p e n d e n tj i n g e ta l ，2 0 0 2 m a n n e ra sw e l la se t h y l e n e i n d u c e dc o n d i t i o n o r e l d e l a y e dl e a f s e n e s c e n c e o he ta 1 1 9 9 7 o r e 4 d e l a y e d 1 e a fs e n e s c e n c e o n l y i na nw o oe ta 1 2 0 0 2 a g e d e p e n d e n tm a n n e r ；o r e 4e n c o d e sap l a s t i d r i b o s o m a ls m a l ls u b u n i t17 ：r e d u c e dl e a f 壁! 坚垫垡! o r e 9 d e l a y e d 1 e a rs e n e s c e n c e ：o r e 9e n c o d e saw o oe t 甜。2 0 0 2 p r o t e i nt h a tc o n t a i n sa nf b o xa n dl e u c i n e - r i c h ! 望! ! ! ! 尽管以上几种假说从不同的侧面对叶片衰老进行了分析，各有其合理性，但单独用一 种假说来解释叶片的衰老是片面的，而且也正因为衰老的复杂性，必须同时从多个角度， 运用多种机制一起来认识衰老的机理。关于糖水乎与衰老机理之间关系的研究就是一个比 较典型的例子。从营养胁迫角度看，早在1 9 7 7 年，t h i m a n n 认为糖饥饿可能是导致衰老的 直接原因。从光碳失衡假说角度看，糖作为光合作用的初级产物，高水平的糖可能通过调 节己糖激酶的表达降低光合速率( y o s h i d a ，2 0 0 3 ) 。所以推测糖水平的高低可能是衰老信号 系统的成员；尽管这个模型没有彳导到证实，但是有许多证据表明光合能力的下降确实对衰 老的启动起着重要的作用。从基因调控假说来看，拟南芥中的研究表明，光照条件下糖的 5 第一部分前言 饥饿导致光合速率的降低，并诱发衰老相关基因的表达。黑暗条件下培养一段时间的拟南 芥植株，由于继之而来的糖饥饿也导致衰老相关基因的表达( h e n s e l e ta 1 ，1 9 9 3 ；q u i r i n oe t d ，。2 0 0 0 ：l a mp t 以，2 0 0 1 ) 。但是也有研究表明，是糖的增加而不是糖的降低诱导了叶片的 衰老( f o rr e v i e w s ，v a n d o o m ，2 0 0 4 ) 。另外，与同一植株的幼嫩和老叶片中内源糖含量相 比较，将要衰老的叶片中糖水平是最高的( m a s c l a u xe l a l ，2 0 0 0 ) ，同时糖的处理加速了烟 草叶盘的衰老( y o s h i