拟南芥蛋白激酶DPK1调控干旱胁迫下叶片衰老的分子机制研究

Leaf senescence is regulated by many endogenous factors and environmental signals. The underlying molecular mechanism and signal transduction pathways of drought-induced leaf senescence remains elusive. In this project, two Arabidopsis drought-sensitive mutants with accelerated leaf senescence were isolated. Genetic analysis indicated that they are single gene recessive and allelic mutants. Gene mapping showed that this gene encodes a protein kinase, named DPK1 (drought -induced protein kinase). A series of experimental results demonstrated that under drought ,compared with wild type plants, dpk1 plants exhibit leaf dehydrate faster and premature aging and lower leaf temperature. Several SAGs are regulated, especially SAG12, under drought stress about reaching 150 times. In addition, drought and ABA could activate DPK1 activity.To reveal the molecular mechanism of how DPK1 mediated drought or ABA regulation of leaf senescence will be beneficial to delay crop leaf senescence, prolong plant life and improve the crop yield.

叶片衰老是一个受内外因子共同调控的复杂过程。研究干旱胁迫下植物叶片衰老的分子机理是一个涉及农业发展和粮食产量的重要课题。目前，干旱诱导叶片衰老的分子机制和相应的信号转导途径还缺少遗传学证据。本研究利用远红外成像技术筛选到两株对干旱敏感且叶片早衰的拟南芥突变体，遗传杂交确定两株突变体为单基因隐性等位突变体。图位克隆该基因为一个蛋白激酶, 命名为DPK1 (drought -induced protein kinase)。实验表明在干旱条件下，同野生型相比，dpk1表现出叶片温度较低，离体l叶片失水较快和早衰；几个衰老相关的SAGs出现了不同程度上调，尤其是SAG12，可上调达150倍左右。此外，干旱和ABA能激活DPK1。深入揭示DPK1如何介导干旱或者ABA调控叶片衰老的分子机理，将为开展干旱胁迫下延缓作物叶片衰老，延长作物寿命和提高作物产量提供新的理论基础。

干旱是造成作物减产的重要自然因素，而干旱胁迫引起作物减产的一个重要原因就是诱发植物叶片的过早衰老和光合作用下降。在干旱条件下，植物一方面要是适应水分亏缺，节约保水以度过不良环境，另一方面又要进行必要的光合作用来完成营养物质从源到库的运输和贮藏以完成生活史和繁衍后代。因此，在长期的进化中植物已经形成了对干旱的应答适应，最重要的就是ABA应答的干旱逆境的信号系统。但是，在干旱胁迫下，植物如何通过调控叶片的衰老来适应环境和最大能力产生种子以繁衍后代中存在的分子机制仍旧知之甚少。该研究首先借助于叶绿素荧光成像技术和植物生理学方法发现在干旱条件下dpk1突变体呈现明显光合作用下降和叶片早衰的症状，而在DPK1的过表达植株OE8则相反。其次，通过细胞流失技术、Confocal成像和Real-time PCR进一步揭示了DPK1的缺失导致了细胞的过早凋亡和衰老，该过程同ROS的积累相关。然后，通过GFP 和GUS作为报告基因发现了DPK1定位于细胞质和细胞核，而其组织表达在整个植物组织均有，且在叶片中的表达较高。最后通过酵母双杂交、BIFC和GST pull-down实验验证了DPK1同ABI5存在强烈的相互作用，该作用介导了DPK1调控干旱条件下叶片的衰老。该研究成果为研究植物通过调控叶片衰老来适应干旱提供了新的理论依据，也为今后开展干旱农业育种提供新的创新点。