拟南芥ABS3亚家族基因调控黑暗胁迫下叶片衰老的机制研究

Plant senescence is an essential stage of plant growth and development, and it is critically important for processes such as reproductive growth and seed formation in plant life cycles. Previously, we identified two Arabidopsis thaliana gain-of-function development mutants, abs3-1D and abs4-1D. The cloning of corresponding genes ABS3 and ABS4 revealed that both genes belong to the ABS3 subfamily of MATE transporter gene family. Both abs3-1D and abs4-1D showed accelerated leaf senescence in dark-induced leaf senescence assays, while quadruple mutant of ABS3 subfamily of MATE genes (mateq) displayed a stay-green phenotype and delayed leaf senescence in the dark, indicating that ABS3 subfamily genes positively regulate dark-induced leaf senescence. In this project, we plan to carry out experiments including detailed characterizations of gain-of-function and loss-of-function mutants, transcriptome analysis and genetic interaction and genetic suppressor analyses, to elucidate the mechanisms of ABS3 subfamily genes-mediated leaf senescence under dark stress. This project will not only enhance our understanding of the basic process of plant senescence, it will also provide foundation for future artificial manipulation of plant senescence to improve plant traits.

植物衰老是植物生长发育的重要阶段，对植物生殖发育、种子形成等生命活动过程具有重要意义。在前期工作中申请人筛选了拟南芥显性发育突变体abs3-1D和abs4-1D并相应克隆了同属ABS3亚家族的MATE转运蛋白基因ABS3和ABS4。在黑暗胁迫下abs3-1D和abs4-1D表现出叶片衰老加剧表型，而ABS3亚家族MATE转运蛋白基因的四重功能缺失突变体mateq在黑暗胁迫下表现出功能型滞绿表型，表明ABS3亚家族基因正调控黑暗胁迫下叶片衰老过程。本项目拟通过ABS3亚家族MATE转运蛋白基因调控黑暗胁迫下叶片衰老的特征研究、基因表达研究和遗传互作网络研究三部分内容，阐明ABS3亚家族MATE转运蛋白基因调控黑暗胁迫下叶片衰老的作用机制。本项目的研究将有望增进对植物衰老这一基本生物学过程的理解，并为通过调控植物衰老过程来改造植物性状提供理论支撑。

衰老过程是植物生命周期的重要环节，也受到环境因子的密切调控。胁迫环境如黑暗或弱光诱导植物启动衰老程序。衰老进程的加剧或延缓对植物响应逆境胁迫、生物量形成和作物产量建成至关重要。但是目前对植物衰老调控的分子机理，特别是植物响应环境胁迫的衰老调控机理的认识还十分有限。本项目围绕拟南芥ABS3亚家族MATE基因调控黑暗胁迫下植物衰老的作用机制开展了研究。在黑暗碳饥饿胁迫下和自然生长过程中，ABS3亚家族MATE基因过表达加速总蛋白降解和植物衰老，功能缺失则显著抑制衰老。遗传分析发现ABS3亚家族MATE基因的功能缺失可以有效抑制自噬缺陷突变体atg5和atg7的黑暗早衰表型，这是首次报道自噬突变体的遗传抑制机制，说明自噬缺陷激活的衰老途径依赖于ABS3亚家族MATE。ABS3亚家族MATEs与自噬关键蛋白ATG8物理互作，且这一作用与ATG8在经典自噬途径中的功能不同，代表ATG8的一个与自噬无关的新功能。ABS3-ATG8互作依赖于ABS3蛋白序列中的两个ATG8互作基序（AIM），定点突变这两个AIM抑制ABS3-ATG8互作和ABS3促进衰老的作用。ABS3-ATG8互作介导的衰老调控模式在拟南芥和小麦中保守，可能代表一个高等植物中保守的衰老调控范式。基于这些工作提出了ATG8-ABS3互作控制植物衰老的模型。黑暗碳饥饿诱导衰老条件下，衰老相关基因的RT-qPCR分析和RNA-seq转录组分析，揭示ABS3介导衰老调控通路包括大量基因在转录水平的深刻变化。开展了abs3-1D早衰表型的遗传抑制子筛选，鉴定得到ABS3介导衰老途径中的两个关键转录因子。这项工作建立了一个新的植物ABS3亚家族MATE基因介导的蛋白降解和衰老调控途径，加深了对植物衰老遗传调控网络的认识，为人工调控作物衰老进程提供了重要的理论支撑。