亚精胺拮抗乙烯信号调控叶片衰老的分子机制

Leaf senescence in plants is a genetically controlled, programmed cell death process that is influenced by internal and environmental factors. Spermidine is a biologically active low molecular aliphatic nitrogen-containing compound widely distributed in living organisms. It is involved in the regulation of organ development and aging, but it’s molecular regulation mechanism is still unclear. Our previous study found that spermidine content decreased during leaf senescence process, exogenous treatment with spermidine or overexpression of spermidine synthase genes SPDS1 and SPDS2 delayed leaf senescence. Biochemical analysis revealed that spermidine promoted protein degradation of the key transcription factor EIN3 in the ethylene signaling pathway, and this degradation process relied on two F-box proteins, EBF1 and EBF2, suggesting that EIN3 may be a key gene in ethylene and spermidine antagonistic regulation of leaf senescence. However, the receptor of spermidine and the genetic relationship between spermidine and antagonism of ethylene signaling in leaf senescence is unclear. This project intends to combine the multidisciplinary methods of genetics, biochemistry and bioinformatics to study the molecular mechanism of spermidine in regulating plant leaf senescence and provide valuable theoretical guidance for molecular breeding in plants.

植物叶片衰老是受遗传控制的程序性的细胞死亡过程，受到内部因素和环境因素的影响。亚精胺是一种在生物体内广泛分布的具有生物活性的小分子含氮化合物，参与调控器官发育以及衰老等过程，但其调控分子机制还不清楚。我们前期研究发现，亚精胺含量随着叶片衰老而下降，外源施加亚精胺或者过表达亚精胺合成酶基因SPDS1和SPDS2延缓叶片衰老。生化分析发现，亚精胺促进乙烯信号通路中关键转录因子EIN3的蛋白降解，并且这个降解过程依赖于两个F-box蛋白，EBF1和EBF2，暗示EIN3可能是乙烯和亚精胺拮抗调节叶片衰老的关键基因，但对与亚精胺的靶向受体，以及与乙烯信号拮抗调控叶片衰老中的遗传关系并不清楚。本项目拟结合遗传学、生物化学和生物信息学等多学科的方法，深入研究亚精胺调控植物叶片衰老的分子机制，为分子育种提供有价值的理论指导。

亚精胺是一种在生物体内广泛分布的具有生物活性的小分子含氮化合物，是多胺中的一种，作为一种确认的植物生长调节剂，发挥着类似植物激素的作用。植物细胞的亚精胺合成途径中，与植物激素乙烯共享一个前体S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine，SAM）。亚精胺参与调控器官发育以及衰老等过程，但其调控分子机制还不清楚。.本项目以拟南芥（Arabidopsis thaliana）为主要研究材料，结合遗传学、生物化学和生物信息学等多学科的研究方法，深入研究亚精胺调控植物叶片衰老的分子机制。同时，本项目部分工作以毛白杨（Populus tomentosa）为研究材料展开，研究亚精胺合酶同源基因调控木本植物叶片衰老，以及木本植物季节性叶片衰老的分子调控机制。主要研究内容包括：（1）探究两个衰老相关F-box基因参与亚精胺调控的叶片衰老分子机制；（2）以atm突变体为背景筛选亚精胺不敏感突变体；（3）研究NAC转录因子调控毛白杨秋季叶片衰老的分子机制；（4）利用叶片衰老诱导启动子改良三倍体毛白杨的非生物胁迫抗性。.针对以上研究内容，本研究与瑞典于默奥大学植物科学中心Olivier Keech教授课题组合作，阐明黑暗处理影响精氨酸和鸟氨酸代谢，进而通过影响亚精胺合成调控叶片衰老的代谢基础；揭示了EBF1和EBF2通过促进EIN3蛋白的降解，进而解除了EIN3与亚精胺对叶片衰老调控的拮抗作用；以atm突变体替代传统的Col-0野生型为背景，显著提高了亚精胺不敏感突变体的筛出效率，为后期进行靶蛋白精细定位提供了材料；挖掘了秋季叶片衰老相关基因，阐明了内含子滞留（Intron-Retention，IR）在调控叶片衰老过程中的重要作用；利用叶片衰老诱导启动子创制了抗旱性提高的毛白杨新种质材料。本研究基本阐明了亚精胺在调控叶片衰老过程中的重要作用，为今后从叶片衰老角度培育植物抗逆新品种提供了理论依据。.