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  • 研究揭開植物衰老的奧秘

    劉如楠 李晨陽發表于2019年01月27日21:06:08 | 新聞資訊 | 標簽(tags):植物 衰老

    ABS3亞家族MATE轉運蛋白以不依賴于自噬途徑的方式控制植物衰老進程

    ABS3亞家族MATE轉運蛋白以不依賴于自噬途徑的方式控制植物衰老進程

    ATG8-ABS3調控植物衰老的作用模型

    ATG8-ABS3調控植物衰老的作用模型

    “遠處蔚藍天空下,涌動著金色的麥浪”,為了這秋日的盛景,青蔥的麥苗葉片逐漸變黃,它體內的碳、氮等營養物質正一刻不停地向籽粒中運送,以保證種子的圓潤飽滿。可如果由于干旱缺水、病蟲害等原因影響了這個運送過程,小麥就會出現“早衰”。

    據估計,對于部分小麥來說早衰會導致20%左右的產量損失,而適度晚衰則會增加產量。如果能夠研究清楚小麥的衰老機制,對其進行調控,增加產量就指日可待。

    近日,西北農林科技大學教授郁飛帶領團隊研究出植物衰老調控的新機制,相關成果發表在《自然—植物》上。

    誰在調控衰老?

    在發育過程中,細胞的死亡受到生命體的嚴格控制。當衰老過程啟動時,植物會根據自身的需要及環境因素加速或減緩整個衰老過程,而不是任其自生自滅。

    當秋季來臨,植物葉片逐漸變黃,葉綠體中的蛋白被降解,氮素等營養元素會被輸送到其他生長中心,這一過程對植物順利完成生命周期至關重要。

    而有些基因在正常情況下并不表達,只有在衰老死亡時才會表達。郁飛說:“這表明植物為了衰老和死亡需要‘投資’很多基因。”

    這些基因還經常發生突變,在突變作用下,有時葉片會加速變黃,有時又會出現“滯綠”。比如發生了滯綠的青菜,十天半個月過去還綠油油的。

    在植物家族里,快速變黃和滯綠的葉片都是“異類”,但就是這些特殊植物突變體,成了郁飛課題組開展研究的理想材料。在5、6年前,他們就發現普遍存在于植物中的MATE轉運蛋白中的ABS3亞家族基因對衰老有促進作用。

    研究人員發現,人為加強模式植物擬南芥ABS3亞家族基因的表達,植物衰老速度顯著加快。但單獨敲除ABS3亞家族中的四個基因,突變體衰老的速度變慢并不明顯,而當他們同時敲除掉這四個基因,即使在黑暗環境中,突變體衰老的速度顯著減緩。

    這說明,ABS3亞家族基因表達量增多,衰老速度就會加快,反之速度減緩。發現這個現象之后,研究人員就想進一步弄清楚它的分子機制,但一直沒有什么進展。直到2016年,他們從獲得諾貝爾生理學或醫學獎的自噬反應機制中得到了啟發。

    神奇的“ATG8”

    自噬是細胞或者有機體在營養缺乏等環境脅迫條件下,通過在細胞里產生雙層膜自噬體,包裹細胞質或受損傷的細胞器等,運送到溶酶體或液泡中進行降解,重新循環利用營養物質,維持細胞穩態平衡的重要生物學過程。

    簡單來說,自噬相當于細胞“自己吃自己”,在生物體內部發揮清道夫的作用。

    2016年獲得諾貝爾獎的日本科學家大隅良典發現,ATG8是自噬過程中的一個關鍵蛋白,它末尾會被另一個蛋白切割,再接上一個脂類分子,即隨后的脂化形成脂酰乙醇胺(PE)修飾型的ATG-PE,完成自噬過程。自噬的發生對衰老具有減緩作用。

    而通過對ABS3亞家族基因調控衰老的分子機制進行進一步研究發現,它同樣需要與ATG8發生物理互作,二者結合在一起才能促進衰老。

    郁飛表示:“沒想到ABS3亞家族基因調控衰老和自噬作用有關,很令人驚喜。”

    當研究人員通過改變ATG8的一個關鍵氨基酸,使ATG8發生突變之后,它就不能被切割脂化,從而也無法完成自噬。

    可即使細胞不能進行自噬作用,突變后的ATG8仍然可以和ABS3亞家族基因發生物理互作。這說明ATG8既參與了自噬的通路,又參與了ABS3亞家族基因調控植物衰老的通路,但在這兩條通路中,ATG8發揮著完全不同的作用。

    人為改變植物的成熟速度

    既然擬南芥中的分子通路弄明白了,在農作物中是否也是如此呢?

    研究人員對小麥ABS3和ATG8同源蛋白的研究發現,ATG8-ABS3互作調控衰老的范式在雙子葉和單子葉植物中都存在。

    基于ABS3亞家族基因促進衰老的途徑與自噬抑制衰老的途徑都需要ATG8的發現,他們提出了這兩條通路平衡協同調控植物衰老進程的模型。

    “通過控制這兩條通路,我們基本可以實現人為調控植物的衰老速度。對于青菜而言,我們希望它衰老得慢一些,這樣就可以為儲存運輸留出更多時間。而對于小麥,在營養成分不流失的前提下,有些需要延緩衰老,有些則需要加快衰老以縮短生長周期,最終實現產量的提高。”郁飛說。

    但他也同時表示,從分子機制到農業應用還有很長的路要走,希望未來與農作物應用研究實驗室協同攻關。

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