全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2014, 50 (9): 1322~1328　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.10181322
收稿 2014-07-21　　修定 2014-08-15
资助 国家自然科学基金项目(3117021)和上海市科委重点基础
研究项目(13JC1400900)。
* 通讯作者(E-mail : bkkuai@fudan.edu.cn; Tel: 021-
65642648)。
绿色器官衰老进程中营养物质的动员与再利用研究进展
李中朋, 蒯本科*
复旦大学生命科学学院, 植物科学研究所, 遗传工程国家重点实验室, 上海200433
摘要: 绿色器官的衰老是植株生长发育的一个内在组成部分, 其重要的生物学意义在于营养物质的动员与再利用。作为最
重要的营养“源”器官, 衰老叶片中发生大规模的降解代谢活动, 由此产生的大量小分子物质, 包括糖类, 氨基酸, 核苷酸和
可再生利用的矿质元素等会通过筛管转运至新生的组织器官, 即“库”器官, 特别是种子中, 为其快速生长发育提供充足的
营养供应。本文主要介绍了绿色器官衰老过程中氮素的营养动员与再利用研究进展, 包括叶片中蛋白的降解和氨基酸的
代谢转化, 以及筛管装载和卸载。最后, 对未来的研究方向进行了展望, 提出了作物叶片光合总量和营养物质利用效率双
双趋于最大化的理想叶片衰老模式。
关键词: 绿色器官衰老; 营养物质动员与再利用; 氮素动员与再利用; 理想叶片衰老模式
Advances in Understanding the Process of Nutrient Remobilization during
Green Organ Senescence
LI Zhong-Peng, KUAI Ben-Ke*
State Key Laboratory of Genetic Engineering, Institute of Plant Biology, School of Life Sciences, Fudan University, Shanghai
200433, China
Abstract: Green organ senescence is an integral part of plant development, and nutrient remobilization during
the process possesses a fundamental importance to nascent organ development. Leaves are major modular green
organs, and therefore become the most important source organs during senescence. Massive catabolic activities
result in the production of abundant small molecules including amino acid and sucrose, which are recycled from
senescent leaves to nascent tissues and organs to meet the requirements of their rapid developments. In this re-
view, we focused on the current understanding of nitrogen remobilization process, including chloroplast protein
degradation and its resultant product phloem transportation. Finally, we proposed an ideal pattern of crop leaf
senescence which maximizes the accumulation of photosynthetic products and the efficiency of nutrient remo-
bilization.
Key words: green organ senescence; nutrient remobilization; nitrogen remobilization; an ideal pattern of leaf
senescence
1 绿色器官衰老与营养物质的动员与再利用
植物个体的衰老主要表现在绿色器官的衰
老。不同于动物的衰老, 植物绿色器官的衰老具
有模块化的特征, 即成熟的器官相对独立地启动
衰老与凋亡; 不仅如此, 成熟器官的先后衰老与凋
亡常常伴随着新生器官的发生与发育。对于一年
生或隔年生的单次结实性植(作)物而言, 生长季节
后期营养器官集中衰老与凋亡, 与此同时完成生
(繁)殖器官(种子和/或根茎)的发育与成熟, 形成了
整个植株衰老的景象。
叶片是植物最主要的模块衰老器官。叶片发
育成熟以后, 在外部信号(光温周期变化和逆境胁
迫等)和/或内在因子(生理状态和激素水平变化等)
的作用下远离主脉的细胞率先启动衰老, 其中的
许多衰老相关基因(senescence-associated genes,
SAGs), 特别是许多转录调控因子显著上调表达,
多种水解酶活性也显著增强, 这些观察表明叶片
的衰老是一个主动的调控过程(Lim等2007; Guo和
Gan 2012)。最重要的是, 衰老的叶片(绿色器官)与
新生的器官, 特别是生殖器官, 构成了营养供求上
的“源” (source)与“库” (sink)的关系, 前者为后者的
李中朋等: 绿色器官衰老进程中营养物质的动员与再利用研究进展 1323
快速发育提供充足的营养, 该过程被称之为营养
物质动员与再利用(nutrient remobilization) (Mas-
claux-Daubresse等2010)。因此, 绿色器官的衰老
本质上属于植物发育的一个内在组成部分。
叶绿体是绿色器官中蛋白质含量最丰富的亚
细胞结构。衰老进程中, 叶绿体结构率先发生解
体, 积累在其中的大量结构性和功能性营养物质,
包括蛋白质、糖类、脂类和核酸等, 被降解成各
种小分子, 如氨基酸、蔗糖和无机磷等。这些小
分子物质通过筛管组织被转运至新生的组织器官
中, 特别是种子中, 为它们的快速发育提供物质保
障。本文对绿色器官衰老进程中营养物质的动员
与再利用研究进展进行了梳理与总结, 同时对未
来的研究方向进行了展望。
2 氮素动员与再利用
碳(C)、氮(N)、磷(P)、硫(S)、钾(K)、铁(Fe)
及铜(Cu)等元素在衰老叶片中的含量大幅降低
(Himelblaua和Amasino 2001)。这表明它们都可以
从衰老叶片中转运出去, 用于新生组织器官的发
育。其中, 氮素(N)是植物生长最重要也是生长
环境中最缺乏的矿质元素之一 , 同时谷物中的
氮素含量也是其营养品质高低的决定性因素
(Bertheloot等2008)。长期以来, 对氮素的动员与再
利用研究较为详尽, 因此本文重点介绍这一方面
的研究进展。
氮素的动员与再利用对种子的发育至关重
要。在小麦和玉米的种子中有50%~90%的氮素自
衰老叶片中转运而来(Kichey等2006)。在生殖生
长阶段, 植物根系对外界氮素的吸收能力显著下
降。开花期油菜中的HATs和LATs的活性下降, 生
殖生长阶段拟南芥根中NRT2.1及NRT1.1的表达量
降低(Schiltz等2005; Masclaux-Daubresse等2010)。
对种子发育来说, 后期根系氮素吸收能力的减弱
使得从衰老组织器官中获得氮素显得尤为重要。
2.1 叶绿体蛋白的降解
叶绿体中的氮素约占叶片总氮素的75%, 是
氮素转运的主要来源(Soudry等2005)。在叶片衰
老进程中, 叶绿体的超微结构解聚, 蛋白质、脂类
和糖类等物质发生大规模的降解。目前已知的叶
绿体及其蛋白的降解途径有4种: (1)叶绿体内由蛋
白酶介导的蛋白质降解, (2)非自噬途径依赖的衰
老相关囊泡(senescence-associated vacuoles, SAV)
介导的降解, (3)自噬途径依赖的Rubisco包含小体
(Rubisco-containing bodies, RCB)介导的降解, (4)
整个叶绿体的自噬降解(图1)。
转录组分析发现, 在叶片衰老过程中大批蛋
白水解酶基因的表达量上调。叶绿体中包含的蛋
白家族主要有Clp、Deg、Ftsh和lon (Adam和
Clarke 2002)。Ftsh家族蛋白定位在类囊体膜的基
质一侧, 暗示这一家族的成员有可能负责捕光复
合体蛋白的降解(Sakamoto 2006)。研究发现, 拟南
芥Ftsh6基因缺失突变体在衰老过程中Lhcb3的降
解受到明显的抑制(Zelisko等2005)。位于拟南芥
叶绿体内的Deg家族的4个成员在PSII的修复过程
中发挥重要作用, 它们也有可能参与到衰老阶段
相关蛋白质的降解中(Sakamoto 2006)。以Rubisco
图1 氮素动员与再利用路径示意图
Fig.1 A diagram of nitrogen remobilization
植物生理学报1324
为代表的可溶性蛋白的降解一直是衰老研究中的
重点。有证据表明, 这些蛋白降解的初始步骤发
生在叶绿体中(Kokubun等2002; Zhang等2007);
ROS可以把Rubisco大亚基切断成更小的片段(Fell-
er等2008)。CND41是一种在烟草成熟和衰老叶中
大量积累的天冬氨酸蛋白酶。在氮缺失的条件下,
野生型叶片的衰老明显加速, 可溶性蛋白大量降
解, 而在CND41的RNAi转基因植株中可溶性蛋白,
特别是Rubisco的积累量显著增多, 表明CND41在
可溶性蛋白的降解中可能起着重要的作用(Kato等
2004)。
捕光复合体(light harvesting complexes, LHC)
是除Rubisco外最重要的动员与再利用氮源。在类
囊体膜上, 叶绿素与各种蛋白质结合形成捕光复
合体。叶绿素的最终降解产物贮存于液泡膜中,
其中的氮素并不参与氮素的动员与再利用(Tom-
masini等1998)。但是, 在叶绿素降解缺陷的滞绿
(stay-green)突变体中, LHC蛋白亚基的降解同样受
阻, 表明两者之间存在偶联的降解关系(Park等
2007; Ren等2007; Schelbert等2009; Nakajima等
2012)。基于叶绿素降解关键酶基因PAO和RCCR
突变体的光损伤表型, 衰老过程中的叶绿素降解
被认为是一个解毒的过程, 以便于衰老的各个特
征性过程, 特别是营养物质的动员与再利用得以
顺利进行(Hortensteiner 2013)。
衰老阶段的液泡和细胞质中的蛋白酶活性也
显著增强, 表明叶绿体外的蛋白降解活动也明显
增加(Yang等2004)。在衰老的拟南芥和烟草叶肉
细胞质中, 存在一种称之为SAVs的单膜小泡, 它们
包含基质可溶性蛋白以及蛋白酶(Otegui等2005)。
在黑暗条件下, 内含的蛋白酶可以降解其中的蛋
白质(Martinez等2008)。在自噬相关突变体atg7中,
SAV的形成并没有受影响, 表明其形成是非自噬途
径依赖的(Otegui等2005)。RCB是衰老叶片细胞质
以及液泡中的内含基质蛋白的小泡 ( C h i b a等
2003)。它们具有双层膜结构, 可以在叶绿体与液
泡之间穿梭, 被认为是从叶绿体上衍生出的一类
小体结构(Ishida等2008)。在自噬相关突变体atg4
中, RCB的形成受阻, 表明这类小泡的形成是受到
ATG的调控(Wada等2009)。
细胞自噬(autophagy)是目前已知最高效的亚
细胞结构降解途径(Mizushima等2008)。在这一途
径中, 废弃的或者受损的蛋白和细胞器被隔离进
一种称作自噬体(autophagosome)的特化双层膜囊
泡中, 在自噬体与液泡或溶酶体融合后被降解。
在自然衰老与黑暗诱导衰老的叶片中, 多数自噬
基因的表达都显著上升, 而且这一过程与叶绿素
的降解联动(van der Graaff等2006)。在拟南芥中过
量表达大豆的自噬关键基因GmATG8c, 能够在不
改变植物发育进程的同时, 延缓叶片的自然衰老
进程, 显著提高转基因植株的产量(Xia等2012)。
研究发现, 拟南芥AtATG4a/b、AtATG5、AtATG7、
AtATG9和AtATG18a基因的突变体都对营养缺乏
十分敏感, 呈现早衰, 且衰老叶片基质中的蛋白降
解不完全(Guiboileau等2012)。作为在降解途径中
起促进作用的自噬蛋白, 其缺失突变体却导致早
衰, 这一看似矛盾的现象表明自噬途径在保证衰
老的有序进行上发挥着重要的作用。当自噬途径
被阻断后, 可能导致了营养物质, 特别是氮素营养
不能被及时有效地动员与再利用, 进而导致发育
异常; 也可能是非自噬途径的启动引起细胞内大
范围的无序降解, 从而导致了早衰。
2.2 氮素的再吸收代谢
氨基酸是氮素长距离转运的主要形式(Soudry
等2005)。叶绿体中蛋白质的降解产生的各种氨基
酸可以直接装载到筛管组织中, 或经过进一步的
转化, 形成谷氨酰胺以及天冬氨酰, 而后被转运。
后两者含有较高的N/C比, 有利于提高氮素的转运
效率(Masclaux-Daubresse等2010)。植物体内存在
两类谷氨酰胺合成酶GS1和GS2 (Tabuch i等
2005)。GS2主要在幼叶的叶绿体中发挥作用; GS1
定位于胞浆中, 其编码的基因在衰老的叶片中上
调表达, 因此被认为在氮素的动员与再利用过程
中负责谷氨酰胺的合成(Masclaux-Daubresse等
2006)。玉米中GS1的2个成员GLN1.3和GLN1.4基
因突变后导致谷粒数目和重量的下降, 而组成型
过表达GLN1.3可以增加30%的谷粒数目(Martin等
2006)。水稻中GS1的3个成员主要在衰老叶片的
筛管组织表达, 其中OsGS1.1的缺失延缓了植株的
生长并降低了产量, 谷氨酰胺含量的降低使叶片
中总氨基酸含量大大下降(Tabuchi等2005)。在杨
树中异源过表达松树的GS1后, 茎干增粗延长; 同
李中朋等: 绿色器官衰老进程中营养物质的动员与再利用研究进展 1325
样, 过表达GS1的烟草叶片中含有更高的蛋白量
(Oliveira等2002)。GS1的高表达可以促进衰老叶
片中铵根的再吸收, 从而提高氮素的动员与转运
效率。谷氨酰胺在天冬酰胺合成酶(asparagine
synthetase, AS)的作用下转化成天冬酰胺。拟南芥
ASN1受衰老的诱导, 虽然其缺失突变体与野生型
并无明显差别, 但过表达ASN1基因可以增加筛管
中氨基酸的含量, 从而提高种子含氮量及千粒重
(Lam等2003)。
2.3 氮素的长距离运输
衰老叶片中蛋白质降解产生的大量氨基酸和
短肽及其它一些含氮化合物主要通过韧皮部转运
至新叶或种子中(Masclaux-Daubresse等2010) (图
1)。这一过程涉及到位于膜上的各类转运蛋白及
其调控。氨基酸转运蛋白至少包括5个蛋白家族,
每一个家族的成员在底物特异性、结合能力和表
达特异性等方面均不尽相同(Rentsch等2007)。氨
基酸透性酶(amino acid permease, AAP)是一类底
物特异性较低的氨基酸转运蛋白。拟南芥AAP家
族8个成员中只有AAP4和AAP5在老叶中具有较高
水平的表达 , 暗示它们可能参与了氮素的转运
(Fischer等1995)。降低番茄衰老叶中AAP1的表达
可导致果实中氨基酸水平的下降(Koch等2003)。
除了AAP家族外, 其它家族成员也参与了衰老叶
片中氮素的动员与再利用。杨树Pt-CATII属于
APC亚家族, 具有转运谷氨酰胺的功能。随着衰老
叶片中Pt-CATII的表达量不断上升, 位于茎贮藏组
织中的谷氨酰胺的含量也不断增加(Couturier等
2010)。氨基酸经长距离运输后, 可被位于库器官
的转运蛋白卸载至细胞中, 被重新吸收利用。拟
南芥AAP家族中的AAP1、AAP2和AAP8基因在发
育的种子中具有较高水平的表达(Kwart等1993;
Schmidt等2007), 暗示它们可能在此过程中发挥作
用。AAP8的突变造成了种荚中的种子数下降了
50% (Schmidt等2007); AAP2突变体中氨基酸从源
向库的转运发生改变, 导致植株的分枝数、果荚
数目以及产量明显提高(Zhang等2010); 而AAP1介
导的胚胎氨基酸吸收对种子中储存蛋白的合成及
产量性状的形成则发挥着重要的作用(Sanders等
2009)。
除氨基酸外, 寡肽、硝酸根及其他一些含氮
化合物也可从衰老叶片转运至库器官中。肽转运
蛋白(peptide transporters, PTR)可以转运二肽及三
肽。拟南芥PTR1基因主要在维管组织中表达, 暗
示其可能参与了寡肽的长距离运输(Dietrich等
2004)。而属于寡肽转运蛋白(oligopeptide trans-
porters, OPT)家族的AtOPT3基因在维管组织及发
育的种子中高表达, 其缺失突变体的胚胎不能正
常发育, 表明AtOPT3介导的寡肽转运及再利用对
早期胚胎发育至关重要(Stacey等2002, 2008)。硝
酸根在细胞内转化成铵根后被利用, 但也可以储
存于液泡中, 参与氮素的再利用。拟南芥NRT1.7
是一个硝酸根转运蛋白, 氮缺失可以导致NRT1.7
功能缺失突变体的生长受阻, 老叶中积累的大量
的硝酸根不能被转运至新叶中。NRT1.7基因主要
在衰老叶片的维管组织中表达, 表明它可能负责
源器官中硝酸根的装载(Fan等2009)。
2.4 “库”与“源”的强度和容量影响氮素营养的动
员与转运
通过测定高氮和低氮条件下油菜新叶及老叶
中的氮素含量, Tilsner等(2005)提出筛管的装载并
不是氮素动员与再利用过程中的限制性步骤。高
氮条件下生长的油菜幼叶中的氮素含量远高于低
氮条件下幼叶中的含氮量, 而老叶中的氮素含量
在高氮及低氮条件下并无区别, 并且筛管中氨基
酸的浓度是叶肉细胞胞浆中的4~5倍, 表明筛管的
装载及运输是十分高效的。Soudry等(2005)发现
离体衰老的燕麦及拟南芥叶片中积累了大量的游
离氨基酸, 而活体的燕麦叶片中氨基酸的含量却
不断下降。因此, 作者提出除了源器官外, 库器官
的需求对氮素的动员与再利用同样十分重要。氮
素转运速率在衰老进程中呈现先升高后下降的趋
势, 这一观察结果使得研究者认为, 在种子发育的
早期, 不断增强的库强度是决定营养转运的主要
因素, 而源容量的大小则限制了后期的营养动员
与再利用(Schiltz等2005; Gregersen等2008)。
3 展望
氮素是作物生长需求量最大的矿质元素之一,
环境中作物可利用的氮素严重缺乏, 这使得氮肥
的使用成为现代农业生产中最昂贵的一项成本支
出。更为严峻的是, 生产上施用的氮肥50%~70%
流失到环境中, 造成了严重的环境污染(Erenoglu
植物生理学报1326
等2011)。因此, 如何提高氮素的利用率成为现代
农业生产面临的一项挑战。提高植株的氮素动员
和再利用效率(nitrogen remobilization efficiency,
NRE)是一个重要且可行的途径之一。虽然叶片衰
老进程中氮素的动员与再利用研究已经取得了一
定的进展, 但是更多的问题还有待系统深入地探
索和研究, 如氮素动员和再利用的系统调控和作
用网络, 其它矿质元素动员和再利用的调控和作
用网络与氮素动员和再利用的调控与作用网络之
间的关系, 以及糖类、脂类和核酸动员与再利用
的调控与作用网络等。
作为主要的光合器官, 功能叶片为产量性状
的形成提供光合产物; 作为主要的源器官, 衰老叶
片中的营养物质动员与再利用为收获器官(籽粒、
贮藏器官)的后期发育提供充足的营养支持。叶片
的光合功能期适度延长能够增加作物的产量潜
力。功能型滞绿突变体的叶片衰老启动延迟或进
程减缓, 可以延长叶片的光合功能期。晚衰型玉
米及高粱滞绿品种的培育显著地提高了这些作物
的产量潜力(Gregersen等2013)。另外, 利用衰老特
异的启动子驱动IPT的表达可以显著地延缓烟草
的衰老, 并使种子产量提高约52% (Gan和Amasino
1995)。然而, 叶片的过度晚衰往往会影响营养的
动员与再利用。晚衰的拟南芥品系的氮素动员与
再利用效率比早衰品系低(Gregersen等2008)。小
麦NAC转录因子家族基因NAM-B1可以促进叶片
衰老和营养再动员, RNAi转基因小麦植株的叶片
衰老推迟了3周, 但籽粒中蛋白、铁、锌的含量却
降低了30% (Uauy等2006)。同样, 一些滞绿的小麦
品系在阴冷的生长条件下产量反而降低(Naruoka
等2011)。综上所述, 叶片衰老的启动和进程调
控、营养动员和再利用与作物的产量和品质性状
形成之间存在复杂的关联关系。针对不同的作物
类型及其相应的栽培措施和耕作制度, 如何使得
叶片光合总量和营养物质再利用效率双双趋于最
大化, 建立叶片理想的衰老模式是未来作物品种
改良方面的一个重点研究方向。
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