拟南芥FtSH基因ELS介导H2O2和生长素调控叶片衰老的研究

ROS act as a signal molecule in plant development and stress response and has attracted extensive attention to the researchers at present, but the research on the interaction between plant hormones and ROS is still very little. A loss-function mutant, named as els (Early Leaf Senescence, ELS), of one Arabidopsis mitochondria FtSH protease gene, has been obtained using the T-DNA insertion technique. The els mutant showed an auxin deficiencies mutant phenotype by displaying severe dwarf phenotype. The H2O2 level in the els mutant was significantly increased. And the els rosette leaves were significantly premature aging. This project mainly focus on the study about how the ELS gene-mediated interaction of H2O2 and auxin to regulate leaf senescence. We will identify the function of ELS gene in regulating leaf senescence, and demonstrate the interaction between the ELS gene with H2O2 and auxin, using the methods and techniques of cell biology, molecular biology as well as biochemistry. Our results will help to understand the molecular mechanism of the ELS gene-mediated interaction of H2O2 and auxin in controlling the plant leaf senescence and also provide new gene resources for the genetic engineering of crops.

目前ROS作为一种信号分子参与植物生长发育和逆境响应已引起研究者们的广泛重视，但是有关ROS和植物激素相互作用的研究还非常少。本实验室利用T-DNA插入技术获得一个拟南芥线粒体FtSH蛋白酶基因ELS的缺失突变体，els突变体植株矮化，表现出生长素缺陷突变体的表型，并且els突变体中H2O2含量明显上升，莲座叶明显早衰。本项目主要围绕ELS基因如何介导H2O2和生长素的相互作用来调控植物叶片衰老这一科学问题，利用细胞生物学、分子生物学、生物化学方法和技术，分析ELS基因在调控拟南芥叶片衰老中的功能，并进一步分析ELS基因与H2O2、生长素之间的相互作用，初步阐明ELS基因介导H2O2和生长素相互作用调控植物叶片衰老的分子机制,为作物的遗传改良提供基因资源。

叶片衰老是植物叶片发育最后阶段出现各种生理生化改变的过程。叶片衰老受到各种内外部因素的影响，其发生过程非常复杂。活性氧（ROS）能促进叶片衰老，生长素也参与了植物叶片衰老的调控，但其具体分子机制仍不清楚。本研究发现拟南芥线粒体AtFtsH4基因突变导致大量H2O2积累，外施H2O2清除剂AsA能减少ftsh4-4突变体中H2O2含量，并减少叶片中细胞死亡数目，延缓ftsh4-4突变体的早衰；外施生长素（IAA）处理能恢复ftsh4-4突变体的早衰表型，减少H2O2含量，并降低过氧化物酶基因PRX33、PRX34、PRX37的表达；通过转基因植株iaaM-ftsh4-4增加内源生长素含量能恢复ftsh4-4突变体的早衰表型；生长素响应因子ARF2突变体arf2-8表现出延缓衰老表型，通过arf2-8/ftsh4-4双突分析发现，ARF2突变能恢复ftsh4-4突变体的早衰表型，相关衰老生理指标（细胞死亡数目，叶绿素含量，相对电导率）恢复到WT水平，并且arf2-8/ftsh4-4双突中衰老相关标记基因SAG12、SAG13、SEN1、SEN4的表达降低；同时，arf2-8/ftsh4-4双突中H2O2含量和过氧化物酶活性明显降低。结果表明拟南芥线粒体AtFtsH4基因通过介导H2O2与生长素相互作用。. 通过构建与自噬途径相关的双突，发现金属蛋白酶基因 FtSH4 通过 ATG8-PE自噬途径参与植物细胞自噬过程；通过对 ftsh4-4 与 SA 合成和信号网络相关的突变体遗传关系的研究，发现金属蛋白酶基因 FtSH4 参与的植物细胞自噬过程依赖于 SID2 合成途径，NDR1 积累途径及 NPR1 信号途径，而不依赖与 PAD4 途径。此外，酵母单杂交和EMSA 体外验证 WRKY40/46/51/60/63/75 能结合到 SID2 SID2启动子上。以上结果表明拟南芥线粒体AtFtsH4基因通过 WRKYs基因调控 SA 的合成，参与 SA 途径介导的细胞自噬过程，从而参与叶片衰老调控。