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植物所科研人員在高溫脅迫誘導葉片衰老的機制研究中取得新進展

  全球氣候變暖導致極端高溫天氣出現的頻率和強度不斷增加,高溫脅迫誘發的早衰極大影響了植物的生長發育和生物量的累積,但目前關于高溫脅迫誘導葉片衰老的機制還缺乏系統的認識。另外,作為細胞內源計時機制的生物鐘在調節植物應答非生物脅迫過程中發揮著重要作用,但其是否參與調控高溫脅迫誘導衰老的進程還不清楚。 

  中科院植物所王雷研究組此前發現光敏色素相互作用因子(PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR4/5,PIF4/5)是生物鐘核心組分PRR基因家族的直接靶基因,介導著生物鐘對下胚軸光周期依賴性生長的調控,也是植物溫度形態建成的關鍵調節因子。為進一步闡明PIF4/5在溫度脅迫中的作用,研究人員對擬南芥植株進行42oC高溫處理,發現PIF4/5突變體顯著延緩了高溫脅迫誘導的葉片衰老過程,而它們的超表達植株則表現出高溫脅迫誘導的早衰表型,這說明PIF4/5參與了環境高溫誘導的葉片衰老進程。轉錄組學研究發現多個與脅迫、熱和氧化應激響應以及葉片衰老相關的基因在PIF4/5突變體中差異表達。研究人員進一步通過轉錄組與ChIP-seq數據聯合分析發現,NAC019SAG113IAA29CBF2BRI1是PIF4/5的靶基因。研究還發現在高溫處理后的恢復過程中,PIF4和PIF5蛋白逐漸積累,同時衰老促進因子NAC019SAG113的轉錄水平也逐漸積累,而衰老抑制因子IAA29的轉錄水平則逐漸下降,表明它們可能是PIF4/5調控葉片高溫誘導衰老過程的關鍵靶基因。進一步研究發現光/暗信號與生物鐘在高溫脅迫誘導葉片衰老過程中也發揮著重要作用。 

  有趣的是,在12小時光照/12小時黑暗條件下,擬南芥在白天對高溫脅迫誘導的葉片衰老具有更強的抵抗能力;而在持續光照條件下,擬南芥葉片衰老的速度在主觀性白天更快,而在主觀性夜晚則較慢,說明生物鐘對擬南芥響應高溫脅迫誘導葉片衰老的調控機制并不依賴于環境的光/暗信號。綜上所述,該研究解析了PIF4和PIF5調控高溫脅迫誘導葉片衰老的分子機理,為進一步全面揭示高溫脅迫誘導葉片衰老的分子調控網絡奠定了理論基礎,并為培育高溫脅迫條件下延緩衰老的種質材料提供了遺傳改良靶點。 

  該研究成果于4月8日在線發表于國際學術期刊Journal of Experimental Botany。中科院植物所在讀博士研究生李娜為本論文的第一作者,張媛媛副研究員和王雷研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金面上項目、中科院戰略性先導科技專項B類項目以及中科院青促會等項目的資助。 

  論文鏈接:https://doi.org/10.1093/jxb/erab158 

  (分子生理實驗室供稿)  

PIFs調控高溫脅迫誘導葉片衰老的分子機制 

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