染色體端粒與植物衰老及調(diào)控研究進展

孫守江，孫 銘，馬 馼，李曼莉，毛培勝

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院/草業(yè)科學(xué)北京市重點實驗室，北京 100193)

植物機體的退化和老化過程是生命科學(xué)研究領(lǐng)域的核心問題之一。衰老是植物在生長發(fā)育過程中必須經(jīng)歷的一個過程，在植物的生命周期中非常重要，受發(fā)育年齡、外部因素和內(nèi)部因素共同影響[1](圖1)。衰老過程中生理代謝和環(huán)境因素互相結(jié)合的復(fù)雜性，使得有關(guān)植物衰老問題的研究一直成為研究者關(guān)注的焦點。深入揭示植物的衰老特性和調(diào)控機制，不僅對于闡明植物生態(tài)適應(yīng)性及種群穩(wěn)定性具有重要價值，而且對于延緩衰老技術(shù)和調(diào)控措施的選擇亦具有重要實踐意義。植物衰老的原因很多，目前已經(jīng)形成了植物激素調(diào)節(jié)理論、衰老基因?qū)W說、營養(yǎng)虧缺理論、自由基學(xué)說和染色體端粒學(xué)說等。近些年，國內(nèi)在植物衰老方面的研究取得了突破性進展，但這些研究主要集中于模式植物,如擬南芥(Arabidopsisthaliana)，小麥(Trticumaestivum)，水稻(Oryzasativa)和玉米(Zeamays)等農(nóng)作物及桂花(Osmanthusfragrans)和百合(Liliumbrownii)等花卉，且研究對象多為一年生植物，研究材料多集中在離體的植物組織器官，而以多年生草本植物為研究對象，從植株上探討植物生長過程中染色體端粒系統(tǒng)變化等方面的研究相對較少。Qian等[2]以高羊茅(Festucaarundinacea)為研究對象，利用三代結(jié)合二代轉(zhuǎn)錄組測序，對‘獵狗5號’短期高溫(38℃，1 h)、長期高溫(38℃/33℃，72 h)和自然衰老的葉片進行轉(zhuǎn)錄組分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，短期高溫顯著誘導(dǎo)大量熱激蛋白(HSPs)和熱激轉(zhuǎn)錄因子(HSFs)的表達，并特異性的誘導(dǎo)FK506結(jié)合蛋白(FKBPs)，鈣信號通路相關(guān)基因、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶基因(GSTs)，光合作用相關(guān)基因及植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)基因的表達。該研究結(jié)果為探究高羊茅響應(yīng)高溫脅迫及高溫誘導(dǎo)的衰老分子機制提供了基本信息，也為高羊茅耐高溫育種提供了候選基因。

圖1 植物衰老調(diào)控因子

植物葉片衰老是植物葉片發(fā)育的最終階段，葉片早衰縮短了植物的光合周期，限制了植株的生物產(chǎn)量，適當(dāng)延緩葉片衰老速率是提高作物、牧草和能源植物的產(chǎn)量和品質(zhì)的重要途徑[3]。植物體內(nèi)存在一系列正向促進衰老的“油門元件”和反向抑制衰老的“剎車元件”，不同調(diào)控元件間相互作用，協(xié)同控制葉片衰老的有序進程[4]。例如，轉(zhuǎn)錄因子NAP(NAC-LIKE，NAC029)能夠直接靶向結(jié)合并促進葉綠素降解基因及ABA合成基因的表達，以加速葉片衰老進程，可被視為衰老進程中的典型“油門元件”[4]。而多個CCCH類鋅指蛋白(如TZF1，OsDOS，PvC3H69等)在葉片衰老中起到負調(diào)節(jié)作用，可被視為衰老進程中的典型“剎車元件”。由于這些CCCH類蛋白的具體靶蛋白或靶基因尚不清楚，其在葉片衰老調(diào)控中的具體機制仍有待發(fā)掘。這些“剎車元件”是否及如何直接作用于“油門元件”，進而精細調(diào)控衰老進程仍有待深入研究。Xie等[5]以重要能源植物和牧草柳枝稷為研究材料，篩選到能夠顯著抑制葉片衰老進程的CCCH類鋅指蛋白(PvSSG)，揭示了柳枝稷CCCH類鋅指蛋白PvSSG(‘Strong StayGreen’)與轉(zhuǎn)錄因子PvNAP1/2互作，抑制PvNAPs的DNA結(jié)合能力，進而協(xié)同調(diào)控葉綠素降解及葉片衰老的分子機理。Yu等[6]通過分析葉綠素a降解酶編碼基因LpSGR的啟動子活性，發(fā)現(xiàn)該啟動子中同時存在轉(zhuǎn)錄激活和轉(zhuǎn)錄抑制順式作用元件，推測其上游存在抑制LpSGR轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄因子。結(jié)合前期構(gòu)建的多年生黑麥草衰老差異表達轉(zhuǎn)錄因子文庫，借助Y1H技術(shù)，篩選并獲得了一個NAC類轉(zhuǎn)錄因子LpNAL，LpNAL還能夠與另一個靶基因LpNYC1的啟動子結(jié)合并抑制該基因的轉(zhuǎn)錄，該研究對于揭示葉片衰老分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和開展滯綠分子育種均具有重要意義。

端粒酶是真核生物細胞核中的一種特殊酶，不同于常見的生理生化反應(yīng)速率的調(diào)控酶，端粒酶是一種核糖核蛋白酶，主要由端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶和模板RNA兩個亞單位組成[7]。端粒酶作為一種端粒相關(guān)蛋白，在端粒長度的維持以及端粒損傷修復(fù)中扮演著重要的角色。因此研究生物在生長發(fā)育過程中端粒酶活性的變化規(guī)律有助于闡釋端粒長度的維持以及修復(fù)機制，進一步探討生物端粒長度與衰老以及生物體壽命之間的內(nèi)在關(guān)系。關(guān)于端粒酶活性與生物個體的研究主要集中在動物和人體上，在植物領(lǐng)域該方面的研究相對較少。Flanary等[8]和劉頔等[9]分別對不同樹齡的狐尾松和銀杏不同器官的端粒酶活性進行了測定，研究發(fā)現(xiàn)，端粒酶活性、端粒長度與樹木的年齡之間存在一定的相關(guān)性?；诖?，本文綜述了植物衰老的概念，研究歷史和植物衰老學(xué)說，重點論述了植物衰老的端粒學(xué)說，并總結(jié)了端粒在植物衰老中的研究進展，以為后續(xù)從端粒系統(tǒng)角度解析植物衰老提供理論參考依據(jù)。

1 植物衰老

1.1 植物衰老的概念及研究歷史

植物衰老研究遲于人與動物相關(guān)研究。1928年Molisch發(fā)表了TheLongevityofPlants一書，提出植物器官的衰老或整株的衰老不僅受到內(nèi)部因素調(diào)控，還受到外界環(huán)境因子的影響[9]。Leopold等[10]認為植物衰老是一個營養(yǎng)逐漸耗盡的過程。植物在衰老時發(fā)生許多不可逆的變化，該過程主要發(fā)生在植物生長發(fā)育生命周期的最后階段[11]。衰老是在植物生長發(fā)育過程中由基因控制的程序化事件，老化是一個主要受外部因子影響的非程序化被動死亡過程[12]。研究發(fā)現(xiàn)，植物衰老開始于一些特定的器官，最后往往導(dǎo)致整個植株的死亡。因此，衰老研究早已引起重視，植物衰老的研究起步于20世紀初，植物細胞在衰老過程中發(fā)生著與動物細胞類似的細胞程序性死亡(Programmed cell death，PCD)特征。植物衰老的研究大致可以分為四個階段(圖2)。

圖2 植物衰老研究歷史

近些年來,國內(nèi)在植物衰老方面取得了大量成果，主要集中在器官以及細胞水平上(如在鮮切花、果蔬保鮮，植物細胞程序化死亡方面進行的研究)[13]。目前，已在擬南芥(Arabidopsisthaliana)、大麥(Hordeumvulgare)、番茄(Lycopersiconesculentum)和煙草(Nicotianatabacum)等植物中發(fā)現(xiàn)了許多與衰老相關(guān)的基因。而以多年生草本植物為研究對象，從植株上探討草本植物衰老特性以及相關(guān)調(diào)控機制較少，有一些相關(guān)研究主要集中在非生物脅迫對苜蓿葉片衰老的影響。張丹詞等[14]以兩種抗旱性差異較大的紫花苜蓿為試驗材料，采用溫室盆栽方式，對在干旱脅迫下紫花苜蓿葉綠素含量、葉片衰老率、葉片相對含水量、光合作用和葉綠素?zé)晒鈪?shù)等葉片衰老特征指標(biāo)進行測定，評價了抗旱性強弱不同的紫花苜蓿在干旱脅迫下其葉片衰老特征的差異。賈志鋒等[15]探究了不同施氮量和播種量對燕麥葉片衰老特性及細胞結(jié)構(gòu)的影響，研究得出低密度種植和適量施肥有利于增加葉片的光合效率和延緩衰老的結(jié)論。在自然生長狀態(tài)下研究多年生牧草衰老的研究相對較少。趙思涵等[16]將紅三葉(Trifoliumpratense)成熟與衰老葉片進行轉(zhuǎn)錄組測序,分析了紅三葉衰老過程中的差異表達基因和代謝通路變化。研究發(fā)現(xiàn)，差異表達基因主要富集在次生代謝產(chǎn)物的生物合成、氰氨基酸代謝、植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和苯丙烷類生物合成等通路，表明這些基因可能在紅三葉葉片衰老過程中發(fā)揮了重要作用。周玲芳等[17]以蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)衰老初期、中期、末期葉片以及成熟葉片為研究對象。通過轉(zhuǎn)錄組測序，篩選到837個與葉片衰老相關(guān)的基因，其中大部分都是轉(zhuǎn)錄因子，蒺藜苜蓿葉片衰老過程中大量差異表達基因的分析為進一步分析蒺藜苜蓿葉片發(fā)育和衰老的調(diào)控機制提供參考。目前對植物衰老機制的認識才剛起步，整株水平上的衰老調(diào)控機制等仍有很多方面有待于進一步研究。

1.2 植物衰老學(xué)說

1.2.1營養(yǎng)匱缺理論 Molisch等[18]最早提出“植物從營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)入生殖生長以后，其他器官中的大量營養(yǎng)物質(zhì)被運送到生殖器官，最后導(dǎo)致其他器官由于缺乏生長必需的營養(yǎng)物質(zhì)而死亡”。這個觀點隨著研究的進一步深入，后期又進一步被完善，修改完善以后被稱作“營養(yǎng)匱缺理論”。但是該理論不能很好的解釋雌雄異株植物衰老的現(xiàn)象。

1.2.2植物激素調(diào)控理論 Woolhouse等[19]認為，植物在營養(yǎng)生長階段，地上部分和地下部分都能合成植物激素，相互運輸并進行反饋調(diào)節(jié)，控制植物激素的合成量從而調(diào)控植物的正常生長和代謝。Barry等[20]認為，植物衰老是由多種內(nèi)源激素共同作用的結(jié)果。

1.2.3死亡因子學(xué)說 Leopold等[21]提出死亡因子的概念，他們認為乙烯和脫落酸是導(dǎo)致植物死亡的主要內(nèi)源激素。許多實驗結(jié)果表明，植物衰老的最初原因并不是延緩衰老激素的缺失，而是從生殖器官中形成促進植物衰老的因子，該因子被運送到其他植物組織器官，最后導(dǎo)致該器官衰老。目前大家公認茉莉酸衍生物和4-氯吲哚乙酸有可能是導(dǎo)致植物衰老的主要因子。

1.2.4衰老基因?qū)W說 Orgel等[22]總結(jié)前人的研究成果首次提出了“差誤理論”“密碼子限制學(xué)說”以及“DNA合成限制理論”等以此來解釋植物衰老的分子機制。衰老是植物在生長發(fā)育過程中最后經(jīng)歷的一個階段，該過程在植物生長發(fā)育中不可避免。和其他發(fā)育過程類似，衰老是內(nèi)外因子共同調(diào)控的結(jié)果。許多學(xué)者一致認為植物衰老是因為衰老相關(guān)基因在特定時期特定部位特異性表達的結(jié)果。

1.2.6植物衰老和細胞程序性死亡理論 植物在長期進化和適應(yīng)環(huán)境的基礎(chǔ)上有選擇性地使某些細胞、組織和器官有序死亡，稱之為程序性死亡(Programmed cell death，PCD)[28]。植物PCD是指整個原生質(zhì)(有細胞壁或無細胞壁)在植物某個生命時期主動撤退、消化過程，它主要通過自溶、裂解和木質(zhì)化等機制去除不需要細胞質(zhì)或整個細胞。植物衰老是涉及PCD的生理過程，兩者在發(fā)生機制和信號傳導(dǎo)上存在較多的共性：(1)植物衰老和PCD都是由基因控制的主動的過程，它們的發(fā)生都依賴新基因的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的合成；(2)PCD和植物衰老都是程序性事件；(3)植物衰老與PCD都可以受許多內(nèi)部發(fā)育信號和外部環(huán)境信號的影響，從而調(diào)節(jié)進程的快慢；(4)植物衰老和PCD過程中都存在物質(zhì)的運轉(zhuǎn)，這在衰老器官中表現(xiàn)為維管束周圍組織最后衰老[29]。植物衰老的過程不完全是PCD。完整的植物衰老過程應(yīng)包括兩個階段：第一階段為可逆衰老階段，細胞以活體狀態(tài)存在；第二階段為不可逆衰老階段，細胞器裂解，細胞衰退，PCD發(fā)生，其中液泡的裂解和染色質(zhì)降解形成的DNA片段是PCD開始發(fā)生的標(biāo)志。胞間基質(zhì)相互作用，為細胞的分化、生長和死亡提供必需的信號。MMP為基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metallopro-tease)可降解基質(zhì)。Delorme等[30]在黃瓜葉片衰老的后期檢測到一種基質(zhì)金屬蛋白酶CS1-MMP，它是一種前體酶，需經(jīng)過修飾才能活化，其表達早于DNA片段化的出現(xiàn)，但不參與衰老中營養(yǎng)物質(zhì)的運轉(zhuǎn)，可能與PCD的發(fā)生有關(guān)。由此認為：PCD可能只在衰老的末期發(fā)生，即植物衰老達到一個不可逆的點，這個點的出現(xiàn)標(biāo)志著PCD的發(fā)生。Delorme等[30]發(fā)現(xiàn)：缺少脫落酸(SA)信號傳導(dǎo)途徑的擬南芥突變體pad4，其葉片長時間保持黃化狀態(tài)，細胞死亡速度比野生型慢得多，而野生型擬南芥SA信號傳導(dǎo)途徑中被誘導(dǎo)表達的一個衰老特異基因SAG12只在衰老晚期的黃化組織中表達，推測植物衰老前期產(chǎn)生的SA信號可誘導(dǎo)下一步的PCD，SAG12可能在衰老后期的PCD過程中起關(guān)鍵作用。

1.2.7端粒學(xué)說 該學(xué)說由Olovnikov等[31]首次提出，DNA聚合酶的局限性導(dǎo)致在細胞分裂DNA復(fù)制過程中DNA不能被完整復(fù)制，因此DNA序列有可能會丟失，遺傳物質(zhì)的丟失最后可能導(dǎo)致細胞的衰老死亡。端粒是由端粒相關(guān)蛋白以及端粒DNA一起構(gòu)成的復(fù)合體[32]，研究發(fā)現(xiàn)，端粒能夠解決DNA聚合酶局限性導(dǎo)致的染色體末端不完全復(fù)制問題。后期大量的實驗說明，端粒長度、端粒酶活性與細胞衰老具有很大的聯(lián)系[33]。2009年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予Elizabeth H.Blackburn，Carol W.Greider和Jack W.Szostak以及霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所，他們在解釋端粒系統(tǒng)保護染色體方面做出了巨大的貢獻。真核細胞線性染色體端粒長度的維持機制以及端粒酶對細胞的調(diào)控機制(例如端粒酶的維持機制和修復(fù)機制)已經(jīng)受到研究者的高度關(guān)注。

2 植物衰老與染色體端粒

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，植物學(xué)研究的方法和手段也登上了一個新的臺階，植物學(xué)家開始利用細胞生物學(xué)以及分子生物學(xué)技術(shù)手段對植物衰老的現(xiàn)象和原因進行大規(guī)模的研究。大量研究表明，染色體端粒系統(tǒng)在生物生長發(fā)育過程中扮演著重要的角色，對細胞以及生物個體的壽命具有重要的調(diào)控作用。因此，細胞中染色體端粒長度以及端粒酶活性已經(jīng)成為衰老研究中的熱點[34]。當(dāng)端粒縮短到一定程度，即不能維護染色體穩(wěn)定時，細胞最終衰亡，這一點在人類細胞中已經(jīng)得到驗證。端粒長度在不同生物中相差很大，而且對于一個特定的生物，其端粒長度也是動態(tài)變化的[35]。

2.1 端粒及端粒酶的發(fā)現(xiàn)

20世紀30年代初期，Muller等[36]發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象，與常見的DNA斷裂不同，染色體末端之間不相互融合，具有末端的染色體才能被復(fù)制完整。因此科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)線性染色體的末端是一個極其特殊的結(jié)構(gòu)，Muller將該特殊結(jié)構(gòu)稱為“端粒(Telomere)”。但是當(dāng)時人們對隨機產(chǎn)生的DNA斷裂末端與染色體端粒之間的差異并不清楚。20世紀五六十年代，科學(xué)家在探究DNA的準確復(fù)制問題時，發(fā)現(xiàn)了一個新的難題，DNA聚合酶具有局限性，在DNA的每一輪復(fù)制過程中，復(fù)制到末端時都會丟失少量的核苷酸，最終導(dǎo)致真核細胞線性染色體在每次細胞分裂過程中都會縮短，Watson等[37]首次提出了“末端復(fù)制問題”，同時他大膽推測，在真核生物中必定存在一種特殊機制，該機制能夠延長真核細胞中線性染色體末端缺失的部分，以維持染色體末端的完整性，確保遺傳信息的穩(wěn)定性。同一時期，Alexey Olovnikov也推測，染色體末端的逐漸縮短將導(dǎo)致細胞的衰老。

80年代初期，Greider加入Blackburn研究團隊攻讀博士學(xué)位，他們用化學(xué)提取方法尋找端粒DNA聚合酶，并對該酶做了化學(xué)成分的鑒定。他們大膽推測，既然在四膜蟲的微小染色體中都含有端粒結(jié)構(gòu)，在四膜蟲中也應(yīng)該含有大量的DNA合成酶[38]。于1984年12月25日，Greider檢測出了四膜蟲細胞分離液中的一種新酶，該酶能夠以端粒序列為模板合成核苷酸重復(fù)序列。后來就將這種DNA合成酶成為“端粒酶”。后來她們又開始探討端粒序列的維持機制，她們大膽地推測，每個生物的端粒酶都包含一個DNA或RNA組分作為模板。用RNA酶處理的端粒酶組分失去了合成端粒DNA的活性，因此，Blackburn和Greider認為RNA在端粒DNA合成過程中發(fā)揮重要作用。最終，Greider純化到了端粒酶，其包含了一個蛋白亞基和一個RAN亞基。不久Greider在冷泉港實驗室成立了自己的研究室，并進一步證實，端粒酶的RNA亞基決定了端粒的序列。與此同時，Jack Szostak和他的博士后Victoria Lundblad在酵母中篩選并獲得了一系列端粒復(fù)制所必需的基因，這些基因的突變將導(dǎo)致端粒的逐漸縮短和細胞衰老。由此，他們第一次證實了端粒長度的穩(wěn)態(tài)對細胞存活的重要作用[39]。

2.2 端粒長度和端粒酶活性與植物衰老的相關(guān)性研究

2.2.1端粒長度與植物年齡及季節(jié)的關(guān)系 研究發(fā)現(xiàn)，同動物一樣，植物的年齡也是由特定部位細胞遺傳物質(zhì)調(diào)控并決定[40]。關(guān)于生物體年齡與端粒長度及端粒酶活性的關(guān)系以及端粒對生物體的調(diào)控作用在動物中報道較多，但是在植物方面報道較少，在植物方面的報道主要集中在端粒長度對樹木年齡的調(diào)控方面[41]。Flanary等[42]以狐尾松(Pinuslongaeva)為研究對象，測定了不同部位和器官(針葉、樹心和根)中的端粒長度，研究發(fā)現(xiàn)，狐尾松不同器官端粒長度的最大值、平均值、最小值都伴隨著樹木生命活動的周期性增大或者減小，端粒長度和端粒酶活性影響樹木的衰老進程和壽命，同時在調(diào)控植物的生長發(fā)育方面也具有重要的作用。慕瑩等[43]以不同年齡段的銀杏(Ginkgobiloba)組織為檢測對象，分別測定了不同年齡段不同組織的端粒長度。研究發(fā)現(xiàn)不同組織之間端粒長度的大小為：銀杏小枝的端粒長度>銀杏葉片的端粒長度>銀杏胚性愈傷組織的端粒長度>銀杏小孢子的端粒長度。同時也發(fā)現(xiàn)，在銀杏雌性個體中，成熟葉片的端粒長度與小枝條的端粒長度不同，但是差異不顯著；與此同時，該研究還測定了同一組織中銀杏端粒長度隨著樹木年齡的動態(tài)變化規(guī)律，探究了同一組織中端粒長度與樹木年齡之間的相關(guān)性。Song等[44]同樣以銀杏樹為研究對象，分析了不同器官的端粒長度在不同月份中的差異。首先發(fā)現(xiàn)在小孢子中，雖然細胞進行了減數(shù)分裂，但是端粒長度的變化并不明顯，基于此，他推測在小孢子細胞中必將存在一種機制，即在特定的時期，端粒長度被特異性選擇延長，以保證在減數(shù)分裂過程中小孢子的端粒長度維持恒定狀態(tài)。他還測定了不同月份中銀杏葉片的端粒長度，研究發(fā)現(xiàn)4—8月份銀杏端粒長度變化不明顯，9—10月份急劇減小，推測銀杏端粒長度的變化不僅受到內(nèi)部遺傳因子或者維持機制的調(diào)控，同時還受到外界環(huán)境(溫度，濕度等)的影響。因此可以看出：一定長度的端粒是內(nèi)外因子共同調(diào)控作用的結(jié)果。鄭廣順等[45]以國槐(Sophorajaponica)，楸樹(Catalpabungei)，銀杏(Ginkgobiloba)和油松(Pinustabuliformis)4種不同樹種為研究對象，每種樹選取的年齡段如下：國槐(1，20±5，100±10，400±50年)；銀杏(10±3，50±5，100±10，700±30年)；楸樹(1，10±4，80±20，400±50年)；油松(5±2，20±5，250±30，500±50年)，并用經(jīng)典的端粒長度測定方法Southern印跡雜交法分別測定了樹木底部枝條的端粒長度。結(jié)果表明，不同樹種隨著樹齡的變化端粒長度變化規(guī)律也不一致，各樹種之間端粒長度變化非常明顯；國槐嫩枝端粒長度隨著樹木年齡的增加而延長，但端粒酶活性呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，從總體趨勢來看端粒酶活性是減小的，由此可以推測，端粒酶不是維持國槐端粒長度的唯一機制，在特定的時期，必將存在另外一種端粒長度機制維持端粒的長度。Fojtová等[46]發(fā)現(xiàn)了一種新的端粒長度維持機制，認為隨機重復(fù)序列可能代替了端粒，這部分隨機重復(fù)序列可能就是之前的亞端粒序列。

2.2.2端粒酶活性與植物年齡及不同器官的關(guān)系 端粒酶活性的變化不同于端粒長度，端粒酶活性的大小不僅受到植物細胞內(nèi)部遺傳因子的調(diào)控，還受到植物所處環(huán)境因子的影響[47]。王瑾瑜等[48]以國槐、楸樹、銀杏、油松4個不同樹種為研究對象，分別分析了4個不同樹種不同年齡下葉片的端粒酶活性以及同一棵油松和銀杏樹不同部位葉片端粒酶活性，研究發(fā)現(xiàn)，同一棵樹不同部位葉片端粒酶活性差異性較大，從樹木的頂端到基部，端粒酶活性逐漸降低，但是研究發(fā)現(xiàn)，樹木年齡與端粒酶活性幾乎沒有關(guān)系。同時作者又探討了胡楊(Populuseuphratica)愈傷組織和沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)懸浮細胞在鹽脅迫下端粒酶活性的變化規(guī)律，并探討了端粒酶對鹽脅迫造成的DNA損傷的修復(fù)作用。研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫造成的DNA輕度損傷端粒酶可以修復(fù)，但是高鹽濃度處理下造成的DNA重度損傷端粒酶無法修復(fù)。由此可以看出，植物細胞中的端粒酶具有雙重機制：對DNA損傷的修復(fù)機制和對端粒長度的維持機制。Liu等[49]分別從樹木年齡、樹木的生長季節(jié)、樹木的不同組織以及樹木的雌雄株角度綜合的探討了端粒酶活性的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在植物生長旺盛、溫度較高的季節(jié)端粒酶活性較大，反之端粒酶活性較小，在植物生長旺盛的部位，即分生組織中端粒酶活性較大，這也同時驗證了前人的研究觀點，端粒酶在細胞增殖分化過程中扮演著重要的角色。同時Fitzgerald等[50]研究發(fā)現(xiàn)，不管在生殖細胞還是體細胞，常綠植物還是落葉植物，一年生還是多年生植物均能檢測到端粒酶活性。

綜上所述，端粒酶在植物生長發(fā)育過程中扮演著重要的角色，主要表現(xiàn)在對端粒長度的維持機制、對脅迫造成DNA損傷的修復(fù)機制以及在植物細胞增殖分化過程中發(fā)揮著重要作用。植物端粒酶活性受到很多因素的影響，例如：檢測端粒長度時的取樣部位、取樣時期、植物所處環(huán)境中的脅迫、植物所處的地域以及植物的生長年齡等。因此，在評價端粒酶對植物生長發(fā)育的影響以及闡釋端粒酶的功能時必須將這些因素考慮在內(nèi)。

3 植物衰老調(diào)控

3.1 植物衰老調(diào)控通路研究進展

衰老是一種基因編碼的程序性事件，衰老期間有新蛋白質(zhì)的合成和原有蛋白質(zhì)種類的增減[51]。已從擬南芥、大麥、玉米、番茄等植物中克隆出許多與衰老有關(guān)的基因。表達上調(diào)或下調(diào)的基因分為兩類：衰老上調(diào)基因(Senescence up regulated genes,SAGs)和衰老下調(diào)基因(Senescence down regulated genes，SDGs)(表1，表2)。在衰老過程中正調(diào)節(jié)表達的基因，稱為衰老上調(diào)基因，如SAG12，SAG13，LSC54。β-半乳糖苷酶基因參與類囊膜主要組分(半乳糖脂)的降解產(chǎn)物(半乳糖)的動員。陳昆松等[52]從中華獼猴桃果實中克隆到了一個β-半乳糖苷酶基因cDNA片段，分析結(jié)果表明β-半乳糖苷酶在獼猴桃果實后熟軟化的啟動階段起作用。在衰老過程中表達下降的基因則被稱為衰老下調(diào)基因SDGs，如編碼與光合過程有關(guān)的蛋白質(zhì)[(葉綠素a,b集光復(fù)合體、rbcL,rbcS(2，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶大亞基、小亞基)、電子傳遞體(petB)、光合系統(tǒng)(psbA)]的轉(zhuǎn)錄隨葉片衰老急劇下降。通過轉(zhuǎn)錄組研究發(fā)現(xiàn)，植物衰老涉及成千上萬的表達基因和許多信號傳導(dǎo)途徑。在這些基因中，許多轉(zhuǎn)錄因子(Transcription factors，TF)調(diào)控植物衰老，例如NAC，WKRY，MYB，bZIP和bHLH家族成員。Bresson等[53]選擇了一些早期和晚期的擬南芥關(guān)鍵SAG和SDG標(biāo)記衰老階段，通過RT-qPCR監(jiān)測基因表達水平，只分離出非常少量的RNA，并且檢測到轉(zhuǎn)錄水平。

表1 衰老期間上調(diào)基因

表2 衰老期間下調(diào)基因

SAG在衰老過程中被上調(diào)，但由于其功能范圍廣，在植物發(fā)育過程中的表達模式變化很大。許多SAG也對環(huán)境作出反應(yīng)，可以被視為調(diào)控脅迫反應(yīng)和年齡依賴性衰老的不同信號傳導(dǎo)途徑的整合者。通常，SAG12和SAG13表達是使用最廣泛的SAG標(biāo)記，分別反映了衰老的晚期和早期狀態(tài)。SAG12已與自然誘導(dǎo)的衰老緊密相關(guān),編碼一種半胱氨酸蛋白酶，主要位于與蛋白質(zhì)降解有關(guān)的衰老相關(guān)的液泡中。盡管SAG12在后期的衰老階段參與了大規(guī)模的蛋白水解過程，但其在擬南芥衰老中的特定靶點和功能仍不清楚。

NAC和WRKY家族是衰老轉(zhuǎn)錄組中最大的兩類TFs(圖4)。它們代表了在衰老中發(fā)揮重要作用的有價值的標(biāo)志物。作為關(guān)鍵的與衰老相關(guān)的TF，WRKY53和ANAC092已被發(fā)現(xiàn)會影響許多已知的衰老調(diào)節(jié)基因的表達，這些基因參與例如營養(yǎng)的重新分配，細胞壁修飾以及氨基酸和激素代謝等過程[55]。Balazadeh等[56]研究發(fā)現(xiàn)，qRT-PCR分析顯示W(wǎng)RKY53的表達可以用作非常早的衰老標(biāo)記，在播種后第4周，當(dāng)植物開始開花但沒有明顯的衰老跡象且SAG12和SAG13表達沒有明顯增加時，WRKY53的表達顯著增加。ANAC092的表達也隨著衰老的開始而增加，但在衰老葉片的后期達到了最高表達水平。

圖3 植物衰老調(diào)控通路(根據(jù)參考文獻[57]修改)

圖4 端粒酶功能(根據(jù)參考文獻[60]修改)

3.2 端粒調(diào)控植物發(fā)育及衰老的研究進展

端粒酶是一種核糖核蛋白酶，最早發(fā)現(xiàn)其功能是以自身RNA部分為模板，復(fù)制染色體末端，維持端粒長度[58]。最新研究發(fā)現(xiàn)，端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶亞基部分參與線粒體功能以及相關(guān)基因表達調(diào)控。端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶基因TERT能夠誘導(dǎo)或者抑制促增殖和抗增殖基因表達促進細胞生長和增殖，在這個過程中不依賴端粒延長，通過這種方式，它能使細胞在沒有有絲分裂刺激的情況下大量增殖。最新研究發(fā)現(xiàn)，TERT主要定位在細胞核中，能夠調(diào)節(jié)細胞染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，同時也會快速響應(yīng)DNA損傷，啟動DNA修復(fù)通路，同時，TERT能夠以依賴端粒“帽子”的方式穩(wěn)定端粒結(jié)構(gòu)，在不延長端粒長度的情況下延長細胞壽命[59]。TERT也定位在線粒體中，增加細胞對促凋亡刺激的耐受性，阻斷線粒體死亡途徑，增加細胞的適應(yīng)性，提高線粒體活性和凋亡抗性。因此將這些功能稱為端粒酶的非端粒功能(圖3)。通過對端粒酶新功能的探索，有助于解決植物衰老難題，為其提供一條新的途徑。

4 總結(jié)與展望

端粒作為復(fù)制性衰老開始的主要決定因素，由保護染色體末端免受降解和非重組的富含G核苷酸(TTAGGG)n序列組成。端粒長度的縮短主要發(fā)生在DNA損傷的細胞、核酸酶活性較低的細胞、活躍增殖的細胞以及個別端粒酶功能缺乏的細胞中。顯著的端粒長度縮短導(dǎo)致DNA損傷和凋亡信號通路激活，從而誘導(dǎo)衰老和細胞周期停滯。從最近的研究中獲得的全部信息表明，表觀遺傳修飾的誘導(dǎo)和啟動子甲基化的變化以及端粒附近基因沉默的改變是端粒長度縮短的結(jié)果。總結(jié)最新的實驗和理論數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：端粒是復(fù)制性衰老開始的主要決定因素；在植物細胞衰老的生物標(biāo)志物中，端?？s短被認為是衰老的標(biāo)志。

端粒酶是一種逆轉(zhuǎn)錄酶，由端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶和RNA組成的核糖核蛋白，具有逆轉(zhuǎn)錄活性。端粒酶的主要功能是其維持端粒長度功能，即復(fù)制染色體末端DNA，從而維持端粒長度，調(diào)控植物細胞的增殖速度。最新的研究發(fā)現(xiàn)，端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶具有其它的非端粒功能，例如調(diào)控基因表達和線粒體功能，非端粒酶功能的深入挖掘有助于闡明端粒調(diào)控植物壽命以及植物衰老的作用機制。

植物衰老是一個很熱的研究主題，衰老是植物生存的一種策略，但是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生巨大的影響，牧草提前老化導(dǎo)致草地生產(chǎn)力下降，限制了畜牧業(yè)的發(fā)展?？蒲泄ぷ髡咴噲D從不同角度揭示植物衰老的機制。通過前人的研究發(fā)現(xiàn)，植物衰老是一個內(nèi)外因素相互影響非常復(fù)雜的生物學(xué)過程，從單一方面研究植物衰老勢必存在一定的局限性，后期從激素水平、植物營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運、環(huán)境因子水平、衰老相關(guān)基因角度、植物土壤微生物互作等多角度研究植物衰老的內(nèi)在機制顯得更加重要。