陳平 吳立文 王忠偉 張宇,2 郭龍彪,*

(1中國(guó)水稻研究所, 杭州 310006;2廣西瑞特種子有限責(zé)任公司, 南寧 530003;*通訊聯(lián)系人, E-mail: guolongbiao@caas.cn)

煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)合成途徑和水稻葉片早衰

陳平1吳立文1王忠偉1張宇1,2郭龍彪1,*

(1中國(guó)水稻研究所, 杭州 310006;2廣西瑞特種子有限責(zé)任公司, 南寧 530003;*通訊聯(lián)系人, E-mail: guolongbiao@caas.cn)

葉片是植物進(jìn)行光合作用的主要場(chǎng)所，其衰老由內(nèi)源遺傳發(fā)育信號(hào)和外界環(huán)境脅迫所啟動(dòng)，是一個(gè)非常復(fù)雜有序的調(diào)控過(guò)程。煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide, NAD)是脫氫酶的輔酶，在糖酵解、糖異生、三羧酸循環(huán)以及呼吸鏈等代謝中發(fā)揮著不可替代的作用。最新研究表明，水稻NAD生物合成參與調(diào)控沉默信息調(diào)控因子Sirtuins的生物活性、組蛋白H3K9去乙?；?、植物激素茉莉酸(JA)和葉片衰老。本文綜述了有關(guān)水稻葉片衰老的細(xì)胞生理特征、Sirtuins酶活、NAD生物合成以及水稻早衰的OsSRT1-NAD調(diào)控途徑和OsSRT1-MeOH-JA調(diào)控途徑，以期闡明水稻葉片衰老的分子機(jī)理及其調(diào)控途徑，為高產(chǎn)育種提供相應(yīng)的理論參考。

水稻；葉片衰老；NAD合成途徑；茉莉酸；正沉默信息調(diào)控因子

植物自然衰老是伴隨著年齡增長(zhǎng)而發(fā)生的細(xì)胞程序化死亡過(guò)程[1-3]，葉片衰老是最常見(jiàn)的現(xiàn)象之一，它受內(nèi)外因素的共同調(diào)控。內(nèi)部因素主要包括植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中遺傳因子和內(nèi)源激素的改變。目前,已報(bào)道的水稻葉片衰老相關(guān)基因超過(guò)132個(gè)[4]，其中與葉片持綠、早衰相關(guān)基因40余個(gè)，圖位克隆的葉片早衰功能基因21個(gè)。這些基因主要參與調(diào)控葉綠體發(fā)育與葉綠素降解、蛋白質(zhì)合成與降解及轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞程序性死亡以及激素調(diào)控途徑。內(nèi)源激素如細(xì)胞分裂素、生長(zhǎng)素、赤霉素有延遲葉片衰老作用，而乙烯、脫落酸、茉莉酸及其衍生物、水楊酸、油菜素內(nèi)酯促進(jìn)葉片衰老，這些內(nèi)源激素之間協(xié)同拮抗，共同調(diào)控了植物葉片的衰老[5]。外部因素包括各種外界因子、機(jī)械損傷以及病原菌的侵害等非生物和生物所造成的脅迫[6-8]。在植物衰老過(guò)程中，細(xì)胞結(jié)構(gòu)、激素水平、生理生化代謝以及基因表達(dá)等都發(fā)生變化，過(guò)程極其復(fù)雜。早期的營(yíng)養(yǎng)脅迫假說(shuō)、激素平衡假說(shuō)以及程序性細(xì)胞死亡理論等在一定程度上對(duì)衰老機(jī)理作出了較為合理的解釋[9]。

最新研究發(fā)現(xiàn)，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸NAD(nicotinamide adenine dinucleotide)的生物合成參與調(diào)控水稻葉片衰老[10-11]。NAD及其相應(yīng)的還原型態(tài)(NADH)，即我們通常所說(shuō)的輔酶Ⅰ，是生物體內(nèi)細(xì)胞能量代謝所必需的小分子化合物。NAD+/NADH是電子載體，參與糖酵解、糖異生、三羧酸循環(huán)以及細(xì)胞呼吸鏈中各種酶促氧化還原反應(yīng)[12-14]。NAD(P)(H)的生物合成途徑，包括起始合成途徑(the de novo pathway)和補(bǔ)救途徑(the salvage pathway)[15,16]，影響生物的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、發(fā)育調(diào)控和抗逆性。NAD+/NADH比例(NAD水平)直接控制著細(xì)胞的節(jié)律、衰老、抗性和細(xì)胞保護(hù)作用等重大生命過(guò)程。細(xì)胞內(nèi)聯(lián)系代謝與衰老過(guò)程的酶是依賴NAD的去乙?；窼irtuins(又稱正沉默信息調(diào)控因子)。其去乙?；富钚詫?duì)NAD水平的依賴，能夠傳遞到細(xì)胞內(nèi)影響代謝速率，從而延長(zhǎng)細(xì)胞壽命。在水稻中，Wu等[11]最先發(fā)現(xiàn)NAD生物合成基因(OsNaPRT1)參與調(diào)控了NAD合成途徑、Sirtuins酶活、組蛋白H3K9去乙?；碛^遺傳和葉片早衰。最近，F(xiàn)ang等[10]揭示了水稻茉莉酸(jasmonic acid，JA)含量的控制基因OsPME1，參與調(diào)控Sirtuins酶活、去乙?；?，負(fù)調(diào)控水稻葉片衰老。

本文綜述了有關(guān)植物葉片衰老細(xì)胞的生理特征、NAD生物合成、Sirtuins酶活以及水稻早衰的OsSRT1-NAD和OsSRT1-MeOH-JA調(diào)控途徑的最新研究進(jìn)展，以期闡明植物葉片衰老的分子機(jī)理及其調(diào)控途徑，同時(shí)為水稻高產(chǎn)育種提供相應(yīng)的參考。

1 葉片衰老的發(fā)育過(guò)程和特征

植物從生根發(fā)芽開(kāi)始，在其生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)階段中均伴隨著各種器官的衰老和死亡。葉片從形成到發(fā)育成熟，直至衰老死亡，是一個(gè)不可避免的自然現(xiàn)象[7]。葉片衰老表現(xiàn)出有序的細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化和生理生化方面的變化(圖1)，主要表現(xiàn)為：葉綠素的降解、葉綠體結(jié)構(gòu)的改變與解體、液泡的解體、細(xì)胞質(zhì)膜和液泡膜的解體、核酸和蛋白含量的降低與降解、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移等，最終導(dǎo)致葉肉細(xì)胞的死亡和葉片功能的喪失[6-7,17-18]。發(fā)育引起的葉片自然衰老是一個(gè)漸進(jìn)有序而又極其復(fù)雜的調(diào)控過(guò)程，涉及一系列內(nèi)外因素的協(xié)同響應(yīng)，而活性氧ROS或糖被認(rèn)為是衰老的信號(hào)因子[19]。

細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化：葉片衰老過(guò)程中細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化最初發(fā)生在葉綠體上，由于葉綠素的降解快于合成，葉片在形態(tài)上表現(xiàn)為黃化。葉片的變化表現(xiàn)為氣孔導(dǎo)度降低、蒸騰速率下降、光合速率降低、葉片的運(yùn)輸能力下降、葉片中淀粉積累、葉片對(duì)光能的利用率下降[9,20]。而與基因表達(dá)相關(guān)的線粒體和細(xì)胞核結(jié)構(gòu)會(huì)一直保持完整，直到衰老。葉片衰老至最后階段時(shí)，液泡會(huì)崩裂，染色質(zhì)會(huì)濃縮，原生質(zhì)膜的完整性缺失導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)平衡破壞，最終細(xì)胞死亡。

圖1 植物葉片衰老過(guò)程Fig. 1. Leaf senescence process in plant.

生理生化典型特征：葉片衰老的生理生化典型特征表現(xiàn)為核酸含量降低，蛋白質(zhì)含量下降，膜脂過(guò)氧化程度加重和細(xì)胞保護(hù)酶活性下降，光合作用功能衰退、細(xì)胞內(nèi)部激素平衡破壞。RNA不斷降解，但DNA含量和脫氧核糖核酸酶(DNase)活性無(wú)明顯變化。所有細(xì)胞中多核糖體和核糖體的含量降低，rRNA和tRNA的合成也降低，內(nèi)肽酶和氨肽酶活性明顯上升。葉片衰老時(shí)，細(xì)胞內(nèi)自由基產(chǎn)生及清除的動(dòng)態(tài)平衡被破壞，自由基不斷積累，從而加劇細(xì)胞膜脂過(guò)氧化。部分小分子抗氧化物及保護(hù)酶系統(tǒng)的數(shù)量和活性明顯降低，如超氧化物歧化酶、抗壞血酸過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶含量以及抗壞血酸、谷胱甘肽、甘露醇和類黃酮含量減少，作為細(xì)胞膜脂氧化產(chǎn)物的丙二醛(MDA)含量增加[6]。呼吸速率在葉片衰老初始階段快速下降，然后急劇上升，隨之迅速下降。

2 NAD生物合成途徑

NAD和NADP是細(xì)胞代謝途徑中多種酶的輔酶，參與細(xì)胞很多代謝反應(yīng)。NADH或更準(zhǔn)確地說(shuō)NADH+H+是NAD的還原形式。NAD是脫氫酶的輔酶，如乙醇脫氫酶，用于氧化乙醇。中間產(chǎn)物會(huì)將脫下的氫傳遞給NAD，使其變?yōu)檫€原態(tài)NADH+H+。NADP為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(簡(jiǎn)稱：輔酶Ⅱ)，是另一種極為重要的核苷酸類輔酶，它是NAD中與腺嘌呤相連的核糖環(huán)系2′-位的磷酸化衍生物，參與多種合成代謝反應(yīng)，如脂類、脂肪酸和核苷酸的合成。這些反應(yīng)中需要NADPH作為氫供體，NADPH是NADP+的還原形式。植物葉綠體中，光合作用光反應(yīng)電子傳遞鏈的最后一步即是以NADP+為原料，經(jīng)過(guò)鐵氧還蛋白-NADP+還原酶的催化而產(chǎn)生NADPH。產(chǎn)生的NADPH接下來(lái)在碳反應(yīng)(暗反應(yīng))中被用于二氧化碳的同化。因此，NAD與NADP實(shí)際上是通過(guò)氧化和還原型的轉(zhuǎn)換來(lái)為生物提供能量，從而實(shí)現(xiàn)其輔酶功能。

NAD起始合成途徑和補(bǔ)償途徑：鑒于NAD(P)能夠通過(guò)初級(jí)和次級(jí)代謝精確調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的動(dòng)態(tài)平衡，所有組織合成NAD(P)都需要經(jīng)過(guò)一個(gè)以色氨酸或者天冬氨酸為起始物的起始合成過(guò)程，植物以天冬氨酸為起始物[15]。先由其氧化酶和喹啉酸合成酶將天冬氨酸和二羥基丙酮催化生成喹啉酸，而后喹啉酸在喹啉酸磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶的催化作用下生成NaMN(煙酸單核苷酸)，NaMN在NMNAT(煙酰胺單核苷酸腺苷?；D(zhuǎn)移酶)的作用下生成NaAD(煙酸腺嘌呤二核苷酸)，NaAD在NAD合成酶的催化下最終生成NAD(圖2)。

除了氧化還原反應(yīng)，NAD還是ADP-核糖、多聚ADP核糖基化、蛋白質(zhì)脫乙酰作用等反應(yīng)的底物，在這些反應(yīng)中，NAD被分解得到煙酰胺(NIM)，被稱為NAD補(bǔ)償途徑或再循環(huán)途徑。NAD和NADP是植物機(jī)體中的電子傳輸和代謝進(jìn)程所需的基本輔助因子，能夠調(diào)控代謝酶類的相關(guān)功能[22]。NAD用于呼吸作用中ATP的產(chǎn)生，而NADP則應(yīng)用于還原性的生物合成反應(yīng)中。在逆境下，胞質(zhì)中會(huì)通過(guò)磷酸戊糖途徑生成NADP的還原型(NADPH)，參與調(diào)控鈣調(diào)蛋白的NADK的活性和ROS活性氧含量。

3 依賴NAD的Sirtuins酶活

正沉默信息調(diào)控因子Sirtuins屬于去乙?；讣易澧箢惖鞍?，是唯一的組蛋白去乙?；?deactyalses, HDACs)，高度保守。Sirtuins蛋白含有一個(gè)保守的NAD結(jié)合和催化結(jié)構(gòu)域，又稱為Sirtuin核心域，但在N-末端和C-末端結(jié)構(gòu)域存在差異。它們有特殊的底物，存在于各類細(xì)胞器中。Sirtuins酶活需要NAD激活，共同參與早衰和老化相關(guān)病害的新陳代謝活動(dòng)。由于NAD是酶促反應(yīng)必需的，所以，Sirtuins活性直接與細(xì)胞內(nèi)的新陳代謝關(guān)聯(lián)。Sirtuins脫乙?；磻?yīng)分兩步驟。

第一，在乙酰化賴氨酸(Acetyl-lysine)參與下，Sirtuins切割NAD，產(chǎn)生煙酰胺(NAM)和含羰基碳的ADP-核糖；第二，通過(guò)脫乙酰作用，將Acetyllysine的乙?；D(zhuǎn)移到ADP-核糖上，同時(shí)與酶緊連的醋酸進(jìn)攻羰基碳產(chǎn)生O-acetyl-ADP核糖[23]。Sirtuins就是經(jīng)過(guò)這樣的一個(gè)過(guò)程將Acetyl-lysine的乙酰基轉(zhuǎn)移到相關(guān)蛋白中使其乙?；?，從而激活相關(guān)蛋白的活性，調(diào)控相關(guān)生理過(guò)程(圖2-B)。

有趣的是，生成的煙酰胺是一種Sirtuins的內(nèi)源性抑制劑，通過(guò)NAD補(bǔ)救途徑，煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(Nampt)將煙酰胺轉(zhuǎn)化為煙酰胺單核苷酸(NMN)，隨后，煙酰胺單核苷酸腺苷酰轉(zhuǎn)移酶(NMNAT)再將NMN轉(zhuǎn)化為NAD(圖2)。NAD和它的合成途徑中的一些衍生物能夠調(diào)控復(fù)雜的細(xì)胞內(nèi)進(jìn)程，如通過(guò)NAD依賴的去乙?；饔谜{(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄活性[24-27]。NAD會(huì)被沉默信息調(diào)控因子Sir2和多聚ADP核糖聚合酶分解為煙酰胺。沉默信息調(diào)控因子Sir2家族酶類是NAD依賴的組蛋白去乙?；福軌虺聊旧|(zhì)上的關(guān)鍵基因位點(diǎn)[28,29]。除此之外，NAD還參與營(yíng)養(yǎng)脅迫的生物合成和生物鐘周期調(diào)控[30]。

圖2 植物中NAD的代謝途徑[21]Fig. 2. Metabolism of NAD in plants[21].

Sir2家族蛋白分為四大類，植物中已發(fā)現(xiàn)的Sir2蛋白較少，擬南芥中發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)Sir2類蛋白編碼基因(命名為AtSRT1和AtSRT2)分別屬于Sir2蛋白家族四大類中的兩類[31]。水稻中同樣也發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)Sir2類基因(OsSRT1和OsSRT2)，分別屬于第四類和第二類，通過(guò)序列分析，比對(duì)擬南芥和水稻中的兩個(gè)Sir2家族基因，發(fā)現(xiàn)AtSRT1和OsSRT1屬于同一個(gè)組蛋白去乙?；讣易宀⑶冶憩F(xiàn)出很高的序列相似性，但是AtSRT2與OsSRT1的序列相比，則表現(xiàn)出高度的差異性，說(shuō)明兩者可能行使完全不同的功能[31](圖3)。已有的研究表明擬南芥AtSRT2顯示出通過(guò)抑制水楊酸的生物合成在植物基礎(chǔ)防御病原體PstDC3000中發(fā)揮負(fù)面作用，感染病原菌后，AtSRT2的表達(dá)水平則會(huì)下降[32]；而敲除AtSRT2能夠增強(qiáng)植物對(duì)PstDC3000的抗性以及提高PR1等病原相關(guān)抗性基因的表達(dá)水平。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，AtSRT2能夠通過(guò)調(diào)控組蛋白H4K8位點(diǎn)的乙?；秸{(diào)控鹽脅迫下的種子萌發(fā)過(guò)程，主要通過(guò)減少鹽脅迫下植物DNA的損傷以及NAD+的積累行使基因功能[33]。在水稻中，已有研究表明OsSRT1通過(guò)直接去乙?；M蛋白H3亞基上第9位的賴氨酸位點(diǎn)，抑制轉(zhuǎn)座子類、代謝類和細(xì)胞凋亡類基因的表達(dá)[34-35]。煙酰胺無(wú)論是在體內(nèi)還是體外的環(huán)境，都能有效地抑制SIRT1介導(dǎo)的p53蛋白的去乙?；^(guò)程，影響Sir2蛋白的酶活性, 從而調(diào)控細(xì)胞的衰老進(jìn)程[36]。

4 水稻早衰的OsSRT1-NAD調(diào)控途徑

大部分生物體都是通過(guò)補(bǔ)償途徑，再利用NAD分解形成的煙酰胺去合成新的NAD，以維持體內(nèi)NAD的平衡[37]。之前已有報(bào)道NAD合成途徑中的一些關(guān)鍵基因在生物學(xué)方面的重要性，包括NMNAT、AtNIC1、NADK2等[16,38-39]。在擬南芥中，早衰基因onset-of-leaf-death5(old5)編碼喹啉酸合成酶，參與調(diào)控NAD生物合成、SIR2蛋白酶活、ROS含量和SAGs基因表達(dá)，該基因突變后導(dǎo)致早期老化[16,40]。Liu等[41]報(bào)道了水稻中9 個(gè)與NADPH氧化酶基因同源的基因Rice respiratory burst oxidase homolog(Osrboh)，它們參與調(diào)控ROS活性氧含量和細(xì)胞死亡。Wu等[11]利用一個(gè)水稻葉片早衰相關(guān)的葉尖枯突變體lts1(leaf tip senescence 1)，借助圖位克隆的手段分離了LTS1基因，該基因編碼NAD補(bǔ)償合成途徑中的一個(gè)關(guān)鍵限速酶——煙酸磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(OsNaPRT1)。揭示了水稻早衰的OsSRT1-NAD調(diào)控途徑，闡明了異常的煙酸轉(zhuǎn)化為煙酸單核苷酸的過(guò)程和如何加速水稻葉片的衰老過(guò)程。OsNaPRT1的突變體葉片葉肉細(xì)胞中積累大量淀粉粒，同時(shí)表現(xiàn)出明顯的DNA片段化和過(guò)氧化氫產(chǎn)物的積累；葉片中煙酸和煙酰胺的含量較野生型明顯增多，而NAD含量減少，煙酰胺的積累抑制了去乙?；窸sSRTs基因的表達(dá)，導(dǎo)致了組蛋白H3K9位乙?；降纳仙?；OsSRTs基因的表達(dá)量下調(diào)誘導(dǎo)了衰老相關(guān)基因(SAGs)的轉(zhuǎn)錄激活，使衰老相關(guān)基因的表達(dá)量出現(xiàn)不同程度的上調(diào)，從而啟動(dòng)植株葉片的過(guò)早衰老，最終導(dǎo)致了葉尖枯萎的表型(圖3)。

水稻中包含兩個(gè)SIR2家族編碼基因：OsSRT1(Os04g0271000)和OsSRT2(Os12g0179800)，且這兩個(gè)基因分屬于SIR2家族的兩個(gè)不同分類[31]。NAD補(bǔ)償合成途徑的擾亂，導(dǎo)致水稻植株中煙酰胺含量增加和總NAD含量減少。研究發(fā)現(xiàn)，降低植株體內(nèi)煙酰胺含量能有效提高OsSRT1和OsSRT2基因表達(dá)量。Huang等[34]報(bào)道水稻中OsSRT1主要作用于組蛋白H3K9位點(diǎn)的去乙?；瑓⑴c淀粉積累、抑制轉(zhuǎn)座子和細(xì)胞凋亡相關(guān)基因的表達(dá)；水稻SIR2類基因能維持基因組穩(wěn)定性和避免植物細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程中DNA的損傷[35,42]。Wu等[11]通過(guò)OsNaPRT1基因的圖位克隆和NAD合成途徑分析，也證實(shí)了OsSRT1和OsSRT2基因表達(dá)的下調(diào)能夠影響水稻組蛋白H3K9位點(diǎn)去乙?；退ダ舷嚓P(guān)基因的表達(dá)量，最終導(dǎo)致了水稻葉片細(xì)胞的衰老。水稻早衰的OsSRT1-NAD調(diào)控途徑中的關(guān)鍵限速基因的克隆和功能解析有利于探究一種新的延緩水稻葉片衰老的方法，進(jìn)而為水稻增產(chǎn)提供新思路。

5 水稻早衰的OsSRT1-MeOH-JA調(diào)控途徑

茉莉酸類物質(zhì)(JAs)廣泛存在于多種植物體內(nèi)，是一種來(lái)源于亞麻酸的氧化脂類植物激素，由丙二烯氧化物合酶(AOS)、丙二烯氧化物酶(AOC)、OPDA reductases(OPR)和acyl CoA oxidases(ACX)等酶催化合成，可以作為一個(gè)oxylipin信號(hào)分子。茉莉酸甲酯 (methyl jasmonate，MeJA)和茉莉酸異亮氨酸 (jasmonoyl-isoleucine，JA-Ile)由茉莉酸羧基甲基轉(zhuǎn)移酶(JMT)和jasmonoyl異亮氨酸共軛合成酶(JAR)催化茉莉酸獲得[44-45]。茉莉酸及其衍生物是第一個(gè)被證實(shí)的促進(jìn)衰老的激素[43]。在擬南芥茉莉酸受體coi1突變體中過(guò)表達(dá)COI1基因，能恢復(fù)黑暗誘導(dǎo)引起的葉片衰老，證實(shí)JA通過(guò)依賴COI1的途徑抑制二磷酸核酮糖羧化酶活化酶(rubisco activase, RCA)表達(dá), 進(jìn)而誘導(dǎo)葉片的衰老[46]。擬南芥中堿性螺螺旋-環(huán)-螺旋((bHLH)轉(zhuǎn)錄因因子IIIe亞組組的MYC2、MYYC3和MYCC4和IIId亞組的bHLH003、bHLH13、bbHLH14之間間的拮抗作用用可以調(diào)控JAA誘導(dǎo)的葉片衰衰老[47]。miRR319通過(guò)對(duì)對(duì)TCP(Teossinte branched/Cyycloidea/PCFF)轉(zhuǎn)錄因子以及NAP(NAC-llike activatedd by AP3/PI)家家族的調(diào)控改改變植物葉片內(nèi)內(nèi)JA含量和AABA含量，從從而正調(diào)控植植物葉片的衰老老過(guò)程[48-50]。水稻葉片衰衰老負(fù)調(diào)控因因子OsDOS是一一個(gè)CCCH類類型的鋅指蛋蛋白[51]，通過(guò)過(guò)調(diào)控發(fā)育信號(hào)號(hào)和茉莉酸信號(hào)通路的整合合，延緩水稻稻葉片衰老的發(fā)發(fā)生。

圖3 OsSRT1和OsSRT2蛋白保守序列對(duì)比分析Fig. 3. Comparative analysis of conserved sequences of OsSRT1 and OsSRT2 proteins.

最新的的研究表明，甲甲醇-茉莉酸級(jí)級(jí)聯(lián)反應(yīng)及其其表觀遺傳調(diào)控控對(duì)水稻葉片的衰老起著重重要作用。在在葉片衰老過(guò)程程中，其他各各種代謝產(chǎn)物物發(fā)生系列反反應(yīng)，包括甲醇的的積累[52]。在在葉片中，甲醇醇主要來(lái)源于于果膠的去甲基基化，這個(gè)過(guò)程程被果膠甲基基轉(zhuǎn)移酶(PMMTs)、果膠甲酯酶酶(PMEs)和果果膠甲酯酶抑抑制劑(PMEIs)協(xié)同控制[52-544]。甲醇可以以作為一種信信號(hào)分子在植植物-草食動(dòng)物相相互作用中起起作用，從而提提高產(chǎn)量和促促進(jìn)成熟。Fang等[10]對(duì)國(guó)內(nèi)外221份水稻稻種質(zhì)中的茉茉莉酸含量變化化進(jìn)行了代謝謝組學(xué)分析研究，隨后基于于該數(shù)據(jù)進(jìn)行了了全基因組關(guān)聯(lián)分析，獲得得了控制茉莉莉酸含量量的候選基因因OsPME1和和OsTSD2，后續(xù)的基因因沉默默和超表達(dá)研研究表明甲醇醇-茉莉酸級(jí)級(jí)聯(lián)反應(yīng)途徑徑在調(diào)調(diào)控水稻葉片片衰老中發(fā)揮揮重要作用。并揭示了OsSSRT1通過(guò)組組蛋白H3K9去去乙?；瘉?lái)降降低OsPME1轉(zhuǎn)錄錄水平，抑制甲醇-茉莉酸酸代謝生物合合成基因的表表達(dá)。。綜上，水稻稻OsSRT1通通過(guò)表觀遺傳傳修飾負(fù)調(diào)控控甲醇醇-茉莉酸合成成基因的表達(dá)達(dá)，進(jìn)而負(fù)調(diào)調(diào)控水稻葉片片衰老老。水稻OsSRT1-甲醇-茉茉莉酸調(diào)控途途徑和表觀遺遺傳調(diào)調(diào)控衰老的生生物學(xué)途徑如如圖4所示。

6 展望

NAD通過(guò)過(guò)起始合成途途徑和補(bǔ)償途途徑兩個(gè)途徑徑參與與生物的重要要生命活動(dòng)，是重要的調(diào)調(diào)控因子，除除了在在氧化還原反反應(yīng)、能量代代謝、信號(hào)傳傳導(dǎo)過(guò)程中，發(fā)揮揮著重要的作作用外，還作為為ADP-核糖糖、多聚ADPP核糖糖基化、蛋白白質(zhì)脫乙酰作作用等反應(yīng)的的底物，能夠夠調(diào)控控代謝酶類的的相關(guān)功能[222]。在逆境環(huán)環(huán)境下，通過(guò)過(guò)磷酸酸戊糖途徑生生成的NADDPH，參與調(diào)調(diào)控鈣調(diào)蛋白NAADK的活性和和ROS活性氧氧含量。NADPH還通過(guò)過(guò)參與與ABA相關(guān)關(guān)的生理過(guò)程程、氣孔運(yùn)動(dòng)動(dòng)以及生物和和非生生物逆境來(lái)調(diào)調(diào)控衰老[13-155]。大量研究究證實(shí)NADD參與了水稻生長(zhǎng)發(fā)育、葉綠體發(fā)育和脅迫反應(yīng)[30,55]，PI3K調(diào)控NADPH氧化酶活性影響種子發(fā)芽[41]。水稻體內(nèi)NAD合成途徑受阻導(dǎo)致其葉部提前衰老，對(duì)這一途徑中關(guān)鍵限速基因的克隆和功能解析有利于探究一種新的延緩水稻葉片衰老的方法。因此，調(diào)控NAD合成途徑關(guān)鍵基因的表達(dá)應(yīng)該是未來(lái)提高水稻產(chǎn)量的一個(gè)有效策略。

圖4 水稻早早衰的NAD、JJA和SRT1調(diào)控途徑Fig. 4. Regulaation pathwayss of NAD, JA aand SRT1 invoolved in leaf sennescence in ricce.

葉片衰老是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，大量研究表明外界環(huán)境因子，內(nèi)源激素、遺傳因子和表觀遺傳等因素對(duì)水稻葉片衰老都會(huì)有影響，有的還涉及多層次的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[42,56,57]。近幾年，越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)表觀遺傳修飾也參與葉片衰老的調(diào)控，包括乙?；⒓谆腿旧|(zhì)結(jié)構(gòu)修飾，表觀調(diào)控突變體的衰老變異，以及衰老葉片SAGs組蛋白修飾的衰老特異改變等。特別是水稻SIR2家族蛋白的乙酰化，參與調(diào)控葉片衰老。但由于葉片衰老機(jī)理的復(fù)雜性，水稻葉片衰老表觀遺傳研究還剛剛起步，SIR2如何延遲衰老、保持適當(dāng)持綠和增產(chǎn)之間的分子機(jī)制，以及特異表觀遺傳因子和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)還有待深入研究。

雖然在農(nóng)作物生產(chǎn)中，早衰水稻品種每天可減少產(chǎn)量2%。雜交稻多數(shù)組合存在早衰現(xiàn)象，早衰與其庫(kù)源矛盾較大、根系活力低，供N量、葉綠素、可溶性蛋白質(zhì)含量及SOD活性降低有關(guān)[8]。所以，選育抗早衰水稻品種具有重要的實(shí)踐意義。隨著現(xiàn)代生物信息學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，作物衰老的分子機(jī)理越來(lái)越明晰，我們能更好地利用和改善植物葉片衰老，比如外源噴施負(fù)調(diào)控因子細(xì)胞分裂素和生長(zhǎng)素、通過(guò)基因工程定點(diǎn)激活衰老負(fù)相關(guān)因子和抑制衰老正相關(guān)因子等延長(zhǎng)農(nóng)作物的生長(zhǎng)期，延緩葉片衰老。適當(dāng)增加JA，既能影響ABA含量和葉片衰老，又能增強(qiáng)農(nóng)作物對(duì)外部環(huán)境脅迫的響應(yīng)能力，增加水稻產(chǎn)量。我們也可利用衰老頻度檢測(cè)水稻衰老過(guò)程[58]、導(dǎo)入持綠基因或SIR2長(zhǎng)壽因子[59]延長(zhǎng)功能葉片持綠期以提高作物產(chǎn)量，為抗衰老作物品種的遺傳改良提供新思路。例如,我們了解了水稻早衰的OsSRT1-NAD調(diào)控途徑，通過(guò)相關(guān)基因表達(dá)和底物生成物的含量變化,可以適當(dāng)提前或推遲水稻熟期，控制早衰，達(dá)到增產(chǎn)目的。針對(duì)這一特點(diǎn)，我們可以根據(jù)生產(chǎn)需求采取以下措施。在水稻后期，適當(dāng)增加水稻長(zhǎng)壽因子OsSRTs含量或煙酰胺含量，可以抑制組蛋白H3K9位乙?；退ダ舷嚓P(guān)基因(SAGs)的表達(dá)，適當(dāng)延緩水稻葉片的衰老；相反，如果水稻后期產(chǎn)生貪青現(xiàn)象，就要適當(dāng)減少水稻植株內(nèi)OsSRTs含量，增加H3K9位乙酰化，促使葉片中的養(yǎng)分及時(shí)地運(yùn)輸?shù)阶蚜＃_(dá)到增產(chǎn)的效果。類似地，生產(chǎn)中，也可通過(guò)調(diào)節(jié)水稻植株內(nèi)茉莉酸含量，調(diào)節(jié)減緩衰老時(shí)間，確保水稻增產(chǎn)的效果。

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Nicotinamide Adenine Dinucleotide(NAD) Biosynthesis Pathway and Leaf Senescence in Rice

CHEN Ping1, WU Liwen1, WANG Zhongwei1, ZHANG Yu1,2, GUO Longbiao1,*
(1China National Rice Research Institute, Hangzhou 310006, China;2Guangxi Rate Seed Co. Ltd, Nanning 530003, China;*Corresponding author, E-mail: guolongbiao@caas.cn)

Leaf is an important photosynthetic organ in rice, and its senescence is initiated by the endogenous genetic and developmental signals and the external environmental stress. Regulation of leaf senescence is a very complicated and delicate process in plants. NAD (nicotinamide adenine dinucleotide), a coenzyme of dehydrogenase, plays an irreplaceable role in glycolysis, gluconeogenesis, Krebs cycle, respiratory chain and other metabolism. The latest researches showed that the NAD biosynthesis in rice is involved in the regulation of the enzyme activity of silencing gene Sirtuins, histone H3K9 deacetylation, plant hormone jasmonic acid (JA) and leaf senescence. This paper highlights cell physiological characteristics, enzyme activity of Sirtuins, NAD biosynthesis of plant leaf senescence, and the OsSRT1-NAD and OsSRT1-MeOH-JA regulation pathways of leaf senescence in rice. It is beneficial to elucidation of the molecular mechanism and regulation pathways of leaf senescence, and application of high yield breeding in rice.

Oryza sativa; leaf senescence; NAD biosynthesis pathway; jasmonic acid; silent information regulator

Q755； S511.01

A

1001-7216(2017)05-0447-10

2017-03-08；修改稿收到日期：2017-06-06。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31461143014); 國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAD01B02-2); 中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016T90155)。