Plant Cell | JA调控叶片衰老的新机制

原创秀山 BioArt植物

衰老是叶片发育的最后一个步骤。在此过程中，胞内细胞器出现降解、大分子分解，从而使各种营养成分再分配到发育中的组织或储藏器官中【1】。诱导叶片衰老的因素多种多样，已知的众多激素，包括ABA、JA、乙烯、水杨酸、独脚金内酯等对叶片的衰老有促进作用【2】。

在拟南芥中，bHLH转录因子MYC2是JA信号途径中的一个关键蛋白。MYC2能够结合到很多JA响应基因调控区域的G-box元件上，从而起到促进或抑制下游基因的表达【3】。在没有JA存在的条件下，JASMONATE-ZIM-DOMAIN (JAZ)能与MYC2、TOPLESS转录共抑制子和NOVEL INTERACTOR OF JAZ (NINJA)结合，使MYC2失活【4】；而在有JA存在的条件下，JAZ蛋白能与能与SCF E3泛素连接酶形成复合物从而进入蛋白质降解途径【5-6】，释放MYC2，激活JA响应途径。前人研究表明MYC2的表达量受JA的大幅诱导，但其分子机制还不明了。

近日，来自日本东京大学Shuichi Yanagisawa课题组的研究人员发现拟南芥Dof (DNA-binding with one finger)家族成员Dof2.1的表达量受JA的诱导，是JA诱导叶片衰老的正调控因子。一系列实验结果表明其参与的MYC2–Dof2.1–MYC2前馈转录调控是其促进叶片衰老的信号路径。相关的结果以题A Jasmonate-activated MYC2–Dof2.1–MYC2 Transcriptional Loop Promotes Leaf Senescence in Arabidopsis的论文发表在The Plant Cell上。

研究人员首先利用eFP数据对拟南芥Dof家族的24个成员的表达模式进行了比较分析，发现Dof2.1的表达受JA的诱导。通过过Real-time PCR和对携带有启动子驱动GUS报告基因的转基因植株进行分析，表明Dof2.1的启动子能够诱导该基因的表达量在JA处理4小时的时间里增加约8倍。

促进叶片衰老是JA响应的标志之一，JA可促进自然衰老和黑暗条件下的叶片衰老【7,8】。通过比较野生型(WT)、突变体(dof2.1-ko)和超量表达株系(Dof2.1-OX)植株在MeJA处理不同时间的叶片颜色，发现dof2.1突变可延缓衰老，而超量表达可促进衰老（图1）。进一步分析表明，Dof2.1与JA一样，可促进黑暗诱导和年龄依赖的叶片老化。此外，通过对根系发育和创伤响应的比较，发现Dof2.1能够促进依赖于JA的根发育抑制、萌发和创伤响应。这些结果表明Dof2.1可能是JA途径中的关键因子。

图1.不同基因型植株受MeJA处理2天（2 DT）、3天（2 DT）后的叶片颜色

为解析Dof2.1在JA信号通路中的作用机制，研究人员进行了转录组分析。结果表明，在无MeJA条件下，dof2.1突变体和野生型的差异基因很少，但在有MeJA存在的条件下，dof2.1突变体中显著受诱导和抑制的基因数量分别达到了1745和665个。进一步分析表明，Dof2.1能促进JA诱导叶片衰老过程中 JA响应相关基因的表达。

MYC2 与Dof2.1基因的表达成正相关，且MYC2的启动子区有多个Dof-binding motif。ChIP和转录激活实验表明，Dof2.1可结合到MYC2的启动子区域促进其表达。在MeJA的处理下，myc2突变体的叶片颜色保持绿色，与Dof2.1-OX的表型相反。在myc2背景下超量表达Dof2.1，MeJA和黑暗条件诱导的叶片表型与myc2突变体一致（图2）。由此可知，MYC2是超量表达Dof2.1促进JA信号正常响应所必需的。

图2. myc2背景下超量表达Dof2.1不能促进叶片衰老

而在另一方面，MYC2可与Dof2.1启动子上的第二个E-box (CANNTG)元件直接结合，该元件突变后，Dof2.1的表达量不再受MeJA的诱导。这一结果表明，MYC2是Dof2.1的表达量受JA快速、大幅诱导的正向调控因子。

在dof2.1的背景下超量表达MYC2同样也延缓了JA诱导的衰老（图3），该结果表明MYC2诱导的与衰老相关基因受MYC2–Dof2.1–MYC2正向反馈调控。

综上所述，该研究通过非常详细的实验数据发现了MYC2–Dof2.1–MYC2正向反馈调控机制的存在，而该机制是JA诱导叶片衰老所的主要信号通路。详细的功能模式见图4.

图4. MYC2–Dof2.1–MYC2参与JA诱导的叶片衰老作用模式图

参考文献：

1. Woo, H.R., Kim, H.J., Lom, P.O., and Nam, H.G. (2019). Leaf senescence: systems and dynamics aspects. Annu. Rev. Plant Biol. 70: 347-376.

2. Jibran, R., Hunter, D.A., and Dijkwel, P.P. (2013) Hormonal regulation of leaf senescence through integration of developmental and stress signal. Plant Mol. Biol. 82: 547-561

3. Dombrecht, B., Xue, G.P., Sprague, S.J., Kirkegaard, J.A., Ross, J.J., Reid, J.B., Fitt, G.P., Sewelam, N., Schenk, P.M., Manners, J.M., and Kazan, K. (2007). MYC2 differentially modulates diverse jasmonate-dependent functions in Arabidopsis. Plant Cell 19: 2225–2245.

4. Pauwels, L. et al. (2010). NINJA connects the co-repressor TOPLESS to jasmonate signalling. Nature 464: 788–791.

5. Xie, D.X., Feys, B.F., James, S., Nieto-Rostro, M., and Turner, J.G. (1998). COI1: An Arabidopsis gene required for jasmonate-regulated defense and fertility. Science 280: 1091–1094.

6. Sheard, L.B., Tan, X., Mao, H., Withers, J., Ben-Nissan, G., Hinds, T.R., Kobayashi, Y., Hsu, F.F., Sharon, M., Browse, J., He, S.Y., Rizo, J., Howe, G.A., and Zheng, N. (2010). Jasmonate perception by inositol-phosphate-potentiated COI1-JAZ co-receptor. Nature 468: 400-405.

7. Weidhase, R.A., Lehmann, J., Kramell, H., Sembdner, G., and Parthier, B. (1987). Degradation of ribulose‐1,5‐bisphosphate carboxylase and chlorophyll in senescing barley leaf segments triggered by jasmonic acid methylester, and counteraction by cytokinin. Physiol. Plant. 69: 161–166.

8. Qi, T., Wang, J., Huang, H., Liu, B., Gao, H., Liu, Y., Song, S., and Xie, D. (2015). Regulation of jasmonate-induced leaf senescence by antagonism between bHLH subgroup IIIe and IIId factors in Arabidopsis. Plant Cell 27: 1634–1649.

全文链接：

http://www.plantcell.org/content/early/2019/10/22/tpc.19.00297

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