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植物细胞程序性死亡(PCD)是在植物发育的特定阶段发生的、自发的细胞死亡过程,对于维持植物的正常生长发育十分重要。植物衰老过程是一种缓慢的细胞程序性死亡。在农业生产上,由于叶片早衰造成许多作物减产。为了研究植物衰老过程中细胞程序性死亡的调控途径和方式,对水稻γ-射线诱变的突变体库进行筛选,鉴定到了一份表现为衰老加速的类病斑突变体。这个类病斑突变体还表现为种子萌发加快,将这个突变体命名为asgl(a_ccelerated leaf senescence and seed germination)。asgl突变体在自然衰老过程中以及黑暗诱导衰老过程中,均表现为衰老加速。因此asgl突变体的加速衰老并不是asgl植株叶片上类病斑的出现导致的直接结果。进一步的生理指标分析表明,衰老过程中叶绿体降解速率的变快引起叶绿素含量的下降是导致asgl突变体衰老加速的主要原因。尽管asgl突变体叶片的叶绿素含量下降了,衰老相关的基因被上调,但是叶肉细胞的活力却没有明显的改变。透射电镜的结果表明,自我吞噬作为asgl突变体细胞内一种重要的降解机制很有可能参与到了叶绿体和叶绿体蛋白降解过程。
通过图位克隆的方法对突变的基因ASGl进行定位和克隆。遗传互补实验证实了所克隆的ASGI基因就是控制突变体细胞死亡和加速衰老的基因。ASGl编码一个功能未知的蛋白,含有一个保守的NBS结构域在N端和ARM结构域在C端。在asgl突变体中,ASGl基因是由于单碱基的突变导致了第994位的丝氨酸突变成笨丙氨酸。组织表达模式分析表明ASG1基因在水稻的幼根、幼叶、成熟叶、叶鞘、穗、小穗中均有有不同程度的表达,而在成熟的叶片中表达量最高。ASG1和绿色荧光蛋白GFP的融合蛋白在洋葱表皮细胞内瞬时表达的结果表明ASGl-GFP融合蛋白在细胞核与细胞核外均有分布。ASG1的表达量在黑暗诱导衰老的处理下会迅速上调,在后期表达量则恢复到处理前的水平;而细胞分裂素则会抑制ASG1的表达。
野生型ASG1的RNAi转基因植株的后代没有表现出asgl突变体的类病斑和加速衰老的表型,表明asgl突变体不是ASG1功能缺失的突变体。而asgl突变体ASG1的RNAi转基因植株能够使asgl突变体的类病斑和加速衰老的表型回复到野生型,这一结果表明asgl突变体是一个隐性的功能获得性的突变体。ASG1过表达的转基因植株T2代在抽穗后与野生型相比有微弱的加速衰老的表型。这些结果表明ASG1可能是水稻叶片衰老相关的正调控因子。
asgl突变体还表现为种子萌发加快,ASG1过表达的转基因植株表现为种子萌发率降低和萌发速率变慢。透射电镜的结果表明,asgl突变体和ASG1过表达的转基因植株的种子在萌发过程中,糊粉层细胞的蛋白贮藏型液泡对细胞内物质的降解均有明显的加剧。对于ASG1在种子萌发过程中起的作用还需要进一步的研究。