文献集锦 | 多组学联合分析揭示白杨衰老时间差异机制

佰艾基因

当前位置：

首页 >

2023-08-11 11:29

近期，瑞典乌梅奥大学植物生理学系Stefan Jansson团队在Nature Communications上发表了最新研究成果，通过转录组学和代谢组学与共表达网络分析相结合，以探究白杨秋叶衰老时间差异的机制。

文章题目

Salicylic acid metabolism and signalling coordinate senescence initiation in aspen in nature

第一作者：Jenna Lihavainen

通讯作者：Stefan Jansson

通讯单位：瑞典乌梅奥大学植物生理学系

杂志：Nature Communications

影响因子：16.6/Q1

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-39564-5

研究背景

温带地区的落叶乔木在秋季叶片脱落前通过衰老机制来回收养分，具有重要的生态意义，但这一机制仍有待探究。遗传方法、转录组学、代谢组学等研究工作已经确定了突变导致过早或延迟衰老的基因，衰老相关基因(SAGs)在衰老叶片中上调或下调，代谢信号如活性氧(ROS)参与了这一过程。然而，对于衰老的触发因素，跨物种的代谢物、基因种类或翻译后机制是更为值得探讨的。然而，对于这一过程，或哪种环境因素可以解释自然界中树木衰老在特定时间开始的原因，目前还没有达成共识。

在之前对欧洲白杨(Populus tremula L.)秋季衰老的研究中发现，在其自然环境中，给定的白杨基因型通常在每年的同一日期左右开始衰老(由叶绿素快速消耗决定)。然而，如果相同的基因型在温室里或在其他纬度环境中生长，衰老日期则会发生改变。此外，转录组或细胞分裂素水平发展缓慢所导致的变异很难与衰老的发生联系起来。这些结果表明，落叶乔木衰老无法单纯通过观察全局转录组模式或单一激素信号通路来解释；相反，它很可能受到复杂调节网络的影响，这一网络同时整合了外部环境线索和内部代谢信号。

技术方案

转录组学与代谢组学及共表达网络结合分析

研究意义

由于田间条件下的衰老发生与胁迫和SA信号通路有关，研究者们将继续研究所鉴定的转导通路是否也在无胁迫条件下协调白杨的衰老时间。多组学技术与生理性状筛选和全基因组关联研究(GWAS)相结合的方法有很大的潜力产生新的假设，对于破译衰老背后的复杂调控机制具有重要意义，多种分析思路相结合的研究方法也为探索其他物种衰老等相关生理机制提供了非常重要的参考价值。

▲SA代谢和信号通路对秋季衰老机制的调节作用

许多内部和外部因素都可诱导衰老，非生物应激、免疫反应、细胞死亡和衰老在其信号网络中具有许多共同的成分。这些过程还会受到温度、光照和湿度的影响，这些因素会在秋季同步发生变化。秋天任何具有挑战性的环境条件都可能加剧代谢限制/促衰老信号，从而打开“通往衰老的大门”，但即使这扇门被打开，这一机制都会有由水杨酸(SA)介导的持续防御机制的参与。

▲秋季杨树衰老表型

研究人员主要采用来自瑞典不同区域的两个品种来探究衰老发生日期的差异，一种是生长在普通野外的瑞典白杨(SwAsp)，另一种是生长在大学校园中的I201品种(UmAsp)。比较了二者的转录组数据，发现秋天杨树叶片中最保守响应是衰老相关NAC和WRKY TF家族介导叶绿体过程的抑制，以及诱导胁迫和防御反应。在杨树中，NAC100和WRKY75也被认为是诱导衰老叶片的重要调节性TFs，表明调节机制在树种间具有保守性。

研究结果还表明，秋季染色质重塑与SAG表达之间可能存在联系。事实上，在拟南芥中，组蛋白修饰和DNA甲基化等表观遗传机制与树木的休眠调节有关，并通过SAG表达调节植物免疫和SA途径以及叶片衰老。表观遗传机制是否在秋季衰老调控中发挥作用，例如通过影响树木对外部和内部信号的反应能力，仍然是一个值得深究的问题。

▲2018年秋季杨树3种SwAsp基因型的转录组分析及秋季上调/下调基因的meta分析

秋季衰老机制有关基因与气温、细胞分裂素(CK)和生长素(IAA)水平、叶绿素水平和代谢性衰老症状相关，因此它们可能会调节大分子降解的速度和提前衰老，以确保在霜冻杀死叶片细胞之前有效吸收养分，这与在白杨中观察到的低温加速叶片衰老的速度一致。较低温度可使早秋衰老进程变慢，深秋衰老进程较快，此时SAGs的表达以及正(JA)和负激素调节因子(CKs和IAA)的水平已经发生了变化；也就是说，衰老是一个主动过程，叶片在诱导后对环境因子作出反应。研究人员认为除了转录组变化和温度降低之外，CK和IAA水平是协调白杨衰老过程起始时间的主要因素。

▲网络分析揭示两个相互关联的转录调控级联，在秋季对环境线索和激素信号作出反应

许多观察结果将衰老与非生物应激反应联系起来，并且涉及到植物免疫调节和衰老网络的重叠。应激诱导激素和应激反应基因通常被认为促进衰老(或SAG)，它们的水平和表达在许多植物物种的应激诱导和发育衰老过程中升高。然而，不能用任何一种单一激素的积累来解释自然条件下杨树衰老的发生；相反，研究强调了基因型对环境信号的敏感性，及其在胁迫下激活和维持介导的防御机制和拮抗植物激素相互作用能力对于调节秋季衰老发生的时间至关重要。

▲杨树基因型在秋季表现出不同的SA水平动态

导致衰老启动的转录和代谢反应在不同的杨树基因型中非常相似。首先，环境变化诱导了编码细胞质翻译启动因子的基因；此外，用环己亚胺阻断80S核糖体(细胞质)可以延缓衰老，这表明它们合成的一些蛋白质可能是诱发植物衰老的核心。在研究中，这种早期转录反应伴随着AP2/ERF TFs的上调，AP2/ERF TFs通常对ABA或ET有反应，而RAV TFs则参与ET信号传导、衰老和光周期途径的调节。与此同时，PCD调节因子和SA介导的信号通路的表达发生了变化，这种变化先增强后被抑制，与衰老的发生相一致，而SA通路似乎受到SARD1和CBP60B的调控，这两种物质在拟南芥中促进SA的生物合成并调节下游免疫受体的信号传导以诱导SAR或HR。

研究表明，与SA一样，另一种诱导SAR的移动信号甘油-3-P也可能在调控落叶衰老的发生中发挥重要作用。促衰老因子相对于抗衰老因子表达转变的时间取决于使树木易衰老的基因型，SA介导信号通路的抑制似乎增强了这些信号，破坏了防御机制并启动了衰老过程。

▲内源SA水平影响杨树叶片的转录反应

在自然条件下衰老时间的调节涉及多层防御，研究人员根据不同的衰老时间将其归类为早、中、晚三种表型。早期衰老表型表现为初级代谢物和H₂O₂水平的强烈扰动，脂质过氧化增强和低代谢•OH清除能力，包括SA在内的酚类化合物丰度低，SA分解代谢物水平高，SA途径基因和酶促抗氧化系统很少或没有诱导，这些都是导致其早期衰老的原因。

虽然中期衰老基因型与早期衰老基因型同时诱导促衰老因子，但SA途径和抗氧化系统也被同时诱导并维持约10天，直到被抑制后开始衰老。

晚期衰老基因型在早秋或中秋的环境条件下不诱导衰老因子，相反，它们表现出增强的SA水平(ABA、JA和酚类化合物)、抗氧化系统和减轻氧化还原状态和内质网应激的基因表达。只有在晚秋诱导衰老因子和SA分解代谢增强后，SA水平和SA通路基因的表达才开始下降，并且衰老进程变得非常迅速。此时，SAG表达发生变化，出现衰老相关代谢症状，阳性(JA)和阴性激素调节因子(CKs、IAA)水平分别升高和降低，均促进衰老。

因此，研究结果支持了这样一种理解，即在自然条件下，SA水平和SA信号通路的增强可能通过拮抗衰老前诱导的促衰老因子、促进ROS代谢和防御内质网应激来抑制白杨秋季衰老过程的发生，而非如其他一年生植物那样加速衰老。

▲网络分析显示秋季SA分解产物水平与代谢反应之间存在联系

研究表明SA在衰老和PCD调节中起双重作用。研究者们发现SA通路与ROS代谢、糖基化和未折叠蛋白反应(UPR)呈正相关，这可以缓解内质网应激或诱导细胞死亡。SA既可以抑制ROS的产生，也可以放大ROS信号，如在衰老过程中观察到的信号。它可以通过调节蛋白质和代谢物的糖基化来减轻内质网应激，从而延缓衰老，而BiP蛋白可以根据SA介导的HR的激活作为阳性/阴性细胞死亡调节剂。目前尚不清楚SA信号如何激活UPR以响应内质网应激，但数据表明，WRKY70、EDS1和CRT3连接了白杨叶片中SA通路和内质网应激调节。

EDS1参与ROS和SA依赖性细胞死亡。钙网蛋白(CRTs)是参与蛋白折叠和糖蛋白质量控制的分子伴侣蛋白，其中许多是通过反式高尔基网络转运到质膜的受体蛋白。CRT3与影响防御反应和细胞死亡的受体样激酶(RLKs)的成熟有关。结果指出，通过受体蛋白和下游信号级联的信号感知和转导的差异可以解释基因型对环境线索和代谢信号(如ROS，钙和激素)的敏感性，并解释衰老表型。