南京农业大学研究生，南京农业大学研究生院
叶片衰老进程是植物叶片发育的最终阶段，叶片早衰缩短了植物的光合周期，限制了植株的生物产量。适当延缓叶片衰老速率是提高作物、牧草和能源植物的产量和品质的重要途径。
植物体内存在一系列正向促进衰老的’油门元件’和反向抑制衰老的’刹车元件’，不同调控元件间相互作用，协同控制叶片衰老的有序进程。例如，转录因子NAP（NAC-LIKE，NAC029）能够直接靶定并促进叶绿素降解基因及ABA合成基因的表达，以加速叶片衰老进程，可被视为衰老进程中的典型’油门元件’。而多个CCCH类锌指蛋白（如TZF1、OsDOS、PvC3H69等）在叶片衰老中起到负调节作用，可被视为衰老进程中的典型‘刹车元件’。由于这些CCCH类蛋白的具体靶蛋白或靶基因尚不清楚，其在叶片衰老调控中的具体机制仍有待发掘。这些‘刹车元件’是否及如何直接作用于‘油门元件’，进而精细调控衰老进程仍有待深入研究。
近日，南京农业大学草类逆境与分子生物学团队徐彬研究组在Plant physiology在线发表了题为PvSSG interacts with and inhibits DNA binding of PvNAPs to fine-tune leaf senescence in switchgrass (Panicum virgatum)的研究论文，揭示了柳枝稷CCCH类锌指蛋白PvSSG（‘Strong StayGreen’）与转录因子PvNAP1/2互作，抑制PvNAPs的DNA结合能力，进而协同调控叶绿素降解及叶片衰老的分子机理。
该文以重要能源植物和牧草’柳枝稷’为研究材料，筛选到能够显著抑制叶片衰老进程的CCCH 类锌指蛋白(PvSSG)。过表达和RNA干扰PvSSG导致柳枝稷叶片迟绿或早衰。PvSSG为核定位蛋白，但无转录活性。通过Y2H文库筛选，发现PvSSG与一对转录因子(PvNAP1&PvNAP2)互作，利用BiFC、Pull-down及Co-IP等体内和体外实验进一步验证了其蛋白间互作结果。通过EMSA、Y1H和体内转录激活等实验，发现PvNAP1/2可以直接识别三个叶绿素降解基因（PvSGR, PvPAO,PvNOL）的启动子并转录激活其表达。过表达PvNAP1/2导致叶片叶绿素降解加剧和植物早衰，而共表达PvSSG与PvNAP1/2则显著抑制了叶片早衰现象。进一步实验发现，PvSSG结合PvNAPs后，阻碍了PvNAPs对DNA靶序列的绑定，阻抑其转录激活叶绿素降解基因的表达。此外，本研究还发现过表达PvSSG显著地提高了柳枝稷生物产量（30-47%），并显著改善柳枝稷的牧草品质（可溶性糖含量增加100-140%，粗蛋白含量增加31-66%），表明PvSSG在柳枝稷等能源草与牧草遗传改良中具有重要应用潜力。
图1.PvSSG-PvNAP1&2模块调控叶绿素降解和叶片衰老中的作用模式图。
综上，本研究揭示了一个新型叶片衰老’刹车元件’PvSSG与一对衰老’油门元件’PvNAP1/2在叶绿素降解和叶片衰老过程中分子调控机制。PvSSG能够显著提高柳枝稷的生物产量和牧草品质，在草类植物遗传改良中具有应用价值。
南京农业大学草业学院徐彬教授为通讯作者，南京农业大学已毕业博士生谢哲倪为该论文的第一作者，余国辉博士后为共同第一作者。南京农业大学博士生雷珊珊，中国农业大学王慧副教授参与了本次研究。该研究得到了罗格斯大学Bingru Huang教授和弗吉尼亚理工大学Bingyu Zhao教授的指导。相关工作得到了国家自然科学基金项目资助。
https://doi.org/10.1093/plphys/kiac397
南京农业大学研究生(南京农业大学研究生院)