外源MeJA诱导烤烟叶片衰老的浓度依赖性效应及转录组学机制解析

《Plant Growth Regulation》：Exogenous MeJA-induced chlorosis and senescence in flue-cured tobacco: concentration-dependent effects and transcriptomic analysis

本研究系统探讨了不同浓度茉莉酸甲酯（MeJA）对打顶后烤烟叶片衰老的浓度依赖性调控机制。通过生理指标测定和转录组学分析，发现5 mM MeJA可通过激活抗氧化酶系统（SOD、CAT）、调控碳水化合物分配（降低可溶性糖、增加结构性多糖）以及协同乙烯信号通路（EIN3、JAZ7上调）诱导"自我保护型衰老"，而10 mM MeJA则产生毒害效应。该研究为作物衰老调控和品质提升提供了新策略。

　　

植物叶片衰老是一个高度协调的发育过程，既受内在遗传程序调控，又受环境因素影响。作为主要光合器官，叶片衰老过程中会发生光合效率下降、营养物质再分配和抗逆性改变等一系列关键变化。茉莉酸（JA）作为一种重要的内源植物激素，在植物抗逆和衰老调控中发挥核心作用。然而，关于茉莉酸甲酯（MeJA）在诱导烤烟叶片衰老过程中是否存在浓度依赖性效应，以及其分子机制如何，目前尚缺乏系统研究。

以往研究表明，在拟南芥中JA通过COI1-JAZ-MYC信号模块激活衰老相关基因（SAGs）表达，从而促进叶片衰老。但令人意外的是，Wang Chunkai等研究发现MeJA处理并未显著上调烟草中与全株衰老相关的SAGs基因，这表明烟草可能具有独特的衰老调控模式。这一发现引发了研究者对MeJA在烟草中诱导衰老机制深入探索的兴趣。

为了揭示MeJA诱导烤烟叶片衰老的浓度效应及其分子基础，河南农业大学烟草科学学院的研究团队在《Plant Growth Regulation》上发表了最新研究成果。研究人员以烤烟品种"红花大金元"为材料，在打顶20天后分别喷施不同浓度（0.1 mM、1 mM、5 mM、10 mM）的MeJA溶液，通过系统观察叶片表型变化、测定色素含量、抗氧化酶活性、碳水化合物分布，并结合转录组测序分析，深入解析了MeJA诱导叶片衰老的生理和分子机制。

研究采用的关键技术方法包括：盆栽实验条件下烤烟材料的培育与MeJA处理，叶片表型观察和色素含量测定（乙醇提取法），抗氧化酶活性（SOD、POD、CAT）和丙二醛（MDA）含量检测，碳水化合物组分（纤维素、半纤维素、木质素、可溶性糖等）分析，以及RNA提取、cDNA文库构建和高通量转录组测序，最后通过qRT-PCR对差异表达基因进行验证。

分析叶片表型特征和色素含量

研究发现外源MeJA处理可诱导打顶烤烟叶片均匀失绿，且失绿程度随MeJA浓度增加而加剧。然而在10 mM浓度下，MeJA表现出植物毒性效应，在叶面产生可见坏死斑。不同浓度MeJA处理均显著加速色素降解，其中叶绿素a和类胡萝卜素含量下降最为明显。与对照相比，0.1 mM、1 mM、5 mM和10 mM MeJA处理分别使叶绿素a含量降低18.34%、33.16%、45.91%和44.94%，类胡萝卜素含量降低20.97%、25.70%、45.35%和42.24%。

分析叶片抗氧化酶活性和丙二醛含量

不同浓度MeJA显著影响叶片抗氧化酶活性和MDA含量。与对照相比，各浓度外源MeJA均显著提高CAT和SOD活性，两种酶均呈现先升高后降低的趋势。1 mM和5 mM MeJA处理下，叶片CAT活性分别比对照提高111.66%和130.39%。然而在10 mM MeJA下，POD活性较对照显著降低26.52%。5 mM MeJA处理下SOD活性最高，较对照提高15.69%。此外，各浓度MeJA处理下叶片MDA含量均显著低于对照。

分析叶片碳水化合物含量

不同浓度MeJA处理下烤烟叶片碳水化合物含量分析显示，外源MeJA降低了叶片可溶性糖含量，而细胞壁中的结构性多糖如半纤维素和纤维素含量增加。1 mM和5 mM MeJA处理下，半纤维素和纤维素含量较对照分别增加9.07%和8.30%。较高浓度MeJA（10 mM）处理下，叶片木质素含量较对照增加9.04%。此外，1 mM、5 mM和10 mM MeJA处理下叶片葡萄糖、果糖和蔗糖含量均显著低于对照。

转录组数据特征和差异基因统计分析

转录组测序结果显示，六个样品与参考组的基因比对率均超过91%。比对到外显子的Reads百分比在85.52%至86.25%之间。样本相关性分析显示重复性好，无显著异常值。比较分析发现，打顶后烤烟经5 mM MeJA溶液处理导致11，827个差异表达基因，其中6，723个上调，5，104个下调。叶绿素降解途径中的核心酶编码基因——持绿蛋白（SGR）、脱镁叶绿酸酶（PPH）和脱镁叶绿酸a加氧酶（PAO）的表达量较对照显著增加。SGR通过破坏叶绿素-蛋白质复合体启动叶绿素降解，其表达上调log2倍变化为6.85；PPH负责将脱镁叶绿素转化为脱镁叶绿酸a，log2倍变化为2.85；PAO是后续分解步骤的关键酶，log2倍变化为1.18。

差异表达基因的功能分析

差异表达基因的富集分析显示，上调基因主要富集在碳水化合物代谢、纤维素代谢、茉莉酸代谢和激素运输等生物过程，而下调基因主要富集在叶绿体组织、光合电子传递链、NADP代谢和吡啶核苷酸代谢等相关条目。KEGG通路分析表明，上调基因显著富集在氨基糖和核苷酸糖代谢、自噬、α-亚麻酸代谢、类黄酮生物合成、亚油酸代谢、三羧酸（TCA）循环和糖酵解等通路，而下调基因显著富集在光合生物中的碳固定、磷酸戊糖途径、卟啉代谢和谷胱甘肽代谢等通路。

对植物激素信号转导、光合作用、碳代谢、类胡萝卜素生物合成和卟啉代谢中富集的基因进行相关性分析，结果显示与乙烯生物合成、茉莉酸代谢以及氨基糖和核苷酸糖代谢相关的基因在外源MeJA处理后表达水平显著升高。相反，与碳代谢、光合作用、类胡萝卜素合成和卟啉代谢相关基因的表达水平在对照组中较高。

KEGG通路相关性分析

KEGG网络图显示，氨基糖和核苷酸糖代谢、植物激素信号转导和卟啉代谢等通路与胁迫响应和衰老调控密切相关。氨基糖和核苷酸糖代谢通路与糖酵解、糖异生、果糖和甘露糖代谢以及淀粉和蔗糖代谢相关联。植物激素信号转导与苯丙氨酸、色氨酸、α-亚麻酸代谢、萜类生物合成和类胡萝卜素生物合成相关。此外，卟啉代谢与丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢，次生代谢物生物合成和矿物质吸收相关。

qRT-PCR验证差异表达基因

选择与植物色素代谢、碳水化合物代谢和植物激素信号通路相关的差异表达基因进行qPCR验证。PSY1、PDS和AGT1的表达水平降低，而ERS1、JAZ7、EIN3和PGL1的表达上调。这些结果与转录组趋势一致，进一步证实了MeJA处理对这些基因的调控作用。

研究结论表明，适宜浓度（5 mM）的MeJA通过激活叶绿素降解途径（SGR、PPH、PAO上调）、增强抗氧化酶系统（SOD、CAT活性升高）、调控碳分配（可溶性糖减少，结构性多糖增加）以及协同乙烯信号转导（EIN3、JAZ7上调）等多途径诱导烤烟叶片衰老。研究者创新性地提出"自我保护型衰老"概念，即MeJA在非胁迫条件下通过激活抗逆响应而诱导的可逆性衰老进程。该研究不仅揭示了MeJA浓度依赖性诱导叶片衰老的生理和分子机制，还为通过激素调控优化作物生长和品质提供了新思路。未来结合田间试验和多组学分析，将有助于进一步验证这些发现的实际应用价值。