《Molecular Horticulture》：From signals to solutions: stress-induced leaf senescence and synthetic biology and AI approaches for crop resilience
植物性状的质量与数量与叶片衰老的协调性起始密切相关。然而，外部环境因素与内部激素均可加速叶片衰老进程，导致包括叶绿素降解、花青素（anthocyanin）生物合成、养分循环及衰老相关基因（SAGs）激活在内的多种生理变化。全面理解胁迫诱导叶片衰老所涉及的信号通路，对于旨在增强抗逆性与生产力的植物育种至关重要。本综述系统概述了由非生物胁迫与生物胁迫触发的叶片衰老相关信号机制，包括脱落酸（ABA）、黑暗、氮缺乏、碳缺乏及病原菌侵染。此外，研究人员探讨了通过创新性合成生物学策略提升胁迫耐受性、产量与品质的方法。进一步地，研究人员探讨了机器学习（ML）与深度学习（DL）在衰老及胁迫相关植物育种中的应用前景。
**引言**
叶片作为关键的光合器官，负责捕获能量并合成养分。叶片衰老被定义为叶片发育的最终阶段，是一种影响植物细胞、组织、器官乃至完整植株的年龄依赖性降解过程。叶片衰老的显著视觉标志是叶片黄化，这与绿色色素叶绿素的降解密切相关。在多数植物物种中，叶片黄化以协调方式发生，通常始于叶尖与叶缘，随后向叶基与叶柄推进。叶片衰老是影响叶片及整株植物的重要生物学与发育过程，对于优化生产及确保植物后代存活至关重要。例如，大豆、水稻和玉米等植物经历衰老，最终导致包括叶片和根系在内的整株死亡。在衰老过程中，叶片将养分重新分配至发育中的组织或贮藏器官，同时经历细胞内细胞器降解与大分子分解。因此，叶片衰老在植物养分循环中发挥关键作用。在一年生植物中，降解的生物大分子和拆解的养分被分配至发育器官，如种子或其他关键部位，从而促进植物后代的延续。在多年生植物如温带落叶树中，每年秋季发生的叶片脱落现象反映了衰老的特征，养分被重新分配至茎或根，为下一生长季节营养器官如叶片的发育做准备。
衰老受内部因素与外部环境因素共同影响。多种外部因素，包括生物胁迫因子，显著影响叶片衰老过程。非生物胁迫因子如温度波动、水分亏缺、盐胁迫、重金属暴露、营养缺乏、季节变化及强光，以及生物胁迫因子如病原菌、昆虫和病毒，常导致叶片黄化等可见的衰老症状。多样化内外信号的互作调控植物叶片信号网络中多个衰老相关基因（SAGs）的表达。脱落酸（ABA）和水杨酸（SA）信号激活、乙烯（ETH）与茉莉酸（JA）的协同与特异性调控，以及细胞分裂素（CTK）的降解，共同 orchestrate 植物衰老程序，为后续的养分再利用与植物生长调控奠定分子与生理基础。
**非生物胁迫诱导的叶片衰老**
胁迫信号通路与叶片衰老的调控过程密切相关，因为众多通路调节SAGs的表达。作为调控植物叶片衰老的主要激素，ABA在非生物胁迫与叶片衰老中发挥关键作用。在高等植物中，ABA在介导胁迫响应和调控包括种子成熟与休眠、器官脱落及叶片衰老在内的多种发育过程中起核心作用。值得注意的是，ABA水平受其生物合成与分解代谢动态平衡的严格调控，而ABA浓度的显著升高是衰老叶片的特征性标志，表明其积极参与衰老进程。
在叶片衰老过程中，ABA通过复杂的信号网络与互作通路发挥其调控效应，动态调节衰老状态。大量研究阐明了ABA生物合成途径与下游信号机制，尤其关注衰老期间调控ABA水平的上游转录网络及其对衰老过程的影响。从机制上看，ABA主要通过诱导SAGs的表达促进叶片衰老与脱落，如NYC1（NON-YELLOW COLORING 1）、SGR1/NYE1（STAY-GREEN 1，又称NONYELLOWING 1）、PPH（PHEOPHYTINASE）、NACs、WRKY75等，这些基因共同驱动衰老相关的生理变化。
此外，ABA信号与NAC转录因子家族的调控紧密关联，该家族是关键的衰老调控因子。ABA处理后，包括SNAC-As、VNI2（VND-interacting 2）、ORE1（ORESARA 1）和OsNAP（NAC-like, activated by AP3/PI）在内的多个NAC成员表达显著上调，尽管其潜在分子机制尚待完全阐明。具体而言，AtNAP作为已充分表征的NAC转录因子，可直接结合ABA生物合成关键酶AAO3（ALDEHYDE OXIDASE 3）的启动子，从而增强叶绿素降解基因的转录，形成放大ABA介导衰老信号的调控环路。
在植物衰老过程中，激素调控并非ABA的"单兵作战"，而是多种内源激素协调响应、共同参与的一个复杂网络。除ABA通过其合成与信号通路调控衰老外，SA、JA和乙烯等激素在衰老过程中也会迅速调整其代谢与信号转导。此外，肽类激素也参与胁迫诱导的叶片衰老。小分子分泌肽CLE14（CLAVATA3/ESR-RELATED 14）是叶片衰老的新型抑制因子，其表达受衰老、ABA和胁迫信号诱导，以延缓自然衰老与胁迫诱导衰老。CLE14的功能通过激活转录因子JUB1（JUNGBRUNNEN1）介导，后者增强活性氧（ROS）清除基因的表达并降低氧化应激，从而建立精细调节叶片衰老时序的肽类调控通路。
就JA而言，其对衰老的调控不仅体现在基础衰老过程中，还体现在逆境条件下的衰老协调：在叶片自然衰老过程中，JA相关生物合成途径的酶催化基因差异激活。例如，转录因子BpTCP19（TEOSINTE BRANCHED1/CYCLOIDEA/PROLIFERATING CELL FACTOR 19）作为叶片衰老的核心负调控因子，可介导组蛋白去乙酰化，减少JA信号通路中抑制因子JAZ4和JAZ8与WRKY57的结合，从而抑制衰老进程。在低温暴露的逆境条件下，JA的调控转向"胁迫-衰老"协同响应。此时，水稻中OsLOX2（LIPOXYGENASE 2）、OsAOC（ALLENE OXIDE CYCLASE）、OsAOS1（ALLENE OXIDE SYNTHASE 1）和OsAOS2（ALLENE OXIDE SYNTHASE 2）等与JA生物合成相关的基因显著上调，促进叶片中胁迫适应与衰老协调机制的启动，以应对恶劣环境。在乙烯调控通路中，其对叶片衰老的促进作用依赖于关键转录因子EIN3（ETHYLENE-INSENSITIVE3）。作为具有功能活性的衰老相关基因，EIN3可通过直接结合叶绿素降解基因（CCGs）的启动子区域，参与并调控自然衰老叶片中的叶绿素降解过程，从而促进衰老进程。
**水分条件对叶片衰老的影响**
在干旱或水涝等逆境条件下，植物将过早叶片衰老作为一种适应性策略，将衰老叶片中的养分重新分配至关键器官，以维持整株生长与存活。这一现象在水分亏缺条件下尤为显著，其中ABA作为中心调控因子，协调胁迫适应与衰老进程。在缺水环境中，ABA生物合成升高触发快速气孔关闭，这是减少蒸腾水分损失、增强耐旱性的关键生理响应。同时，积累的ABA作为关键信号分子启动叶片衰老，将胁迫感知与衰老程序激活联系起来。这些过程的协调依赖于一批干旱响应基因，其中参与ABA生物合成和胁迫保护途径的基因对植物适应水分匮乏不可或缺。
在机制上，SnRK2（SNF1-related kinase 2）家族在传递ABA信号中发挥关键作用，这些激酶磷酸化下游底物，包括ABA响应元件结合因子（ABFs）和其他转录因子，以调控参与胁迫适应与衰老的ABA响应基因的表达。ABA受体PYL（Pyrabactin Resistance 1-Like）蛋白对SnRK2活性的调控在渗透胁迫下进一步被调节，有证据表明PYL介导的调控可独立于核心ABA信号模块发挥作用。值得注意的是，特定PYL成员直接参与衰老调控：在干旱诱导型RD29A启动子（pRD29A::PYL9）驱动下表达PYL9的转基因拟南芥表现出增强的耐旱性和加速的干旱诱导叶片衰老，凸显PYL9作为ABA信号、胁迫耐受性与衰老启动之间分子联系的作用。此外，ABA通过独立于乙烯信号通路的方式促进叶片衰老：激活的SnRK2不仅磷酸化ABF，还磷酸化RAV1（Related to ABA-Insensitive 3/VP1）转录因子，从而独立于乙烯介导的通路驱动SAGs的表达。在拟南芥中，AtNAP转录因子直接激活AtCKX3（CYTOKININ OXIDASE/DEHYDROGENASE 3）以降解细胞分裂素，导致水分流失和衰老，从而整合ABA和CTK通路调控叶片衰老。
过去一个世纪以来，全球农田水涝事件频率显著增加，该胁迫已造成 substantial 作物产量损失。土壤水涝对作物的生理损伤遵循明确的级联效应。首先，水涝急剧降低植物根系与土壤之间的氧气交换速率，损害根系碳固定，并进一步诱导叶片气孔关闭以限制内部CO
2水平和碳固定，同时降低根系水力导度。这些根系损伤随后影响地上部叶片功能，导致光合速率显著降低并最终造成籽粒产量损失。在长时间水淹下，植物还经历关键代谢转变：根系呼吸从有氧呼吸转变为无氧发酵，根系中产生的乙醇被运输至叶片。在此阶段，叶片代偿根系的氧化代谢以维持植物的整体碳代谢。
值得注意的是，水涝对作物的损害不仅限于生理表型，其调控机制可追溯到分子水平，其中microRNAs（miRNAs）作为植物响应该非生物胁迫的核心调控因子。具体而言，水涝诱导的缺氧调控特定miRNAs的表达，后者在介导胁迫-衰老级联中发挥关键作用。例如，在玉米中，大多数缺氧诱导miRNAs的靶基因含有与厌氧响应或激素诱导相关的关键顺式作用元件，这些miRNAs最终通过调控这些特定靶基因的表达来介导玉米对水涝的适应性响应。在拟南芥中，miR775的功能表征进一步揭示了其调控作用。miR775干扰（过表达或抑制）导致SAGs（SAG12、SAG29、ORE1）、乙烯信号基因（EIN2、EIN3）和ABA生物合成基因NCED3（NINE-CIS-EPOXYCAROTENOID DIOXYGENASE 3）的表达发生显著变化。特别是miR775-GALT9（GALACTOSYLTRANSFERASE 9）模块参与水涝后植物恢复，其调控功能依赖于乙烯信号和ABA生物合成途径的整合，直接将miRNA介导的分子调控与胁迫适应和衰老的生理过程联系起来。
**黑暗诱导的叶片衰老**
黑暗与植物色素介导的光感知是叶片衰老的关键调控因子，其效应通过分子网络和激素信号级联的协调网络来介导。在分子水平上，黑暗强烈上调SAGs的表达，多个调控层次上的关键调控因子已被鉴定。例如，RD26（RESPONSIVE TO DESICCATION 26）作为ATAF亚家族转录因子，是拟南芥中黑暗诱导叶绿素降解的正调控因子，通过调控细胞降解层级中的基因表达来协调衰老期间的代谢重编程。植物色素互作因子（PIFs）形成黑暗诱导衰老的另一个核心转录模块：它们与能量匮乏信号通路建立潜在联系，该过程最初的光可逆诱导与PIF依赖的前馈调控环路紧密相关。表观遗传调控在转录因子之外进一步发挥作用。在黑暗条件下，拟南芥中N
6-甲基腺苷（m
6A）合成增加，逐渐破坏衰老相关转录本的稳定性，抑制过早叶片衰老。值得注意的是，COG（conserved oligomeric Golgi）复合体也支持黑暗胁迫抗性，其突变加速黑暗条件下的碳匮乏和衰老。
前人研究强调了转录因子和表观遗传调控在叶片衰老中的关键作用，因为这些调控层次精确调控SAGs的表达并协调衰老的启动时间。作为细胞内调控机制的补充，植物激素，尤其是油菜素内酯（BR）、JA和乙烯，作为关键系统性信号，将黑暗处理信号整合入衰老程序，形成黑暗诱导叶片衰老的多层次调控网络。
植物激素BR、JA和乙烯在黑暗诱导叶片衰老的调控中发挥重要作用。BR在调控黑暗诱导叶片衰老中发挥重要作用，在BR介导的转录调控网络中，BES1（BR-INSENSITIVE-EMS-SUPPRESSOR1）和BZR1（BRASSINAZOLE-RESISTANT1）作为核心转录因子，主要通过磷酸化严格受BR信号级联调控，通过调控植物生长发育等分化生理过程来介导各通路间的串扰与调控联系。具体而言，在黑暗条件下，BR合成被触发，进而激活BZR1，该激活促进BZR1以黑暗依赖性方式结合AIF2（ATBS1-INTERACTING FACTOR 2）的启动子，导致AIF2转录降低，从而加速黑暗诱导的叶片衰老。值得注意的是，AIF2是非DNA结合碱性螺旋-环-螺旋（bHLH）转录因子，在拟南芥中延迟黑暗诱导和BR诱导的叶片衰老。此外，在苹果中，ABA通过转录因子MdbHLH93促进叶片衰老，后者直接激活衰老基因MdSAG18，而另一ABA响应蛋白MdBT2（BTB and TAZ domain protein 2）则通过诱导MdbHLH93的泛素化和降解来抵消衰老。
除BR通过BZR1-AIF2等模块调控黑暗诱导叶片衰老外，JA和乙烯作为协调该过程的核心激素，JA通过不同的物种特异性转录调控模块发挥其功能。在番茄中，JA上调SlMYC2（MYC transcription factor 2），而SlMYC2的下游靶标SlWRKY37（WRKY DNA-BINDING PROTEIN 37）随后增强包括SlWRKY53（WRKY DNA-BINDING PROTEIN 53）和SlSGR1在内的SAGs表达，从而促进黑暗诱导衰老。在白桦中，转录因子BpTCP19在黑暗条件和甲基茉莉酸（MeJA）处理下均下调，BpTCP19过表达通过降低叶片对JA和黑暗的敏感性来延迟衰老。在拟南芥中，JA信号抑制因子JAZ7（Jasmonate ZIM?domain protein 7）在黑暗中积累；JAZ7突变部分解除其对MYC2、MYC3（MYC transcription factor 3）和MYC4的抑制作用，使这些转录因子能够结合下游基因启动子并上调JA相关和促衰老靶标。
除JA外，乙烯通过一套作用各异的关键信号组分调控黑暗诱导叶片衰老。EIN2（ETHYLENE-INSENSITIVE2）和EIN3等主要作为叶片衰老的正调控因子：它们介导乙烯依赖性信号通路和胁迫响应以诱导SAGs表达，促进叶片细胞氧化反应，加速叶绿素降解，并激活下游衰老调控因子（如NYEs、OREs），共同驱动黑暗诱导衰老。相反，SUB1A（SUBMERGENCE 1A）等因子作为衰老的负调控因子。SUB1A调节植物对JA和SA的响应，抑制叶绿素和碳水化合物的降解，减少衰老相关mRNA的积累，并增强从黑暗胁迫恢复和对多种逆境的耐受性。值得注意的是，JA和乙烯常协同作用调控衰老，这一过程内在驱动叶片细胞大分子（如蛋白质、核酸）的降解，在黑暗条件下进一步加剧。即使维持光照下的衰老叶片也因叶绿素水平降低而遭遇后续氧化应激，凸显这些激素如何整合黑暗等环境线索和细胞生理变化来精细调节衰老过程。
**氮和碳饥饿诱导的叶片衰老**
氮和碳营养是叶片衰老启动的重要决定因素。氮作为最普遍的大量营养元素之一，是植物生长发育的限制性因素。氮缺乏可加速植物叶片衰老，众多调控因子参与氮缺乏影响的衰老过程。
氮缺乏是触发叶片衰老的主要非生物胁迫，其调控网络以关键转录因子和翻译后修饰因子为中心，并与激素信号通路广泛串扰。NAC转录因子ORE1是营养相关叶片衰老的核心枢纽。MED19a（MEDIATOR SUBUNIT 19a）结合ORE1的启动子激活氮缺乏诱导的衰老，该激活受氮饥饿下MED19相分离调控。值得注意的是，根特异性ELF18诱导的长链非编码RNA1（ELENA1）解离MED19a-ORE1复合体，将根系的氮缺乏信号传播至地上部，缓解叶片衰老。ORE1的稳定性还受翻译后调控：E3泛素连接酶NLA（NITROGEN LIMITATION ADAPTATION）利用E2结合酶PHO2/UBC24（UBIQUITIN-CONJUGATING ENZYME 24）在核内对ORE1进行多聚泛素化，发挥于ORE1上游的作用。
激素与氮和碳饥饿诱导的叶片衰老过程紧密整合。苹果NAC转录因子MdNAC4（NAC domain-containing protein 4）响应促衰老激素ABA，直接结合MdSAG39的启动子增强其表达，放大氮缺乏诱导的衰老。WRKY1（WRKY DNA-BINDING PROTEIN 1）作为另一衰老调控因子，在氮缺乏下上调，诱导SA生物合成基因的表达，将SA信号与氮响应联系起来，并激活氮同化/运输基因，促进氮再利用的同时促进衰老。这种串扰与更广泛的衰老调控一致，SA和ABA常协同加速胁迫诱导的衰老，同时拮抗BR介导的衰老延迟。
对于硝酸盐饥饿这一特殊氮胁迫形式，拟南芥采用与激素信号互作的根-冠协调途径。在芽中，硝酸盐饥饿导致衰老，但硝酸盐转运蛋白1.5（NRT1.5）通过根系功能感知硝酸盐缺乏，调控钾离子（K
+）的吸收/运输以维持叶片K
+水平，从而缓解该衰老。值得注意的是，NRT1.5功能与乙烯信号重叠，因为硝酸盐饥饿下乙烯上调可增强NRT1.5介导的K
+保留，平衡衰老与胁迫耐受性。miRNA成熟因子HASTY（HST）作为负调控因子。硝酸盐饥饿破坏HST与DCL1和RAN1的相互作用，改变miRNA动态，该过程与JA信号相关，因为JA诱导的miRNAs（如miR319）靶向衰老相关转录因子，HST功能障碍可能干扰JA-miRNA串扰以加速衰老。
其他调控因子进一步整合硝酸盐饥饿和激素响应。BBX14（BBX-type transcription factor）在硝酸盐饥饿和黑暗下延迟衰老，而通过人工miRNA抑制BBX14则加速衰老，BBX14已被证明与ABA响应因子（如ABF3）互作以精细调节胁迫-衰老权衡。此外，C3H型锌指蛋白GDS1（Growth, Development and Splicing 1）在硝酸盐饥饿下被后期促进复合物/细胞周期体（APC/C）泛素化，GDS1降解解除对促衰老因子PIF4/PIF5（PIGMENT INTERACTION FACTOR 4/5）的抑制，触发过早衰老，而PIF4/PIF5还介导乙烯-JA串扰，进一步将硝酸盐饥饿信号与激素调控的衰老级联联系起来。
糖分配、信号和 utilization 影响源库调控的衰老。糖饥饿和过量积累均刺激叶片衰老。糖作为生物过程的必需能源，也是启动和调节叶片衰老的关键细胞信号代谢物。在一年生植物中，这种调控功能尤为关键，因为糖信号不仅优化生长发育，还加速生命周期以确保生殖适应性。糖作为植物的必需营养，其缺乏触发过早损害植物生长的不良调控机制，包括早期叶片衰老。在水稻中，糖转运蛋白OsSWEET1b（Bidirectional sugar transporter SWEET1b）通过促进糖在植物体内的转运发挥叶片衰老的正调控因子作用，该过程直接促进衰老进程。OsSWEET1b功能丧失导致糖饥饿、光合降低和叶片衰老。与之对抗的是OsWRKY53，该WRKY家族转录因子在叶片衰老期间特异性激活。OsWRKY53对OsSWEET1b发挥双重抑制作用：它抑制OsSWEET1b基因表达并损害其细胞内糖转运活性。这种双重抑制减少水稻叶细胞胞质中葡萄糖积累，由此扰乱的糖稳态进一步放大衰老信号，最终驱动叶片衰老。糖过量积累也刺激叶片衰老。在小麦中，长期高光刺激糖过量积累并促进叶片衰老。在高光暴露下，果糖、蔗糖和淀粉含量急剧增加，而叶绿素结合蛋白大幅减少。值得注意的是，HXK1（hexokinase 1）作为己糖代谢的首个酶和糖信号的关键传感器，参与糖过量积累诱导的叶片衰老。HXK1过表达导致高葡萄糖条件和ROS积累，这一过程不仅降低光合效率，还触发过早程序性细胞死亡（PCD），从而直接促进衰老启动。类似地，番茄中AtHXK1过表达影响糖信号，导致光合作用降低和快速叶片衰老。此外，地膜覆盖作为广泛应用的农艺措施，可上调GhSUS（sucrose synthase）和GhINV（invertase）的表达，造成蔗糖积累增加35.4%、葡萄糖34.2%、果糖44.3%和H
2O
2 12.4%。这种协同增加共同促进ROS产生，从而加速过早叶片衰老。
**盐和碱影响叶片衰老**
土壤盐渍化和碱化损害植物生长并降低作物产量，其中盐胁迫作为破坏植物发育和触发早期叶片衰老的主要环境限制因素。为应对盐胁迫，植物部署包括调节离子稳态、激活渗透胁迫响应通路、调控植物激素信号以及调整细胞骨架动态和细胞壁组成在内的适应性策略。值得注意的是，盐碱胁迫同时诱导多种胁迫响应基因的表达，其中SAGs发挥关键作用。盐响应基因ORE1/ANAC092是衰老的主调控因子。在ore1突变体中，盐条件下叶绿素降解延迟，从而推迟盐诱导的叶片衰老。另一关键SAG，编码拟南芥质膜蛋白的SAG29，在高盐胁迫下上调。在衰老和胁迫响应期间，SAG29通过维持膜完整性调节细胞活力，这一功能对介导盐诱导衰老至关重要。
盐胁迫诱导的叶片衰老还与JA信号和PCD紧密相关。在水稻（Oryza sativa）中，JA缺乏的aoc突变体在根部积累更高的Na
+，但叶片中Na
+较低，该表型与根部HAK4介导的Na
+运输受抑相关。此外，aoc突变体叶片表现出增强的ROS清除能力、衰老标志物积累减少和叶绿素降解延迟，共同凸显JA信号在水稻盐诱导叶片衰老中的独特作用。在红砂（Reaumuria trigyna）中，盐胁迫加速内源JA生物合成并上调RtNAC100（NAC domain-containing protein 100）的表达。RtNAC100过表达激活ROS产生基因RtRbohE（Respiratory Burst Oxidase Homologue E）和衰老标志物基因RtSAG12/20的转录，通过促进ROS和Na
+积累加剧盐诱导的PCD。该级联进一步激活ROS和钙离子（Ca
2+）介导的核心信号通路，上调PCD相关基因，最终驱动盐诱导的叶片衰老。
**高温影响叶片黄化和衰老**
高温与盐胁迫、氮缺乏类似，代表诱导过早叶片衰老的关键环境胁迫因子，严重损害植物生长和作物产量。热诱导衰老的机制始于长期暴露于高温破坏细胞代谢。这种失衡导致ROS过度积累，同时降低抗氧化酶活性。由此产生的ROS超载对叶绿体、线粒体等细胞器造成氧化损伤，并进一步激活PCD，这一级联直接触发叶片衰老和细胞死亡。
叶绿体在该过程中发挥双重作用。它们作为代谢中间体的关键枢纽和高温信号的初级感受器。定位于叶绿体内的叶绿素对光吸收和能量转换至关重要，维持高叶绿素含量通常可缓解光抑制并支持植物生长。然而，当温度超过植物耐受阈值时，热胁迫驱动显著的叶绿素降解，这是叶片衰老最显著的表型标志之一。这种热诱导的叶绿素损失伴随光合作用相关基因的下调，降低光合系统酶活性，损害光合效率，最终导致生长迟缓和产量降低。因此，高温下保持叶绿素的能力直接与植物耐热性增强相关。
一系列调控因子精细调节热诱导叶片衰老，并与激素信号通路存在串扰，这与盐或氮缺乏中的激素介导胁迫响应一致。在拟南芥中，NORE1/SAUL1（Senescence-Associated E3 Ubiquitin Ligase 1）作为热诱导衰老信号通路的负调控因子，它还调节光强响应和PHYTOALEXIN DEFICIENT 4（PAD4）通路，其衰老和细胞死亡调控效应依赖于SGT1b（Suppressor of the G2 Allele of SKP1b）等下游组分，后者是R蛋白介导的抗病性的正调控因子。Deg2（Degradation of periplasmic proteins 2）是定位于类囊体膜基质周边的丝氨酸蛋白酶，对叶片发育至关重要并参与热诱导衰老：它抑制叶面积扩展，改变老龄叶片的叶绿体超微结构，减弱光捕获蛋白Lhcb6在热胁迫下的响应，而Deg2的抑制延迟衰老启动。此外，PWL1（一种G型凝集素类受体激酶）通过维持ROS稳态和调控PCD正调控叶片衰老和耐热性。PWL1突变损害下游信号激活，导致ROS积累、叶绿体发育异常和过早衰老。值得注意的是，这些调控级联常与激素信号相交，例如，JA可能通过增强ROS积累加剧热诱导的叶绿素降解，而ABA可通过NORE1/SAUL1相关通路精细调节衰老，反映了JA/ABA在其他胁迫诱导衰老过程中的作用。
**生物胁迫因子诱导的叶片黄化和衰老**
病原菌影响叶片黄化和衰老
病原菌侵染触发植物免疫响应，与叶片衰老形成动态互作：激活的免疫可延迟衰老以保存宿主适应性，或在过度激活时加速衰老，因为不受控制的防御响应消耗资源并破坏细胞稳态。免疫的负调控因子因此对植物适应性和生产力至关重要，因为它们抑制不适当的防御激活，防止过早叶片衰老。转录组分析进一步凸显了这些过程间的分子重叠，揭示了衰老和病原菌入侵期间共享的基因表达动态，这使得能够鉴定大量连接免疫响应和衰老调控的基因和信号分子，如乙烯。
在介导病原菌-衰老串扰的激素中，SA作为中心角色脱颖而出：它不仅对植物防御病原菌不可或缺，还与病原菌诱导的叶片衰老紧密相关。SA是充分表征的衰老诱导因子——衰老叶片始终比非衰老对应物表现出更高的SA水平。植物在病原菌感染期间的SA生物合成主要依赖叶绿体定位的异分支酸（ICS）途径，涉及两个异分支酸合酶基因ICS1和ICS2，而苯丙氨酸解氨酶（PAL）途径在特定病原胁迫下对SA产生也有显著贡献。
SA介导的病原菌诱导衰老调控涉及精确的转录和表观遗传控制。在拟南芥中，先前与氮缺乏诱导衰老相关的转录因子WRKY75驱动整合SA、ROS和衰老的三重扩增环路。WRKY75通过上调SA INDUCTION-DEFICIENT2（SID2，编码ICS1）的表达促进SA生物合成，并通过抑制CATALASE2（CAT2）的表达增强ROS积累，形成加速衰老的正反馈环路。SA水平必须严格平衡：SA不足损害对病原菌和非生物胁迫的防御，而过多SA降低植物适应性——诱导矮化或过早衰老。DMR6/S5H（Downy Mildew Resistant 6）和DLO1/S3H（DMR6-LIKE OXYGENASEs 1）基因是平衡SA介导叶片衰老和植物免疫防御的关键调控因子，作为在促进衰老和抑制免疫响应方面具有双重作用的关键SA响应因子。这两个基因均编码2-氧戊二酸铁II依赖性加氧酶，但在整个植物发育过程中表现出不同的表达模式和催化活性：DMR6/S5H从幼苗期到衰老期均活跃，在拟南芥中特异性羟化SA的C5位以催化2,5-二羟基苯甲酸（2,5-DHBA）的形成，从而调节SA依赖性信号通路。相反，DLO1/S3H表现出更特异性的表达谱，主要在成熟和衰老叶片中诱导，将SA通过C3羟化转化为2,3-二羟基苯甲酸（2,3-DHBA）。该过程促进SA分解代谢，最终减弱衰老期间的叶片黄化。这两个酶通过差异化代谢修饰精细调节SA稳态，在维持叶片衰老进程与植物免疫系统调节的动态平衡中发挥不可或缺的作用。
除SA外，丝裂原活化蛋白激酶磷酸酶（MKPs）和钙依赖性蛋白激酶（CPKs/CDPKs）整合病原菌诱导的免疫信号与叶片衰老，补充激素介导的调控。MKPs（如MKP1、MKP2）作为单体双特异性磷酸酶，调节MAP激酶MPK3和MPK6的激活，后者是病原菌胁迫信号的关键转导因子，从而精细调节免疫响应以避免衰老过度激活。CPKs进一步将钙信号（快速免疫响应）与衰老联系起来：在拟南芥中，CPK1（Calcium-dependent Protein Kinase 1）磷酸化ORE1——此前在氮缺乏和盐胁迫响应中鉴定的主衰老调控因子——的固有无序区域。该磷酸化增强ORE1对BIFUNCTIONAL NUCLEASE1（BFN1，衰老相关核酸酶）的转录激活，直接将病原菌诱导的钙信号与衰老执行联系起来。
**虫害影响叶片衰老**
昆虫取食是通过营养掠夺和应激信号激活诱导植物叶片衰老的主要生物胁迫——植物激素（特别是JA、乙烯和SA）作为核心调控枢纽。这一过程在物种间保守，但表现出物种特异性分子机制。
在拟南芥中，P-Type II ATP酶ACA10（Autoinhibited Ca
2+ ATPase 10）和ACA12（Autoinhibited Ca
2+ ATPase 12）介导对取食诱导衰老的抗性。aca10 aca12双突变体在埃及贪夜蛾或蚜虫取食后表现出加速的衰老（叶柄褪绿扩展至叶片），伴随叶绿素降低、果糖增加和氨基酸升高——证实取食驱动的衰老。在蒺藜苜蓿中，乙烯对蚜虫诱导的衰老至关重要。野生型A17植株在Aphis kondoi、Therioaphis trifolii或A. pisum侵染后发生衰老，而乙烯不敏感的sickle突变体避免衰老（即使蚜虫密度高）并保留更多生物量，凸显乙烯的非冗余作用。对于榄仁树，甲虫取食改变叶片化学以促进衰老。衰老的受损叶片显示44%的叶片损失，木质素（39%）和氮（22%）减少，营养化学计量改变——将取食与衰老相关养分再利用联系起来。
高密度木虱侵染诱导褪绿（叶绿素、类胡萝卜素、花青素降低），模拟自然衰老，但独特地延迟坏死以防止植物脱水。在罗勒中，蚜虫或蓟马取食激活衰老特异性的脱镁叶绿酸a氧化酶/叶胆素（PAO/PB）通路：侵染区域积累新型叶胆素（Ob-NCC-40、Ob-YCC-45），其水平高于健康组织，直接将取食与衰老相关叶绿素分解代谢联系起来。
JA作为关键抗虫激素，精细调节取食-衰老串扰。二化螟唾液蛋白Rp2155（取食期间上调）通过破坏SA-JA信号平衡加剧大豆回枯——Rp2155敲除缓解衰老。在苹果中，MdWRKY75-MdVQ10（VQ motif-containing protein 10）模块驱动损伤诱导衰老。这与JA在胁迫诱导衰老（如盐、高温）中的保守功能一致，后者平衡防御与生长以维持植物适应性。
**通过合成生物学育种理解叶片衰老**
通过采用基因 toggle 开关和repressilators，合成生物学使活体系统展现复杂的、受电子学启发启发的行为。PSAG12-IPT系统是植物中最早期的合成生物学设计范例，整合衰老特异性启动子PSAG12与异戊烯基转移酶（IPT）基因，创建抑制衰老的自调控机制，通过自反馈诱导细胞分裂素合成，特异性延迟叶片衰老而不影响植物其他部分的发育。通过在多种物种中运用PSAG12-IPT或类似系统策略性控制叶片衰老，发育衰老期被显著延长，部分植物表现出胁迫耐受表型。
叶片衰老是植物发育的关键方面，对植物产量、生物量积累和营养品质产生 considerable 影响。植物叶片的衰老过程需要多个SAGs的协调调控，其中SAG12是叶片衰老表征中最广泛利用的参考基因。随着叶片生命周期的终结，SAG12转录水平的升高已被观察到。对木薯生理和农艺性状的研究揭示，IPT基因的诱导表达影响植物内的光合作用、糖分配和氮分布。大量研究一致证实了PSAG12-IPT（pSAG12-IPT）系统在农业、园艺和林木植物物种中的存在和功能，包括拟南芥、匍匐剪股颖、番茄、结缕草、木薯、盆栽玫瑰、牵牛花、生菜、水稻、西兰花、烟草和苜蓿。此外，pHsfA2-psbA、pAtMYB32xs-IPT、pCOR15A-IPT、pPtRD26-IPT、Phsp18.2-IPT和pSARK-IPT等其他诱导表达基因同样可以影响叶片衰老过程并增强植物对多种胁迫的耐受性。例如，表达pCOR15A-IPT的转基因矮牵牛在低温处理后保持正常表型，无叶片萎蔫迹象。pSARK-IPT设计增强通过细胞分裂素诱导的耐旱性，在干旱条件下表现出光合作用敏感性降低，且在转基因和野生型表型比较中，对叶片持绿性表现出更明显效果。通过IPT表达实现细胞分裂素的过量合成已被确定为延缓转基因植物衰老过程的主要策略。由衰老特异性基因（如SAG12）的启动子直接调控IPT（PSAG12-IPT）以建立自调控细胞分裂素生产系统，对实际应用特别有利，正稳步向商业化推进。此外，涉及特定年龄相关转录因子（包括NAP和翻译起始因子eIF-5A）的衰老调控方法也显示出广阔前景和相当的商业化潜力。
尽管以pSAG12-IPT为代表的IPT介导系统已在多种物种中实现延缓衰老和增强抗逆性，其应用仍存在局限性，例如长期田间观察发现，转基因植物中养分分配的不平衡可能影响某些物种的正常生长。针对这些局限性，在代谢水平上，SOD和APX（Ascorbate Peroxidase）等抗氧化酶可增强清除ROS的能力，与IPT联合使用时，可显著提高匍匐剪股颖的干旱胁迫抗性，并弥补单一IPT策略的抗逆性不足。新兴的合成生物学方法进一步扩展了调控维度。CRISPR-Cas9介导的SAG12启动子精确编辑可在无需转移外源基因的情况下实现衰老特异性时空调控。dCas9-VP64等合成转录因子可以模块化方式调控SAGs的表达，避免CTK过量的问题。
**胁迫诱导叶片衰老的未来前景**
植物衰老过程涵盖两个维度。一方面，它导致细胞凋亡和叶绿体数量的显著减少，对光合作用产生不利影响。另一方面，老龄或胁迫叶片的衰老为幼龄或发育组织提供必需养分，从而增强植物的整体生存。众多与叶片衰老过程相关的基因已被鉴定和研究，以加深对叶片衰老的理解。然而，一些关键化合物仍有待鉴定，表明需要进一步研究和探索这些调控因子，如剪接因子（SFs）。组学技术的进步使得转录组学、蛋白质组学、代谢组学、基因组学和表观基因组学等多种实验设计得以灵活应用。单个基因的调控过于简化，因为基因通常在叶片衰老过程中的复杂网络内发挥作用。因此，可能需要同时敲除或过表达多个相互关联基因的更整体性方法，以研究这些基因的整合调控网络。此外，涵盖动物和植物研究的跨学科领域已引起越来越多的关注，这提出了从动物药物筛选中获得的见解是否可用于阐明植物叶片抗衰老机制的挑战，并促使探究植物叶片激素或网络调控系统设计向动物研究外推的可能性。
当代植物育种的主要目标是通过应用先进技术或设计提高植物产量。植物衰老研究的主要目的不仅在于理解这一复杂现象，还在于寻求利用基础性发现来开发调控植物实践中衰老的技术，其中一项重要策略可以通过改变叶片衰老过程来操作。通过持续的数据收集和迭代训练，人工智能（AI）可自动揭示海量、高维、多模态生物数据中的隐藏模式，推动从单纯描述生物学现象到预测分子功能、最终实现生物分子理性设计的范式转变，从而能够靶向遗传水平的顺式作用元件修饰，包括叶片衰老相关顺式作用元件。这种能力可增强或抑制功能域，最终改善表型结果。AI的快速发展为叶片衰老领域引入了新的挑战和研究途径。机器学习（ML）使研究者能够利用支持向量机（SVM）、K近邻（KNN）和随机森林（RF）等多种算法，从众多标记植物的多样性状模式中进行迭代学习，在训练过程后促进对新数据的预测。SVR、KNN和偏最小二乘法（PLS）等技术可用于开发蔗糖光谱的定量预测模型，利用番茄叶柄末端的蔗糖浓度作为评估叶片衰老的指标，这种方法有助于去除衰老叶片，从而提高温室番茄产量。作为ML的子集，深度学习（DL）解决了与传统ML方法相关的局限性，能够在复杂任务中更准确地提取特征和模式。因此，这催生了包括全基因组关联分析（GWAS）、多层感知器（MLP）、卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）和图卷积网络（GCN）在内的各种分析方法。基于图像的性状分析已应用于叶片衰老研究。结合基于图像的性状分析和转录组数据的全基因组关联研究已确定，OsMYB21正向调控籼稻和粳稻的黑暗诱导叶片衰老，而OsSUB1B负向影响其进程。
当代植物育种的主要目标是通过应用先进技术或设计提高植物产量，其中一项重要策略可以通过改变叶片衰老过程来操作。通过持续的数据收集和迭代训练，AI可在基因测序中实现更高的准确性，从而能够靶向遗传水平的顺式作用元件修饰，包括叶片衰老相关顺式作用元件。这种能力可增强或抑制功能域，最终改善表型结果。此外，合成生物学的进展显著增强了分子设计育种。合成生物学旨在设计和构建新的生物系统或修饰现有系统以实现特定功能和应用。这一进展涵盖遗传元件研究、基因电路设计和代谢途径优化，旨在促进植物叶片基因的分子水平有意设计和修饰。例如，水稻OsLC1（Leaf Inclination 1）通过代谢组学分析调控木质素和黄酮生物合成，揭示了代谢途径与细胞发育协调调控的分子机制。因此，育种实验可以更精确高效地进行，以符合特定的人类目标。例如，pSAG12-IPT基因已在多项研究中被工程化以延迟叶片衰老，而不对植物其他结构的发育产生负面影响。此外，该基因还表现出降低叶片对胁迫的敏感性并减轻胁迫对叶片的损害。近期，蛋白质预测技术的进步进一步加速了该进展。此外，AI的应用可刺激过早叶片衰老，从而缩短育种周期并节约土地资源。例如，拟南芥转录因子WRKY1在叶片衰老的多个关键步骤中发挥重要作用。WRKY1过表达加速叶片衰老，促进养分从叶片向种子的高效转移，从而实现快速育种。相反，它也可以延迟叶片衰老，增强光合作用，提高植物抗逆性和产量。MFMGP（Machine Learning Fusion Model for Genomic Prediction）是一种基于机器学习的选择全基因组育种工具。它通过DNNGP、XGBoost（Extreme Gradient Boosting）等优化预测准确性，在复杂农艺性状（抗逆性、产量性状）预测中表现尤为出色。
ML和DL的应用在解决植物叶片抗逆性和衰老相关问题中至关重要。合成生物学与AI的整合在促进植物科学研究方面具有巨大潜力，特别是在通过衰老相关元件智能设计进行植物育种方面。通过利用AI固有的机器学习、数据挖掘和自动优化能力，合成生物学在基因网络（转录水平）、非编码调控RNA（翻译水平）和蛋白质信号转导回路（翻译后水平）的系统工程方面取得了显著进展。AI可被认定为合成生物学领域内衰老和胁迫相关启动子、基因及蛋白质元件设计的基础工具。通过数据驱动方法和算法优化，AI可显著提高生物组分的准确性和功能性。例如，CNN或transformer模型（如DNABERT）的应用可预测启动子序列中保守基序（包括TATA框和转录因子结合位点）的强度的组织特异性。此外，AI可促进5'非翻译区（UTRs）或3' UTRs的生成，以调控mRNA稳定性和翻译效率。AI模型如长短期记忆网络（LSTMs）或图神经网络（GNNs）可以学习宿主细胞的密码子使用频率，自主生成高表达基因序列，从而规避与转运RNA（tRNA）相关的潜在瓶颈。展望未来，AI与衰老相关合成生物学设计的整合在保障粮食安全方面具有重要前景，并在不久的将来发挥重要作用。
