摘要：植物衰老是植物生长发育的最后阶段，对作物产量和品质具有重要影响。叶片衰老是一个复杂的过程，受到多种遗传途径和调控因子的精细调控。在作物的生产中，早衰会缩短叶片功能期，特别是在籽粒灌浆期，严重影响籽粒发育，最终导致作物产量和品质下降。因此，深入理解植物衰老的分子

植物衰老是植物生长发育的最后阶段，对作物产量和品质具有重要影响。叶片衰老是一个复杂的过程，受到多种遗传途径和调控因子的精细调控。在作物的生产中，早衰会缩短叶片功能期，特别是在籽粒灌浆期，严重影响籽粒发育，最终导致作物产量和品质下降。因此，深入理解植物衰老的分子机制，对于作物改良具有重要的理论和应用价值。

近日，中国农业科学院作物科学研究所刘录祥团队在Plant Science期刊发表题为“The allelic mutation of NBS-LRR gene causes premature senescence in wheat” 的研究论文，揭示了一个NBS-LRR基因的等位突变导致小麦早衰的分子机制。该研究以小麦品种 京411 为背景，通过 EMS 诱变筛选获得早衰突变体je0874。通过遗传分析、精细定位、基因克隆和功能验证，发现je0874的早衰表型是由一个单隐性基因Taps1的等位突变引起的。

研究人员首先对 EMS 诱变获得的早衰突变体je0874进行了详细的表型分析。结果表明，je0874在分蘖期和野生型 (WT) 京411 表型相似，但在拔节期开始出现早衰迹象，旗叶首先变黄。随着植株生长发育，黄化程度迅速加剧，并在开花后旗叶上出现黄色斑点，这些斑点迅速扩大并扩展到整个叶片，大约在开花后15天左右，整个叶片完全黄化衰老。相比之下，WT 叶片在此期间保持绿色，没有衰老迹象。早衰导致je0874籽粒灌浆后期出现灌浆不足，籽粒皱缩干瘪。产量性状分析显示，je0874的千粒重显著降低，仅为 WT 的 47.8%，穗粒数也降低了 25.7%。但株高、穗数和穗小穗数在突变体和 WT 之间没有显著差异。

为了探究je0874早衰的生化机制，研究人员检测了突变体和 WT 叶片中的活性氧 (ROS) 水平和抗氧化酶活性。结果显示，在籽粒灌浆期，je0874突变体中 DNA 损伤程度显著高于 WT，表明突变体中程序性细胞死亡更为严重。透射电镜 (TEM) 观察表明，在拔节期，突变体和 WT 叶片叶绿体结构没有显著差异。但在抽穗期，突变体叶片叶绿体开始出现显著变化，叶绿体被破坏，囊泡状片层结构退化，并且嗜锇颗粒数量显著增加。在籽粒灌浆期，突变体叶片叶绿体完全崩解，几乎观察不到完整的叶绿体。叶绿素含量测定表明，抽穗后je0874突变体叶片叶绿素含量显著降低，在抽穗后 15 天降低了 93.8%。生理指标测定结果表明，与 WT 相比，je0874突变体叶片中 H₂O₂ 和 MDA (丙二醛，膜脂过氧化产物) 含量随着植物生长发育逐渐增加，在开花期和籽粒灌浆期分别显著高于 WT。ROS 清除酶活性分析表明，随着衰老的进行，je0874突变体植株中超氧化物歧化酶 (SOD)、过氧化物酶 (POD) 和过氧化氢酶 (CAT) 的活性逐渐降低，在抽穗后 15 天，这些酶的活性显著低于 WT。这些结果表明，je0874突变体中 ROS 积累增加和抗氧化酶活性降低，导致细胞氧化损伤加剧，最终导致早衰表型的发生。

遗传分析表明，je0874的早衰表型受一对隐性基因控制。为了克隆该基因，研究人员利用 F2 分离群体进行了图位克隆。首先利用 660K SNP 芯片将目标基因定位到 2D 染色体上。然后，结合 BSA (Bulk Segregant Analysis) 和全基因组重测序数据，将目标区域进一步缩小到 2D 染色体长臂上的一个 338 kb 区间。该区间包含 6 个注释基因。通过分析候选基因序列，发现只有一个基因TraesFLD2D01G513900在je0874中存在 SNP 突变。该基因编码一个含有 NBS-LRR 结构域的蛋白，研究人员将其命名为Taps1。

Taps1的 NBS-ARC 结构域包含七个保守的 motif，包括 P-loop, RNBS-A, Walker B, RNBS-B, RNBS-C, RNBS-D 和 MHD。在 JING411 TILLING 数据库中，研究人员鉴定了Taps1基因 RNBS-B 和 RNBS-C motif 上的两个不同突变体e1596和E1142。e1596突变体在整个生长时期都表现出病斑模拟表型，与je0874非常相似；而E1142突变体在拔节期表现出叶尖枯萎，但在后期逐渐恢复。

图3

为了研究 Taps1的等位变异，研究人员分析了 180 份六倍体小麦品种的基因组数据。结果鉴定出Taps1基因的两种单倍型：CS-type (中国春型) 和 Fielder-type (Fielder 型)。单倍型-1 (CS-type) 在 126 份品种中被检测到，与中国春相似，序列长度为 5,263 bp；单倍型-2 (Fielder-type) 在 54 份品种中被检测到，与 Fielder 相似，序列长度为 5,227 bp。京411 属于 Fielder-type。CS-type 在美国栽培品种中频率较高，而 Fielder-type 在中国栽培品种中频率较高。基于蛋白结构分析，突变体je0874和e1596的氨基酸突变 (S285F 和 M362I) 都位于 ATP 结合位点的“口袋”结构中。S285F 突变位于“口袋”的外层，可能阻止 ATP 正常解离，导致蛋白持续处于激发状态，从而刺激下游免疫反应并诱导细胞死亡。M362I 突变位于“口袋”的内侧，对蛋白功能的影响可能较小。G408S 突变位于关键结构域之外，可能不影响蛋白结构。

为了验证不同单倍型的功能，研究人员在烟草中进行了细胞死亡实验。结果发现，je0874和e1596的Taps1突变等位基因比 WT 等位基因 (TaPS1)、CS-type 和 Fielder-type 诱导更强的细胞死亡。E1142等位基因没有诱导明显的细胞死亡，CS-type 和 Fielder-type 也没有诱导细胞死亡。细胞死亡强度与细胞坏死的严重程度直接相关，je0874突变体的细胞死亡强度高于e1596，但e1596的细胞死亡面积比je0874大 123.6%。这些结果与它们的衰老表型一致，表明Taps1诱导典型的防御反应，并导致小麦早衰。

本研究成功克隆了控制小麦早衰的关键基因Taps1，并揭示了其等位突变导致小麦早衰的分子机制。Taps1基因编码一个 NBS-LRR 蛋白，突变导致小麦叶片过早衰老，活性氧代谢紊乱，产量显著下降。Taps1的等位突变体在烟草中表达会引起细胞死亡，暗示Taps1在调控植物衰老和免疫反应中可能具有保守的功能。该研究首次报道了 NBS-LRR 基因在小麦叶片衰老调控中的作用，为深入理解植物衰老的分子机制提供了新的思路。未来的研究可以进一步探究Taps1调控小麦衰老的下游信号通路，以及Taps1在小麦抗病反应中的作用，为培育抗病、高产的小麦品种提供理论依据。

本研究由中国农业科学院作物科学研究所刘录祥团队主导完成。该研究得到了以下基金的资助：国家重点研发计划项目 (No. 2022YFD1200700)，中国农业研究体系 (CARS-03)。研究团队对中国科学院遗传与发育生物学研究所刘志勇研究员表示感谢，感谢其对实验的建议和提供PS1300载体和GV3101农杆菌。

[https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2025.112395

来源：辰汐科技