衰老是植物叶片发育的最后一个阶段，衰老中的叶片是支持新生器官尤其是种子发育的重要“源器官”。叶片衰老的启动和衰老进程都受到遗传程序的严格控制，以契合整体植株的正常生长发育，使之既能支持植株生长对光合同化产物的需要，更要保证“源器官”中的营养物质能向新生“库器官”持续、有效地输出与利用，过度早衰或晚衰的突变体常表现出植株生长与种子发育的严重异常。植物体内存在一系列错综复杂的调控网络，通过促进衰老的“加速器”和抑制衰老的“刹车”元件之间的精细的协同作用，来确保叶片衰老过程的有序进行。总体来说，叶片衰老的正向调控机制研究较为深入，而对衰老进程的“刹车”机制的研究还相对较少。
植物激素乙烯被广泛认为是叶片衰老的强“加速器”，又被称作衰老与成熟激素。ACC 合酶（ACC synthase, ACS）是种子植物中乙烯合成的限速酶，由多基因家族编码。南开大学王宁宁教授课题组前期发现，拟南芥中的唯一一个第三类ACS成员AtACS7是叶片衰老过程中 “衰老乙烯”合成的主要贡献者。然而，精细调控叶片发育过程中AtACS7介导的乙烯合成水平以维持叶片的正常寿命与衰老进程的“刹车信号”尚未被鉴定。
近日，王宁宁课题组在PNAS在线发表了题为The RING-type E3 ligase RIE1 sustains leaf longevity by specifically targeting AtACS7 to fine-tune ethylene production in Arabidopsis的研究论文，揭示了精细调控植物叶片衰老进程的新“刹车”机制。
该研究发现，RING型E3泛素连接酶RIE1特异性地与拟南芥ACS家族中的AtACS7相互作用，通过泛素化AtACS7而促进其降解。RIE1的过表达显著降低拟南芥中乙烯的生物合成并延缓叶片衰老，而RIE1基因缺失则显著增加乙烯释放并加速叶片衰老。乙烯合成前体ACC或ACS的竞争性抑制剂AVG，可以分别有效恢复RIE1过表达或敲除突变体的乙烯相关表型。AtACS7诱导的叶片早衰在RIE1突变体背景下显著增强，却被RIE1过表达明显抑制，暗示RIE1通过促进AtACS7蛋白的降解来防止叶片发育过程中的乙烯提前或过量产生。为了进一步证实上述推测并最终确定RIE1与AtACS7之间的上位性关系，作者创制了rie1acs7双突变体，证实rie1单突变体的早衰表型可以被rie1acs7双突变所逆转。
作者们还进一步解析了AtACS7与RIE1之间相互作用的特定区域，以及AtACS7的主要泛素化位点。结果表明，AtACS7的REN motif和RIE1蛋白的RING domain可能是两者特异性互作的关键结构域，而 AtACS7蛋白的K366和K435位点可能是被RIE1泛素化的主要位点。作者们进一步证明了前人发现的RIE1对生殖生长的调控也是通过对AtACS7蛋白的稳定性调控而实现的。同时，由于特异性调控第三类ACS蛋白，RIE1还能显著提高植物对盐碱胁迫等多种逆境的抗性。
综上所述，该项研究鉴定了一个新的叶片衰老“刹车元件”RIE1，并深入解析了RIE1参与叶片衰老调控的分子机制。RIE1在拟南芥叶片发育过程中，作为乙烯生物合成的负调节因子，通过特异性地靶向并促进AtACS7降解而在叶片细胞中维持正常发育所需的适时、适量的乙烯合成，进而保障叶片的寿命。这一机制的揭示，为深入理解叶片发育过程中，衰老“加速器”与“刹车”的平衡机制以及协同调控叶片衰老与植株整体发育进程的精细机制提供了崭新的视角；也为将衰老调控关键因子用于抗逆作物新品种培育提供了新的思路和基因资源。
图1. RIE1负调控叶片衰老的机制模型。在RIE1高表达的叶片中（图左，绿色部分），RIE1蛋白与AtACS7发生直接互作，通过蛋白酶体途径促进其降解。这种相互作用导致AtACS7蛋白积累水平显著降低，叶片衰老进程减缓。相反，在rie1敲除突变体中（图右，黄色部分），由于缺乏RIE1介导的蛋白降解，AtACS7蛋白得以积累并形成有功能的同源二聚体。AtACS7的积累触发了乙烯释放量的增加，最终加速了叶片衰老的进程。
南开大学王宁宁教授为文章通讯作者，南开大学博士研究生唐祥林以及青年教师梅圆圆博士为共同第一作者。该项工作受到了农业生物育种国家科技重大专项和国家自然科学基金等项目的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2411271121
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