摘 要

衰老是导致植物自然死亡的一系列衰退过程，是成熟细胞有序降解最终导致死亡的过程。衰老主要是叶片衰老的的变化。根据相关文献，通过对杨树在老叶与幼叶相关特征参数的比较，得到杨树衰老时相关的基因和蛋白变化。选取杨树和拟南芥等模式植物为材料到基因与蛋白质组学数据库检索与衰老相关的基因和蛋白质按照规范的流程进行数据的采集，并用UNIPROT软件进行杨树与拟南芥相关衰老基因与蛋白的差异性并进行分析。

关键词：杨树；秋季衰老；基因；蛋白

Analysis of changes in senescence-associated genes and proteins of poplar autumn leaves

Abstract

Aging is leading plant natural death of a series of recession process. It is a mature cells orderly degradation , eventually leading to the process of death. Aging is mainly the change of the leaf senescence. According to relevant literature, through to the poplar blade in mature and young leaves of characteristic parameters related comparison, get relevant genes poplar aging and protein change. Select poplar and arabidopsis , as a model for material, to plant genes and proteomics database retrieval and aging related genes and proteins of according to specification process data collection, and UNIPROT software poplar and arabidopsis related genes and proteins, the differences of aging and analyzed.

Key words: poplar; autumn senescence; genes; proteins.

目 录

1前言 1

1.1环境因素对于衰老的影响 1

1.2拟南芥与杨树的关系 2

1.3叶片衰老的介绍及研究 3

1.4研究衰老的意义 5

2研究方法 6

2.1UNIPROT数据库中进行查询 6

2.2从NCBI进行查询 7

3结果与讨论 8

3.1杨树及拟南芥衰老的文献数目及相关图片 8

3.2不同的基因在杨树老叶和幼叶的两个基因库中的基因表达 9

3.3几个半天门冬氨酸蛋白酶表达的序列标签(EST)在衰老杨树叶片的基因库中的基因表达 11

3.4来自35个额外的基因表达的序列标签(EST)在衰老杨树叶片中的基因表达 13

3.5SAGs（衰老有关基因）这类基因在衰老杨树叶片基因库中的基因表达 15

3.6初生代谢在衰老的杨树叶片中的表达 16

3.7通过对Uniprot数据库查询杨树和拟南芥与衰老相关的基因和蛋白 19

致 谢 21

参考文献 22

附录： 24

1前言

衰老是导致植物自然死亡的一系列衰退过程，是成熟细胞有序降解最终导致死亡的过程。植物随着植株年龄的增长，生存与生殖能力逐渐降低，表现为生长速度减慢、植株活力下降、光合作用能力逐渐丧失、叶绿体解体、CO₂，羧化酶和其它蛋白质降解、对周围环境的改变变得敏感、抗病虫能力减弱，衰老导致的特征性后果是植株的死亡。在自然条件下，植物衰老对植物的生态适应、自然选择和内部生理机制的恢复等方面都有明显的积极意义，但衰老引起的植物各种功能的下降极大地限制了作物产量潜力的发挥，种子贮存过程中的衰变、逆境条件下植株的早衰、果蔬采后贮藏衰老导致货架寿命的缩短等均会造成极大的经济损失。因此研究植物衰老的机制及其调控，在农业、林业、园艺和贮藏保鲜等方面都具有重要意义^[1]。低温胁迫过程中冬小麦叶片组织中可溶性蛋白质的组成和含量均发生变化，并且，可溶性蛋白质的含量与抗寒性呈正相关^[2]。

1.1环境因素对于衰老的影响

衰老是一个集成的回应的植物内生发展和外部环境的信号。因此，有关的一些基因的环境保护的响应变化预计调节叶片衰老。基因表达模式的比较和叶片衰老之间压力反应表明，这些过程之间存在相当大的相声。例如，在43个转录因子基因诱导衰老过程中，28个基因也引起的各种压力。我们现在所理解的关系环境响应和叶片衰老之间大多来自研究衰老的应对植物激素如脱落酸(ABA)，茉莉酸(JA)、乙烯和水杨酸(SA)被广泛参与对各种非生物和生物的压力。这些压力影响合成和/或信号通路的荷尔蒙最终触发器表达式应激反应的基因，这反过来似乎影响叶片衰老。这些激素通路的参与将在下面讨论。然而，我们强调需要直接检查压力反应之间的关系和叶片衰老，例如，通过利用各种压力反应在拟南芥突变体的存在^[3]。（图1）

图1 一个在叶片衰老的调控路径的模型

Figure 1.A model for regulatory pathways in leaf senescence.

1.2拟南芥与杨树的关系

由于拟南芥具有生长周期短、体形小、占地少、后代多及核基因组小等优点，而成为植物科学研究的模式物种^[4]。通过对现有杨树衰老相关基因和蛋白质进行生物信息学分析。并与模式植物拟南芥比较，将测得的数据进行比较分析找出与杨树衰老相关的可能的基因和蛋白质。从而总结出与杨树衰老相关的可能的基因和蛋白质。通过对近十年与杨树衰老相关文献检索，目的对杨树衰老的最新研究进展进行综述；通过对现有杨树衰老相关基因和蛋白质进行生物信息学分析，并与模式植物拟南芥比较，找出与杨树衰老相关的可能的基因和蛋白质，为后续进行杨树衰老生理和分子机制研究提供基础，对杨树栽培和遗传品种的改良也有一定实际意义。杨树虽是木本的模式植物，却和草本有着密切的联系。杨树属于被子植物门(Angiosperms)双子叶植物纲(Dicots)杨柳科(Salicaceae)杨属(Populus)(The Angiosperm Phylogeny Group, 1998)。杨属植物为落叶树种，主要分布于北纬19°-70°之间的广大地区，少数分布于热带非洲。杨树为雌雄异体(罕见雌雄同体)、风媒授粉植物，在早春会产生大量的花粉和借助于风和水进行传播的棉絮状种子^[4]。在系统分类学中杨树属于蔷薇分支中的真蔷薇I单元，拟南芥属于蔷薇分支中真蔷薇Ⅱ单元，在进化过程中两个物种距离较近在杨树。在杨树基因组的4.5万多个蛋白编码基因中，大约只有12％的基因在拟南芥基因组中没有检索到相似性，而在拟南芥基因组中也只有9％的基因与杨树基因组序列没有相似性。杨树有比拟南芥更多的蛋白质编码基因，对于拟南芥中每个基因平均有1.4～1.6个同源拷贝；然而，相关的蛋白质结构域频率在两个基因组中是相似的。采用HMMER与BLAST相结合的方法确定拟南芥，水稻和杨树三种模式植物全基因组JMJC蛋白基因个数分别为21、20、24，并对其染色体定位，基因结构，保守功能域进行了系统分析，在系统进化分析基础上，将JMJc家族分为11个亚家族，内含子外显子结构分析与MPSS表达模式分析结果也进一步支持了进化关系研究。相对于拟南芥，杨树在木材形成具有明显的优势。尽管在拟南芥的发育过程中也具有少量的次生生长，而且一些重要的调控基因在各种植物中是保守的，但林木的木材发育在可塑性生长、细胞结构、超微结构和化学成分等方面具有拟南芥没有的鲜明特征。通过同源性分析，杨树基因组中具有18个纤维素合成酶基因(PtCesA)，表达分析表明其中7个在木质部特异性表达。木质素合成需要的4个关键酶在杨树基因组中的数量分别为5、3、5和1个。通过遗传转化改变杨树木质素合成基因的表达，获得了降低木质素含量或改变木质素组成的转基因杨树。因此杨树全基因组序列的测定将为杨树基因程提供大量的遗传信息。

1.3叶片衰老的介绍及研究

张剑斌研究表明，杨树叶片元素含量最高，冬芽次之，干材最低;叶片中元素含量变化最明显，干材、干皮变化则不显著^[5]。两个cDNA基因库有准备，一个来自自然状态下白杨树叶，收获就在叶片衰老可见的秋天，一个来自幼嫩，但是完全展开叶温室生长的树叶的树叶。表达的序列标签(EST；分别是5128个和4841个)提取了两个基因库。一套的诠释和功能分类方法的表达的序列标签(EST)，根据一项修改慕尼黑蛋白质序列学院分级方案，开发了从三个不同的数据库有效利用信息资源的有效方法。基因表达的模式在两个基因库是一种截然不同的语言。在秋天的叶子基因库，表达的序列标签(EST)编码金属硫蛋白，早期光诱导蛋白质，半胱氨酸蛋白酶最为丰富。克隆其他蛋白酶编码和蛋白质参与呼吸和故障的脂质和颜料，以及应激基因，也很好代表。我们发现，在秋季的叶片中许多著名的与衰老相关水孔蛋白的基因，以及七个不同的基因编码半胱氨酸蛋白酶，两个编码天门冬氨酸蛋白酶、五个编码金属硫蛋白，和35个额外的基因增加。我们也间接地估计质体的速度合成蛋白质在秋天的落叶不足10%的幼叶。

叶片衰老是最后阶段，在叶片生长发育和理解衰老是重要的，不仅是纯粹的科学的原因，同时也为实际的目的。过早衰老表现，例如，光合能力降低，因而降低产量^[6]。杨叶片中可溶性蛋白质含量随着季节的变化总体上呈现出先上升后下降的趋势。衰老不仅仅只是一片叶子简单老化的被动过程，而是一个严密的控制过程，它是降解细胞成分协调时装，养分被安置到身体其他部位的植物体内，细胞最后死去的过程。尽管与凋亡相似的动物细胞，这是一种程序性细胞死亡，只有很少的基因调控细胞凋亡，在直系同源的植物中发现了，这表明各过程之间有显著差异。植物细胞凋亡反应就像某些动物调节器，所以一定有共同要素之间的过程。然而，好像已经开发出一种独特的模式植物细胞死亡^[7] (Beers,1997)，如果理解，也会给洞察过程是重要的细胞完整性和可行性。然而，非常小的人知道植物叶片衰老的细节。