染色体端粒与植物衰老及调控研究进展

孙守江，孙 铭，马 馼，李曼莉，毛培胜

(中国农业大学草业科学与技术学院/草业科学北京市重点实验室，北京 100193)

植物机体的退化和老化过程是生命科学研究领域的核心问题之一。衰老是植物在生长发育过程中必须经历的一个过程，在植物的生命周期中非常重要，受发育年龄、外部因素和内部因素共同影响[1](图1)。衰老过程中生理代谢和环境因素互相结合的复杂性，使得有关植物衰老问题的研究一直成为研究者关注的焦点。深入揭示植物的衰老特性和调控机制，不仅对于阐明植物生态适应性及种群稳定性具有重要价值，而且对于延缓衰老技术和调控措施的选择亦具有重要实践意义。植物衰老的原因很多，目前已经形成了植物激素调节理论、衰老基因学说、营养亏缺理论、自由基学说和染色体端粒学说等。近些年，国内在植物衰老方面的研究取得了突破性进展，但这些研究主要集中于模式植物,如拟南芥(Arabidopsisthaliana)，小麦(Trticumaestivum)，水稻(Oryzasativa)和玉米(Zeamays)等农作物及桂花(Osmanthusfragrans)和百合(Liliumbrownii)等花卉，且研究对象多为一年生植物，研究材料多集中在离体的植物组织器官，而以多年生草本植物为研究对象，从植株上探讨植物生长过程中染色体端粒系统变化等方面的研究相对较少。Qian等[2]以高羊茅(Festucaarundinacea)为研究对象，利用三代结合二代转录组测序，对‘猎狗5号’短期高温(38℃，1 h)、长期高温(38℃/33℃，72 h)和自然衰老的叶片进行转录组分析，结果发现，短期高温显著诱导大量热激蛋白(HSPs)和热激转录因子(HSFs)的表达，并特异性的诱导FK506结合蛋白(FKBPs)，钙信号通路相关基因、谷胱甘肽S-转移酶基因(GSTs)，光合作用相关基因及植物激素信号转导基因的表达。该研究结果为探究高羊茅响应高温胁迫及高温诱导的衰老分子机制提供了基本信息，也为高羊茅耐高温育种提供了候选基因。

图1 植物衰老调控因子

植物叶片衰老是植物叶片发育的最终阶段，叶片早衰缩短了植物的光合周期，限制了植株的生物产量，适当延缓叶片衰老速率是提高作物、牧草和能源植物的产量和品质的重要途径[3]。植物体内存在一系列正向促进衰老的“油门元件”和反向抑制衰老的“刹车元件”，不同调控元件间相互作用，协同控制叶片衰老的有序进程[4]。例如，转录因子NAP(NAC-LIKE，NAC029)能够直接靶向结合并促进叶绿素降解基因及ABA合成基因的表达，以加速叶片衰老进程，可被视为衰老进程中的典型“油门元件”[4]。而多个CCCH类锌指蛋白(如TZF1，OsDOS，PvC3H69等)在叶片衰老中起到负调节作用，可被视为衰老进程中的典型“刹车元件”。由于这些CCCH类蛋白的具体靶蛋白或靶基因尚不清楚，其在叶片衰老调控中的具体机制仍有待发掘。这些“刹车元件”是否及如何直接作用于“油门元件”，进而精细调控衰老进程仍有待深入研究。Xie等[5]以重要能源植物和牧草柳枝稷为研究材料，筛选到能够显著抑制叶片衰老进程的CCCH类锌指蛋白(PvSSG)，揭示了柳枝稷CCCH类锌指蛋白PvSSG(‘Strong StayGreen’)与转录因子PvNAP1/2互作，抑制PvNAPs的DNA结合能力，进而协同调控叶绿素降解及叶片衰老的分子机理。Yu等[6]通过分析叶绿素a降解酶编码基因LpSGR的启动子活性，发现该启动子中同时存在转录激活和转录抑制顺式作用元件，推测其上游存在抑制LpSGR转录的转录因子。结合前期构建的多年生黑麦草衰老差异表达转录因子文库，借助Y1H技术，筛选并获得了一个NAC类转录因子LpNAL，LpNAL还能够与另一个靶基因LpNYC1的启动子结合并抑制该基因的转录，该研究对于揭示叶片衰老分子调控网络和开展滞绿分子育种均具有重要意义。

端粒酶是真核生物细胞核中的一种特殊酶，不同于常见的生理生化反应速率的调控酶，端粒酶是一种核糖核蛋白酶，主要由端粒酶逆转录酶和模板RNA两个亚单位组成[7]。端粒酶作为一种端粒相关蛋白，在端粒长度的维持以及端粒损伤修复中扮演着重要的角色。因此研究生物在生长发育过程中端粒酶活性的变化规律有助于阐释端粒长度的维持以及修复机制，进一步探讨生物端粒长度与衰老以及生物体寿命之间的内在关系。关于端粒酶活性与生物个体的研究主要集中在动物和人体上，在植物领域该方面的研究相对较少。Flanary等[8]和刘頔等[9]分别对不同树龄的狐尾松和银杏不同器官的端粒酶活性进行了测定，研究发现，端粒酶活性、端粒长度与树木的年龄之间存在一定的相关性。基于此，本文综述了植物衰老的概念，研究历史和植物衰老学说，重点论述了植物衰老的端粒学说，并总结了端粒在植物衰老中的研究进展，以为后续从端粒系统角度解析植物衰老提供理论参考依据。

1 植物衰老

1.1 植物衰老的概念及研究历史

植物衰老研究迟于人与动物相关研究。1928年Molisch发表了TheLongevityofPlants一书，提出植物器官的衰老或整株的衰老不仅受到内部因素调控，还受到外界环境因子的影响[9]。Leopold等[10]认为植物衰老是一个营养逐渐耗尽的过程。植物在衰老时发生许多不可逆的变化，该过程主要发生在植物生长发育生命周期的最后阶段[11]。衰老是在植物生长发育过程中由基因控制的程序化事件，老化是一个主要受外部因子影响的非程序化被动死亡过程[12]。研究发现，植物衰老开始于一些特定的器官，最后往往导致整个植株的死亡。因此，衰老研究早已引起重视，植物衰老的研究起步于20世纪初，植物细胞在衰老过程中发生着与动物细胞类似的细胞程序性死亡(Programmed cell death，PCD)特征。植物衰老的研究大致可以分为四个阶段(图2)。

图2 植物衰老研究历史

近些年来,国内在植物衰老方面取得了大量成果，主要集中在器官以及细胞水平上(如在鲜切花、果蔬保鲜，植物细胞程序化死亡方面进行的研究)[13]。目前，已在拟南芥(Arabidopsisthaliana)、大麦(Hordeumvulgare)、番茄(Lycopersiconesculentum)和烟草(Nicotianatabacum)等植物中发现了许多与衰老相关的基因。而以多年生草本植物为研究对象，从植株上探讨草本植物衰老特性以及相关调控机制较少，有一些相关研究主要集中在非生物胁迫对苜蓿叶片衰老的影响。张丹词等[14]以两种抗旱性差异较大的紫花苜蓿为试验材料，采用温室盆栽方式，对在干旱胁迫下紫花苜蓿叶绿素含量、叶片衰老率、叶片相对含水量、光合作用和叶绿素荧光参数等叶片衰老特征指标进行测定，评价了抗旱性强弱不同的紫花苜蓿在干旱胁迫下其叶片衰老特征的差异。贾志锋等[15]探究了不同施氮量和播种量对燕麦叶片衰老特性及细胞结构的影响，研究得出低密度种植和适量施肥有利于增加叶片的光合效率和延缓衰老的结论。在自然生长状态下研究多年生牧草衰老的研究相对较少。赵思涵等[16]将红三叶(Trifoliumpratense)成熟与衰老叶片进行转录组测序,分析了红三叶衰老过程中的差异表达基因和代谢通路变化。研究发现，差异表达基因主要富集在次生代谢产物的生物合成、氰氨基酸代谢、植物激素信号转导和苯丙烷类生物合成等通路，表明这些基因可能在红三叶叶片衰老过程中发挥了重要作用。周玲芳等[17]以蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)衰老初期、中期、末期叶片以及成熟叶片为研究对象。通过转录组测序，筛选到837个与叶片衰老相关的基因，其中大部分都是转录因子，蒺藜苜蓿叶片衰老过程中大量差异表达基因的分析为进一步分析蒺藜苜蓿叶片发育和衰老的调控机制提供参考。目前对植物衰老机制的认识才刚起步，整株水平上的衰老调控机制等仍有很多方面有待于进一步研究。

1.2 植物衰老学说

1.2.1营养匮缺理论 Molisch等[18]最早提出“植物从营养生长转入生殖生长以后，其他器官中的大量营养物质被运送到生殖器官，最后导致其他器官由于缺乏生长必需的营养物质而死亡”。这个观点随着研究的进一步深入，后期又进一步被完善，修改完善以后被称作“营养匮缺理论”。但是该理论不能很好的解释雌雄异株植物衰老的现象。

1.2.2植物激素调控理论 Woolhouse等[19]认为，植物在营养生长阶段，地上部分和地下部分都能合成植物激素，相互运输并进行反馈调节，控制植物激素的合成量从而调控植物的正常生长和代谢。Barry等[20]认为，植物衰老是由多种内源激素共同作用的结果。

1.2.3死亡因子学说 Leopold等[21]提出死亡因子的概念，他们认为乙烯和脱落酸是导致植物死亡的主要内源激素。许多实验结果表明，植物衰老的最初原因并不是延缓衰老激素的缺失，而是从生殖器官中形成促进植物衰老的因子，该因子被运送到其他植物组织器官，最后导致该器官衰老。目前大家公认茉莉酸衍生物和4-氯吲哚乙酸有可能是导致植物衰老的主要因子。

1.2.4衰老基因学说 Orgel等[22]总结前人的研究成果首次提出了“差误理论”“密码子限制学说”以及“DNA合成限制理论”等以此来解释植物衰老的分子机制。衰老是植物在生长发育过程中最后经历的一个阶段，该过程在植物生长发育中不可避免。和其他发育过程类似，衰老是内外因子共同调控的结果。许多学者一致认为植物衰老是因为衰老相关基因在特定时期特定部位特异性表达的结果。

1.2.6植物衰老和细胞程序性死亡理论 植物在长期进化和适应环境的基础上有选择性地使某些细胞、组织和器官有序死亡，称之为程序性死亡(Programmed cell death，PCD)[28]。植物PCD是指整个原生质(有细胞壁或无细胞壁)在植物某个生命时期主动撤退、消化过程，它主要通过自溶、裂解和木质化等机制去除不需要细胞质或整个细胞。植物衰老是涉及PCD的生理过程，两者在发生机制和信号传导上存在较多的共性：(1)植物衰老和PCD都是由基因控制的主动的过程，它们的发生都依赖新基因的转录和蛋白质的合成；(2)PCD和植物衰老都是程序性事件；(3)植物衰老与PCD都可以受许多内部发育信号和外部环境信号的影响，从而调节进程的快慢；(4)植物衰老和PCD过程中都存在物质的运转，这在衰老器官中表现为维管束周围组织最后衰老[29]。植物衰老的过程不完全是PCD。完整的植物衰老过程应包括两个阶段：第一阶段为可逆衰老阶段，细胞以活体状态存在；第二阶段为不可逆衰老阶段，细胞器裂解，细胞衰退，PCD发生，其中液泡的裂解和染色质降解形成的DNA片段是PCD开始发生的标志。胞间基质相互作用，为细胞的分化、生长和死亡提供必需的信号。MMP为基质金属蛋白酶(matrix metallopro-tease)可降解基质。Delorme等[30]在黄瓜叶片衰老的后期检测到一种基质金属蛋白酶CS1-MMP，它是一种前体酶，需经过修饰才能活化，其表达早于DNA片段化的出现，但不参与衰老中营养物质的运转，可能与PCD的发生有关。由此认为：PCD可能只在衰老的末期发生，即植物衰老达到一个不可逆的点，这个点的出现标志着PCD的发生。Delorme等[30]发现：缺少脱落酸(SA)信号传导途径的拟南芥突变体pad4，其叶片长时间保持黄化状态，细胞死亡速度比野生型慢得多，而野生型拟南芥SA信号传导途径中被诱导表达的一个衰老特异基因SAG12只在衰老晚期的黄化组织中表达，推测植物衰老前期产生的SA信号可诱导下一步的PCD，SAG12可能在衰老后期的PCD过程中起关键作用。

1.2.7端粒学说 该学说由Olovnikov等[31]首次提出，DNA聚合酶的局限性导致在细胞分裂DNA复制过程中DNA不能被完整复制，因此DNA序列有可能会丢失，遗传物质的丢失最后可能导致细胞的衰老死亡。端粒是由端粒相关蛋白以及端粒DNA一起构成的复合体[32]，研究发现，端粒能够解决DNA聚合酶局限性导致的染色体末端不完全复制问题。后期大量的实验说明，端粒长度、端粒酶活性与细胞衰老具有很大的联系[33]。2009年，诺贝尔生理学或医学奖授予Elizabeth H.Blackburn，Carol W.Greider和Jack W.Szostak以及霍华德休斯医学研究所，他们在解释端粒系统保护染色体方面做出了巨大的贡献。真核细胞线性染色体端粒长度的维持机制以及端粒酶对细胞的调控机制(例如端粒酶的维持机制和修复机制)已经受到研究者的高度关注。

2 植物衰老与染色体端粒

随着科学技术的飞速发展，植物学研究的方法和手段也登上了一个新的台阶，植物学家开始利用细胞生物学以及分子生物学技术手段对植物衰老的现象和原因进行大规模的研究。大量研究表明，染色体端粒系统在生物生长发育过程中扮演着重要的角色，对细胞以及生物个体的寿命具有重要的调控作用。因此，细胞中染色体端粒长度以及端粒酶活性已经成为衰老研究中的热点[34]。当端粒缩短到一定程度，即不能维护染色体稳定时，细胞最终衰亡，这一点在人类细胞中已经得到验证。端粒长度在不同生物中相差很大，而且对于一个特定的生物，其端粒长度也是动态变化的[35]。

2.1 端粒及端粒酶的发现

20世纪30年代初期，Muller等[36]发现了一个奇怪的现象，与常见的DNA断裂不同，染色体末端之间不相互融合，具有末端的染色体才能被复制完整。因此科学家们发现线性染色体的末端是一个极其特殊的结构，Muller将该特殊结构称为“端粒(Telomere)”。但是当时人们对随机产生的DNA断裂末端与染色体端粒之间的差异并不清楚。20世纪五六十年代，科学家在探究DNA的准确复制问题时，发现了一个新的难题，DNA聚合酶具有局限性，在DNA的每一轮复制过程中，复制到末端时都会丢失少量的核苷酸，最终导致真核细胞线性染色体在每次细胞分裂过程中都会缩短，Watson等[37]首次提出了“末端复制问题”，同时他大胆推测，在真核生物中必定存在一种特殊机制，该机制能够延长真核细胞中线性染色体末端缺失的部分，以维持染色体末端的完整性，确保遗传信息的稳定性。同一时期，Alexey Olovnikov也推测，染色体末端的逐渐缩短将导致细胞的衰老。

80年代初期，Greider加入Blackburn研究团队攻读博士学位，他们用化学提取方法寻找端粒DNA聚合酶，并对该酶做了化学成分的鉴定。他们大胆推测，既然在四膜虫的微小染色体中都含有端粒结构，在四膜虫中也应该含有大量的DNA合成酶[38]。于1984年12月25日，Greider检测出了四膜虫细胞分离液中的一种新酶，该酶能够以端粒序列为模板合成核苷酸重复序列。后来就将这种DNA合成酶成为“端粒酶”。后来她们又开始探讨端粒序列的维持机制，她们大胆地推测，每个生物的端粒酶都包含一个DNA或RNA组分作为模板。用RNA酶处理的端粒酶组分失去了合成端粒DNA的活性，因此，Blackburn和Greider认为RNA在端粒DNA合成过程中发挥重要作用。最终，Greider纯化到了端粒酶，其包含了一个蛋白亚基和一个RAN亚基。不久Greider在冷泉港实验室成立了自己的研究室，并进一步证实，端粒酶的RNA亚基决定了端粒的序列。与此同时，Jack Szostak和他的博士后Victoria Lundblad在酵母中筛选并获得了一系列端粒复制所必需的基因，这些基因的突变将导致端粒的逐渐缩短和细胞衰老。由此，他们第一次证实了端粒长度的稳态对细胞存活的重要作用[39]。

2.2 端粒长度和端粒酶活性与植物衰老的相关性研究

2.2.1端粒长度与植物年龄及季节的关系 研究发现，同动物一样，植物的年龄也是由特定部位细胞遗传物质调控并决定[40]。关于生物体年龄与端粒长度及端粒酶活性的关系以及端粒对生物体的调控作用在动物中报道较多，但是在植物方面报道较少，在植物方面的报道主要集中在端粒长度对树木年龄的调控方面[41]。Flanary等[42]以狐尾松(Pinuslongaeva)为研究对象，测定了不同部位和器官(针叶、树心和根)中的端粒长度，研究发现，狐尾松不同器官端粒长度的最大值、平均值、最小值都伴随着树木生命活动的周期性增大或者减小，端粒长度和端粒酶活性影响树木的衰老进程和寿命，同时在调控植物的生长发育方面也具有重要的作用。慕莹等[43]以不同年龄段的银杏(Ginkgobiloba)组织为检测对象，分别测定了不同年龄段不同组织的端粒长度。研究发现不同组织之间端粒长度的大小为：银杏小枝的端粒长度>银杏叶片的端粒长度>银杏胚性愈伤组织的端粒长度>银杏小孢子的端粒长度。同时也发现，在银杏雌性个体中，成熟叶片的端粒长度与小枝条的端粒长度不同，但是差异不显著；与此同时，该研究还测定了同一组织中银杏端粒长度随着树木年龄的动态变化规律，探究了同一组织中端粒长度与树木年龄之间的相关性。Song等[44]同样以银杏树为研究对象，分析了不同器官的端粒长度在不同月份中的差异。首先发现在小孢子中，虽然细胞进行了减数分裂，但是端粒长度的变化并不明显，基于此，他推测在小孢子细胞中必将存在一种机制，即在特定的时期，端粒长度被特异性选择延长，以保证在减数分裂过程中小孢子的端粒长度维持恒定状态。他还测定了不同月份中银杏叶片的端粒长度，研究发现4—8月份银杏端粒长度变化不明显，9—10月份急剧减小，推测银杏端粒长度的变化不仅受到内部遗传因子或者维持机制的调控，同时还受到外界环境(温度，湿度等)的影响。因此可以看出：一定长度的端粒是内外因子共同调控作用的结果。郑广顺等[45]以国槐(Sophorajaponica)，楸树(Catalpabungei)，银杏(Ginkgobiloba)和油松(Pinustabuliformis)4种不同树种为研究对象，每种树选取的年龄段如下：国槐(1，20±5，100±10，400±50年)；银杏(10±3，50±5，100±10，700±30年)；楸树(1，10±4，80±20，400±50年)；油松(5±2，20±5，250±30，500±50年)，并用经典的端粒长度测定方法Southern印迹杂交法分别测定了树木底部枝条的端粒长度。结果表明，不同树种随着树龄的变化端粒长度变化规律也不一致，各树种之间端粒长度变化非常明显；国槐嫩枝端粒长度随着树木年龄的增加而延长，但端粒酶活性呈现出先增大后减小的趋势，从总体趋势来看端粒酶活性是减小的，由此可以推测，端粒酶不是维持国槐端粒长度的唯一机制，在特定的时期，必将存在另外一种端粒长度机制维持端粒的长度。Fojtová等[46]发现了一种新的端粒长度维持机制，认为随机重复序列可能代替了端粒，这部分随机重复序列可能就是之前的亚端粒序列。

2.2.2端粒酶活性与植物年龄及不同器官的关系 端粒酶活性的变化不同于端粒长度，端粒酶活性的大小不仅受到植物细胞内部遗传因子的调控，还受到植物所处环境因子的影响[47]。王瑾瑜等[48]以国槐、楸树、银杏、油松4个不同树种为研究对象，分别分析了4个不同树种不同年龄下叶片的端粒酶活性以及同一棵油松和银杏树不同部位叶片端粒酶活性，研究发现，同一棵树不同部位叶片端粒酶活性差异性较大，从树木的顶端到基部，端粒酶活性逐渐降低，但是研究发现，树木年龄与端粒酶活性几乎没有关系。同时作者又探讨了胡杨(Populuseuphratica)愈伤组织和沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)悬浮细胞在盐胁迫下端粒酶活性的变化规律，并探讨了端粒酶对盐胁迫造成的DNA损伤的修复作用。研究发现，盐胁迫造成的DNA轻度损伤端粒酶可以修复，但是高盐浓度处理下造成的DNA重度损伤端粒酶无法修复。由此可以看出，植物细胞中的端粒酶具有双重机制：对DNA损伤的修复机制和对端粒长度的维持机制。Liu等[49]分别从树木年龄、树木的生长季节、树木的不同组织以及树木的雌雄株角度综合的探讨了端粒酶活性的变化规律。研究发现，在植物生长旺盛、温度较高的季节端粒酶活性较大，反之端粒酶活性较小，在植物生长旺盛的部位，即分生组织中端粒酶活性较大，这也同时验证了前人的研究观点，端粒酶在细胞增殖分化过程中扮演着重要的角色。同时Fitzgerald等[50]研究发现，不管在生殖细胞还是体细胞，常绿植物还是落叶植物，一年生还是多年生植物均能检测到端粒酶活性。

综上所述，端粒酶在植物生长发育过程中扮演着重要的角色，主要表现在对端粒长度的维持机制、对胁迫造成DNA损伤的修复机制以及在植物细胞增殖分化过程中发挥着重要作用。植物端粒酶活性受到很多因素的影响，例如：检测端粒长度时的取样部位、取样时期、植物所处环境中的胁迫、植物所处的地域以及植物的生长年龄等。因此，在评价端粒酶对植物生长发育的影响以及阐释端粒酶的功能时必须将这些因素考虑在内。

3 植物衰老调控

3.1 植物衰老调控通路研究进展

衰老是一种基因编码的程序性事件，衰老期间有新蛋白质的合成和原有蛋白质种类的增减[51]。已从拟南芥、大麦、玉米、番茄等植物中克隆出许多与衰老有关的基因。表达上调或下调的基因分为两类：衰老上调基因(Senescence up regulated genes,SAGs)和衰老下调基因(Senescence down regulated genes，SDGs)(表1，表2)。在衰老过程中正调节表达的基因，称为衰老上调基因，如SAG12，SAG13，LSC54。β-半乳糖苷酶基因参与类囊膜主要组分(半乳糖脂)的降解产物(半乳糖)的动员。陈昆松等[52]从中华猕猴桃果实中克隆到了一个β-半乳糖苷酶基因cDNA片段，分析结果表明β-半乳糖苷酶在猕猴桃果实后熟软化的启动阶段起作用。在衰老过程中表达下降的基因则被称为衰老下调基因SDGs，如编码与光合过程有关的蛋白质[(叶绿素a,b集光复合体、rbcL,rbcS(2，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶大亚基、小亚基)、电子传递体(petB)、光合系统(psbA)]的转录随叶片衰老急剧下降。通过转录组研究发现，植物衰老涉及成千上万的表达基因和许多信号传导途径。在这些基因中，许多转录因子(Transcription factors，TF)调控植物衰老，例如NAC，WKRY，MYB，bZIP和bHLH家族成员。Bresson等[53]选择了一些早期和晚期的拟南芥关键SAG和SDG标记衰老阶段，通过RT-qPCR监测基因表达水平，只分离出非常少量的RNA，并且检测到转录水平。

表1 衰老期间上调基因

表2 衰老期间下调基因

SAG在衰老过程中被上调，但由于其功能范围广，在植物发育过程中的表达模式变化很大。许多SAG也对环境作出反应，可以被视为调控胁迫反应和年龄依赖性衰老的不同信号传导途径的整合者。通常，SAG12和SAG13表达是使用最广泛的SAG标记，分别反映了衰老的晚期和早期状态。SAG12已与自然诱导的衰老紧密相关,编码一种半胱氨酸蛋白酶，主要位于与蛋白质降解有关的衰老相关的液泡中。尽管SAG12在后期的衰老阶段参与了大规模的蛋白水解过程，但其在拟南芥衰老中的特定靶点和功能仍不清楚。

NAC和WRKY家族是衰老转录组中最大的两类TFs(图4)。它们代表了在衰老中发挥重要作用的有价值的标志物。作为关键的与衰老相关的TF，WRKY53和ANAC092已被发现会影响许多已知的衰老调节基因的表达，这些基因参与例如营养的重新分配，细胞壁修饰以及氨基酸和激素代谢等过程[55]。Balazadeh等[56]研究发现，qRT-PCR分析显示WRKY53的表达可以用作非常早的衰老标记，在播种后第4周，当植物开始开花但没有明显的衰老迹象且SAG12和SAG13表达没有明显增加时，WRKY53的表达显着增加。ANAC092的表达也随着衰老的开始而增加，但在衰老叶片的后期达到了最高表达水平。

图3 植物衰老调控通路(根据参考文献[57]修改)

图4 端粒酶功能(根据参考文献[60]修改)

3.2 端粒调控植物发育及衰老的研究进展

端粒酶是一种核糖核蛋白酶，最早发现其功能是以自身RNA部分为模板，复制染色体末端，维持端粒长度[58]。最新研究发现，端粒酶逆转录酶亚基部分参与线粒体功能以及相关基因表达调控。端粒酶逆转录酶基因TERT能够诱导或者抑制促增殖和抗增殖基因表达促进细胞生长和增殖，在这个过程中不依赖端粒延长，通过这种方式，它能使细胞在没有有丝分裂刺激的情况下大量增殖。最新研究发现，TERT主要定位在细胞核中，能够调节细胞染色质结构，同时也会快速响应DNA损伤，启动DNA修复通路，同时，TERT能够以依赖端粒“帽子”的方式稳定端粒结构，在不延长端粒长度的情况下延长细胞寿命[59]。TERT也定位在线粒体中，增加细胞对促凋亡刺激的耐受性，阻断线粒体死亡途径，增加细胞的适应性，提高线粒体活性和凋亡抗性。因此将这些功能称为端粒酶的非端粒功能(图3)。通过对端粒酶新功能的探索，有助于解决植物衰老难题，为其提供一条新的途径。

4 总结与展望

端粒作为复制性衰老开始的主要决定因素，由保护染色体末端免受降解和非重组的富含G核苷酸(TTAGGG)n序列组成。端粒长度的缩短主要发生在DNA损伤的细胞、核酸酶活性较低的细胞、活跃增殖的细胞以及个别端粒酶功能缺乏的细胞中。显著的端粒长度缩短导致DNA损伤和凋亡信号通路激活，从而诱导衰老和细胞周期停滞。从最近的研究中获得的全部信息表明，表观遗传修饰的诱导和启动子甲基化的变化以及端粒附近基因沉默的改变是端粒长度缩短的结果。总结最新的实验和理论数据，可以得出以下结论：端粒是复制性衰老开始的主要决定因素；在植物细胞衰老的生物标志物中，端粒缩短被认为是衰老的标志。

端粒酶是一种逆转录酶，由端粒酶逆转录酶和RNA组成的核糖核蛋白，具有逆转录活性。端粒酶的主要功能是其维持端粒长度功能，即复制染色体末端DNA，从而维持端粒长度，调控植物细胞的增殖速度。最新的研究发现，端粒酶逆转录酶具有其它的非端粒功能，例如调控基因表达和线粒体功能，非端粒酶功能的深入挖掘有助于阐明端粒调控植物寿命以及植物衰老的作用机制。

植物衰老是一个很热的研究主题，衰老是植物生存的一种策略，但是在农业生产中产生巨大的影响，牧草提前老化导致草地生产力下降，限制了畜牧业的发展。科研工作者试图从不同角度揭示植物衰老的机制。通过前人的研究发现，植物衰老是一个内外因素相互影响非常复杂的生物学过程，从单一方面研究植物衰老势必存在一定的局限性，后期从激素水平、植物营养物质转运、环境因子水平、衰老相关基因角度、植物土壤微生物互作等多角度研究植物衰老的内在机制显得更加重要。