研究背景：

百岁兰 (Welwitschia mirabilis) 是单科单属寡种的裸子植物，现狭域分布于非洲安哥拉南部及纳米比亚西部沿海的荒漠地带，终年仅着生一对真叶，即便生活在纳米布沙漠 (Namib) 常年高温、干旱且土壤营养匮乏的极端环境中，个体寿命仍可达1500年以上，故又名“千岁兰”。相较人们对其生态环境适应能力的好奇与认知，关于其叶片适应与衰老的分子调控机制鲜有报道。叶片衰老是叶片发育的最终阶段，其启动和进程受叶片年龄与植物激素等影响。在适宜环境下，叶片衰老作为主动调控机制，将营养物质从叶片转运至花、果实、种子等，以提升植株生长和繁殖效率。在不利环境下，植株会被动触发叶片衰老，以此作为应对环境变化的权衡策略。因此，探究植物叶片衰老的生态遗传因素及其复杂调控机制是基础生物科学领域长期以来的热点问题，对农作物改良、产量提升等方面具有重要理论意义。

研究内容：

(1) 内源ABA合成促进百岁兰叶片衰老

观察发现野生 (in-situ) 与温室 (ex-situ) 环境下的百岁兰均呈现出叶尖衰老的表型 (图1a,b),通过对最早出现衰老表型的叶片 (3年左右) 进行不同区段的划分，结合不同生理指标及相关基因表达量变化 (ABA含量-NCEDs、离子渗透率-SAGs、叶绿素含量-PAOs)，推测百岁兰叶片衰老可能受内源ABA合成的影响 (图1c,d)。

(2) WmMYB111介导ABA合成促进百岁兰叶片衰老与叶绿素降解

对叶片衰老诱导的WmNCED上游调控因子进行预测发现，R2R3型MYB转录因子MYB111可能对二者在促进叶片衰老过程中起到关键调控作用。基因特性分析发现，WmMYB111随百岁兰叶片衰老及外源ABA处理诱导上调表达。基因功能验证结果显示，沉默WmMYB111可抑制、而过表达可促进百岁兰叶片的衰老,这一结果在拟南芥过表达材料表型分析中得到了验证。为探究WmMYB111促进百岁兰叶片衰老的分子机制，作者对相关下游基因启动子进行分析，发现WmNCEDs、WmSAGs及WmPAOs启动子区域存在多个保守的MYB111结合位点。染色质免疫共沉淀 (ChIP-qPCR) 结果显示WmMYB111蛋白可在体内 (in vivo) 与下游靶基因启动子进行结合。凝胶阻滞 (EMSA) 结果显示上述互作亦在体外 (in vitro) 实验得到了验证。双荧光素酶实验 (LUC/REN) 进一步证明了WmMYB111可通过结合启动子区域转录激活其靶基因的表达。

(3) ABA信号通路核心元件WmABF1-1调控百岁兰叶片衰老的分子机制

以往研究表明，ABA信号通路核心元件ABIs (ABA INSENSITIVEs) 与ABFs (ABA-responsive element binding factors) 作为转录因子在促进植物器官成熟与衰老过程中发挥关键作用，为探究WmMYB111如何接收并响应ABA信号，该研究对其基因启动子进行分析，发现存在多个ABF结合元件 (ABS) (图3a)。ChIP-qPCR、EMSA及LUC/REN实验结果表明WmABF1-1可通过与WmMYB111启动子互作来激活其基因表达 (图3b-d)。进一步分析发现，WmABF1-1沉默可延缓百岁兰叶片衰老(图3e-h)。上述结果证明了WmABF1-1-WmMYB111-WmNCEDs/WmSAGs/WmPAOs转录级联在促进ABA介导百岁兰叶片衰老过程中发挥的核心作用。

(4) WmABF1-1与WmMYB111互作调控叶片氮元素转运的分子机制

除上下游调控关系外，WmABF1-1自身及其与WmMYB111在体外 (in vitro) 与体内 (in vivo) 环境下亦存在物理相互作用。瞬时过表达WmABF1-1或WmMYB111在促进百岁兰叶片衰老的同时，可显著降低叶片中的氮元素含量 (图4a-c)， WmABF1-1与WmMYB111可单独或共同转录激活氮元素转运基因WmNRTs的表达，进而在叶片衰老启动后促进其叶片中营养元素的转运 (图4d-f)。这一发现为揭示百岁兰叶片衰老现象背后的分子调控机制提供了基础。在长期极端环境选择下，百岁兰叶片自主驱动的这一衰老调控机制对理解其适应营养匮乏等环境具有重要的生物学意义 (图5)。

研究团队：

中国科学院武汉植物园许韩博士与博士研究生宋晴晴为论文共同第一作者，万涛研究员和王青锋研究员为共同通讯作者。中国科学院武汉植物园万俊男博士和韩家鹏博士参与了该工作。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、中国科学院中-非联合研究中心重点部署项目、国家博士后面上项目等课题的资助。