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北京林业大学和扬州大学研究团队揭秘银杏古树长寿机制

来源:光明网2020-01-15 16:51

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  光明网讯 长寿机制一直是生命科学领域关注的焦点和研究的热点之一。几乎所有多细胞生物都无法逃避衰老 (aging),并最终导致个体死亡。人和动物的衰老被认为主要与端粒损耗、DNA损伤、DNA突变积累、表观遗传改变等因素有关,寿命一般只有几十年,最长也仅100多年。然而与动物不同,自然界中, 一些树种的年龄可达几百甚至上千年且依然生长旺盛,但其长寿机制却一直不清楚。

  银杏 (Ginkgo biloba L.) 是原产中国的孑遗植物,因其含有多种药用成分、观赏价值高,是重要的经济树种。此外,银杏还是著名的长寿树种,在我国各地有大量银杏古树分布。近日,扬州大学银杏研究团队、北京林业大学 林金星团队和林木分子设计育种高精尖中心 Richard Dixon 团队合作在 PNAS 杂志在线发表了题为 Multi-feature analyses of vascular cambial cells reveal longevity mechanisms in old Ginkgo biloba trees 的研究论文。研究团队历经7年时间,选用银杏树干维管形成层为主要研究材料,综合运用细胞学、生理学、多组学和分子生物学等手段,揭示了银杏古树长寿的内在机制。

北京林业大学和扬州大学研究团队揭秘银杏古树长寿机制

  树木生长主要来源于顶端分生组织和侧向维管形成层的分裂分化,但树木生长到一定年龄以后就不再升高,因而无法反映年龄的变化。树木主干维管形成层每年都能分裂分化出新的韧皮部和木质部,维系着树体的生长,是研究古树长寿机制的理想材料。该研究通过年轮测定技术结合DBHs的分析,确定了34株银杏树的真实树龄,其树龄分布在 15年-1353年,并将其中不同树龄的树木分为三组进行比较研究,发现与成年树相比,古树组 (193-667年) 形成层细胞层数变少,新产生的年轮宽度变窄,生长素(IAA) 含量下降,脱落酸 (ABA) 含量上升,细胞分裂分化相关基因表达下降,表明古树中维管组织生长变缓。然而古树树干的横截面积增加量 (BAI) 仍处于高水平,显示银杏古树形成层干细胞仍具有较强的持续不断的分裂能力。

  该研究进一步测定了古树叶片光合指标、种子繁殖能力、衰老相关的标记基因 (marker genes) 和miRNA及靶基因和自噬相关基因等,均未发现有显著变化。此外,该研究还在银杏叶片衰老过程以及更多年龄段的其他银杏植株中,进行了相关基因的验证。这些形态、生理和分子水平上的结果揭示,银杏古树在整体上仍处在健康的成年状态 (healthy mature state),依旧保持“青春活力”,尚未进入衰老阶段。由此认定,银杏古树维管形成层细胞的持续分裂能力,在避免衰老过程中发挥了重要作用。

  树木的生长发育乃至衰老都需要应对环境胁迫、病虫害以及病菌等微生物的侵袭,且树木最终大都是因为环境胁迫或病害而导致衰老和死亡。该研究在银杏古树维管形成层细胞中,鉴定到62个FLS2、EFR的成员和457个R基因,尤其发现R基因的数量远远多于其他物种。此外,木质素单体 (monolignol)、类黄酮 (flavonoid) 和芪类化合物(stilbene) 代谢通路的基因数量和表达在古树组中也没有下降。由此推测,银杏古树可能通过持续合成木质素等物质,增加树干的密度和强度,以支撑不断增粗的树体,同时通过大量R基因的持续表达,以及积累具有特殊保护功能的代谢物来提高树体抗性,抵抗各种生物和非生物胁迫,从而大大延长了树体的寿命。

北京林业大学和扬州大学研究团队揭秘银杏古树长寿机制

  综合上述结果,该研究发现银杏古树长寿并非某单一的长寿基因调控,而是生长与衰老过程中多个因素综合平衡的结果。该研究成果对揭示树木在个体水平上的生长与衰老调控机制具有重要科学意义。

  值得一提的是, Science 以 How the Ginkgo biloba achieves near-immortality 为题对该项研究进行了详细的报道,并对文章作者以及相关领域的植物生物学家进行了采访。

北京林业大学和扬州大学研究团队揭秘银杏古树长寿机制

  扬州大学王莉教授、崔佳雯博士生和金飚教授为该论文的共同第一作者,北京林业大学林金星教授和 Richard Dixon教授为该论文的共同通讯作者。中科院青藏高原研究所梁尔源研究员、中科院青岛生物能源与过程研究所付春祥研究员、南京林业大学曹福亮教授参与了此项工作。该工作得到了国家自然科学基金等项目和111引智计划项目的资助。(赵清建)

  附:

  Science的报道: https://www.sciencemag.org/news/2020/01/how-ginkgo-biloba-achieves-near-immortality

  Nature的报道: https://www.nature.com/articles/d41586-020-00067-8

  Cosmos的报道: https://cosmosmagazine.com/biology/how-do-ancient-trees-grow-so-old

  BBC的报道: https://www.bbc.com/news/science-environment-51063469

  New York times纽约时代周刊的报道: https://www.nytimes.com/2020/01/13/science/oldest-trees-ginkgos.html Daily mail

  每日邮报的报道: https://www.mailonsunday.co.uk/sciencetech/article-7882543/Trees-live-CENTURIES-thanks-immune-protective-chemicals.html

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