水稻是单子叶植物研究的模式作物,其产量相关的重要农艺性状历来是研究的重点目标。同时,水稻作为植物体,也是由“源”和“库”这两部分构成的。水稻叶片作为进行光合作用、制造有机能源物质的代谢源,它的发育状况与水稻终产量紧密相关。水稻叶片的过早衰老对植株的生长和产量具有不可忽视的影响。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸在生物体细胞的氧化还原反应中发挥了重要的作用,同时,生物体细胞内烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的含量需要维持在一个稳定的状态以免引起细胞的死亡。虽然已有大量的影响叶片衰老的因素被研究,但是与植物体内烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD:Nicotinamide adenine dinucleotide)合成途径相关因素和分子调控机理却鲜有报道。我们在本研究中克隆了一个调控水稻叶片衰老的相关基因LTS1(Leaf Tip Senescence 1),这个基因编码NAD补偿合成途径中的一个关键限速酶——烟酸磷酸核糖转移酶(OsNaPRT1:Oryza sativa nicotinate phosphoribosyltransferase 1)。OsNaPRT1基因的点突变导致水稻出现矮秆和叶尖枯萎的表型,与野生型日本晴植株相比,突变体的叶片表现出过早的衰老。针对这些表型,我们通过细胞学、生物化学、分子生物学以及转录组分析等试验方法,剖析了其突变表型的内部生化和分子机理。主要研究结果如下:1.lts1突变体在田间萌发后4周开始出现叶尖枯的表型,分蘖期表型最为明显,随着植株生长,突变体枯萎的叶尖逐渐皱缩。透射电镜观察发现:突变体叶肉细胞内出现大量嗜锇颗粒;2.Western-blot试验发现lts1突变体中OsNaPRT1蛋白表达水平明显下降,且OsNaPRT1蛋白酶活性与野生型相比也降低;3.实时荧光定量PCR试验表明,OsNaPRT1基因在水稻各个组织器官广泛表达。其中,叶片部表达量最高,其次是叶鞘和穗部,在茎秆和根部的表达量则较低;并且,突变体较野生型而言,体内OsNaPRT1基因的表达水平在植株发育的各个时期都较为一致。OsNaPRT1蛋白亚细胞定位于细胞核、细胞质和细胞膜上;4.lts1突变体的叶肉细胞中表现出明显的DNA片段化和过氧化氢产物的积累,同时,衰老相关基因的表达量出现不同程度的上调;5.lts1突变体的叶片中烟酸和烟酰胺的含量较野生型而言明显增多,而NAD的含量则有所减少。突变体中烟酸的积累能够有效抑制植株的生长,从而造成矮秆的表型;而突变体中烟酰胺的积累则能够抑制OsSRTs基因的表达,导致组蛋白H3K9乙酰化水平的增加,间接造成叶尖枯萎的表型;6.表达量下调的OsSRTs基因还诱导了衰老相关基因组蛋白H3K9位乙酰化水平的升高,这就表明NAD补偿合成途径的扰乱能够通过调控衰老相关基因的转录激活从而启动植株叶片的过早衰老。