衰老是随年龄决定,发生在细胞、组织、器官或有机体水平上的一种生理活动,最终会导致有机体死亡的过程。植物衰老是影响农作物产量和品质性状的主要因素之一。植物衰老受到细胞分裂素、乙烯、脱落酸等植物激素调控,同时也受到光照、温度等环境因素的影响。植物叶片是衰老的主要器官之一,由于易于观察、取材容易,因而是研究衰老的一个主要模型。在模式植物拟南芥中,通过差异杂交等技术鉴定了数个与衰老相关的基因(senescence-associated genes,SAGs),同时也分离鉴定了数个相关的突变体,但目前对衰老的启动和信号通路的了解不多。在单子叶植物中,衰老相关的遗传机制知之更少。　　 在本研究中,我们通过遗传筛选甲基磺酸乙酯(ethyl methane sulfonate,EMS)诱变的一个M2群体(日本晴背景),获得了一个水稻早衰突变体early senescence1(eas1)。在生长发育早期,eas1与野生型日本晴没有明显差异。至6叶龄后,eas1突变体叶片出现明显衰老特征,表现为假病斑(lesion mimic)的出现,茎干发黑。至抽穗时,eas1突变体的分蘖明显少于野生型,且植株亦表现出矮小的表型。至水稻灌浆时,eas1的育性显著下降,稻米结实程度下降,叶片完全枯萎。生化分析表明,10叶龄后的eas1突变体叶片中叶绿素含量明显低于野生型,并且在突变体叶片中积累过量的活性氧。上述结果暗示,eas1突变导致ROS的积累,因而诱发活性氧的产生和细胞死亡。遗传分析表明,eas1为单基因隐性突变。分子遗传学研究证明EAS1编码一个脱镁叶绿酸α加氧酶(phaeophorbideαoxygenase,PaO),与拟南芥的ACCELERATED CELL DEATH1(ACD1)和玉米中LETHAL LEAF SPOT1(LLS1)为同源基因。前人在拟南芥等植物中的遗传和生化研究表明PAO家族蛋白在光合植物中高度保守,催化叶绿素降解途径中的脱镁叶绿酸α(Pheideα)变成红色叶绿素降解物(RCC)的步骤。在eas1突变体中,一个高度保守的苏氨酸突变为异亮氨酸,导致其成熟肽不稳定,因而丧失其功能。EAS1 mRNA和EAS1蛋白的积累受到黑暗诱导。　　 拟南芥ACD1和玉米LLS1的PaO前体的氨基端含有一个信号肽,通过该信号肽的作用,PaO定位于叶绿体,同时剪切去掉信号肽变成一个具有生化活性的成熟多肽。EAS1以及稻属中同源蛋白的氨基端包含2个推测的信号肽。存目前数据库中,最靠近氨基端的假定信号肽(第一个信号肽)仅在稻属PaO-like蛋白中发现,而第二个信号肽以及成熟肽段的序列高度保守。我们发现缺失第一个信号肽编码区的EAS1转基因能够完全互补拟南芥acd1突变体的表型,而含有第一个信号肽的全长EAS1转基因不能互补acd1的表型。　　 我们发现水稻EAS1通过第一个信号肽定位到叶绿体外膜,这一过程可能被糖基化调控。第二个信号肽将成熟的EAS1多肽定位至内囊体外膜,经过磷酸化修饰后,成熟的EAS1蛋白有可能进入内囊体内腔(lumen),并在其中行使生化功能。上述结果暗示水稻EAS1的双定位信号(dual targeting signals)在进化和功能上具有高度的特异性。对EAS1的调控机制、在进化过程中的演化以及其双定位信号在稻属植物中生物学功能的进一步探索将为衰老的分子和生化机制提供重要的新线索。