近日，中国科学院合肥物质院智能所离子束作物种质创制团队在水稻色氨酸合成调控细胞程序性死亡机制研究方面取得重要进展。研究成果以题为“Mutation of rice EARLY LEAF LESION AND SENESCENCE 1 (ELS1), which encodes an anthranilate synthase α-Subunit, induces ROS accumulation and cell death through activating the tryptophan synthesis pathway in rice”在线发表于植物科学领域Top期刊Plant Journal上。
植物在应对某些病原菌侵染时，通常会在侵染点附近产生过敏反应（Hypersensitive Response, HR），通过触发细胞程序性死亡（Programmed Cell Death, PCD）来限制病原菌扩散，从而激发植物的抗病反应。然而，在自然界中，由于某些基因的突变，有些植物材料在没有病原菌侵染的情况下会自发形成类似病斑症状的表型，即类病斑突变体（Lesion Mimic Mutants, LMMs）。绝大多数类病斑突变体与植物抗病性密切相关，能显著增强防御相关基因的表达，激活植物防御反应，抑制病原菌的生长，提高抗病能力。因此，解析植物类病斑的发生机制，不仅是研究植物抗病分子机制的重要策略，也具有重要的理论价值和实际意义。
本研究从前期离子束诱变创制的水稻突变体库中鉴定了一个类病斑早衰突变体els1（图1）。通过图位克隆和基因功能验证，确认了控制该病斑早衰表型的基因ELS1，该基因编码邻氨基苯甲酸合酶α亚基，是合成色氨酸Trp、吲哚-3-乙酸和吲哚类生物碱的关键酶（图3）。ELS1基因的突变引发一系列表型及生理变化：突变体中 ROS 水平显著升高，导致严重的细胞凋亡和 DNA 损伤；突变体叶绿素含量明显降低，光合作用相关基因表达量下调，叶绿体结构受损，导致早衰发生；激活色氨酸代谢通路，并积累多种色氨酸衍生代谢物；突变体中 ELS1 同源基因 ASA1 表达量显著上调，进一步促进了色氨酸代谢途径的激活。这项研究不仅揭示了 ELS1 在 ROS 动态平衡和细胞死亡调控中的作用，还为深入理解水稻叶片早衰的分子机制提供了重要线索。研究结果为作物抗逆性育种开辟了新的研究方向。
该研究得到国家自然科学基金、中国科学院青促会、安徽省重点研发计划等项目的资助。与浙江师范大学联合培养的硕士研究生李文浩和博士后程维民为论文的共同第一作者，叶亚峰副研究员、刘斌美研究员和中国科学院遗传所傅向东研究员和吴昆研究员为共同通讯作者。浙江师范大学生命科学学院马伯军教授和陈析丰教授，安徽科技学院农学院黄先忠教授参与了该研究。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.17141
图1 els1突变体表型分析
图2 细胞和DNA损伤分析
图3 ELS1基因图位克隆与遗传互补
