利用基因工程改良植物脂肪酸和提高植物含油量的研究進(jìn)展

夏晗，王興軍，李孟軍，肖寒

山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高新技術(shù)研究中心 農(nóng)業(yè)部黃淮海作物遺傳改良與生物技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室 山東省作物與畜禽品種改良生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100

綜 述

利用基因工程改良植物脂肪酸和提高植物含油量的研究進(jìn)展

夏晗，王興軍，李孟軍，肖寒

山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高新技術(shù)研究中心 農(nóng)業(yè)部黃淮海作物遺傳改良與生物技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室 山東省作物與畜禽品種改良生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100

植物脂肪酸和三酰甘油具有重要生理功能以及巨大的食用和工業(yè)價值，其生物合成途徑較為復(fù)雜。近年來，植物脂肪酸和三酰甘油合成代謝途徑的研究取得了很大進(jìn)展，在多種植物中克隆了脂肪酸和三酰甘油合成代謝途徑中的關(guān)鍵酶基因，同時發(fā)現(xiàn)一些轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控植物脂肪酸含量和組成中具有重要作用，并在此基礎(chǔ)上開展了利用基因工程改良植物脂肪酸和提高植物含油量的研究，取得了一定的進(jìn)展。以下系統(tǒng)介紹了植物脂肪酸和三酰甘油合成代謝途徑中的關(guān)鍵酶基因以及在調(diào)控植物脂肪酸含量和組成中具有重要作用的轉(zhuǎn)錄因子，綜述了基因工程研究所取得的成果，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

植物，脂肪酸，三酰甘油，含油量，轉(zhuǎn)錄因子

Abstract:This article reviewed key genes that involved in fatty acid synthesis and triacylglycerol assembly pathway. The transcription factors which play important roles in seed development and oil content were also reviewed. We summarized the achievement in modifying fatty acid composition and increase oil content in plant by gene engineering using these genes.

Keywords:plant, fatty acid, triacylglycerol, oil content, transcription factor

植物體的脂肪代謝是維系其生命活動的基本代謝之一，也為人類提供了重要的能量來源。隨著生活水平的日益提高，人們對植物脂肪酸的組成和含量也有了新的、更高的要求。培育含油量更高、各種脂肪酸比例更健康的油料作物新品種是作物育種的任務(wù)之一。隨著分子生物學(xué)與基因工程的飛速發(fā)展，大量植物功能基因的分離克隆、表達(dá)調(diào)控方式和分子機(jī)制的闡明，從分子水平上對油料作物進(jìn)行有目的、有針對性的品質(zhì)改良已成為傳統(tǒng)育種方法的重要補(bǔ)充，并發(fā)揮著越來越重要的作用。脂肪酸生物合成途徑及其調(diào)控的研究不僅具有重要的理論意義，還有廣泛的應(yīng)用前景，如利用基因工程生產(chǎn)有用脂肪酸、改善油和脂肪的品質(zhì)、增加機(jī)體的抗逆性等。以下詳細(xì)綜述了植物脂肪酸和三酰甘油代謝途徑上的關(guān)鍵基因、種子油脂積累關(guān)鍵調(diào)控因子的研究進(jìn)展，展望了這些研究的應(yīng)用前景，以期更好地利用基因工程改造植物自身的脂肪代謝過程，創(chuàng)造優(yōu)良的油料作物種質(zhì)。

1 植物脂肪酸和甘油三酯的代謝途徑

植物脂類代謝途徑非常復(fù)雜，其復(fù)雜性主要在于代謝途徑的細(xì)胞區(qū)室化以及區(qū)室間這些脂庫的廣泛混合。目前對植物脂肪酸生物合成的主要代謝反應(yīng)及其相關(guān)酶系已有較完整的了解 (圖1)。

1.1 植物飽和脂肪酸合成途徑和基因工程

脂肪酸合成的前體為乙酰-CoA。它首先在乙酰-CoA羧化酶的作用下合成丙二酰-CoA。然后脂肪酸合成酶以丙二酰-CoA為底物進(jìn)行連續(xù)的聚合反應(yīng)，以每次循環(huán)增加 2個碳的方式合成酰基碳鏈，進(jìn)一步合成16至18碳的飽和脂肪酸。高等植物中脂肪酸的生物合成發(fā)生在質(zhì)體中，參與脂肪酸合成的酶主要為乙酰輔酶A羧化酶 (Acetyl-CoA carboxylase，ACCase) 和脂肪酸合酶復(fù)合體(Fatty acid synthase complex，F(xiàn)AS)。

圖1 植物細(xì)胞內(nèi)脂肪酸和甘油三酯合成示意圖[1]Fig.1 Pathway of fatty acid and triacylglycerol biosynthesis in plants[1].

1.1.1乙酰輔酶A羧化酶

乙酰-CoA羧化酶是脂肪酸生物合成的關(guān)鍵酶之一。它催化依賴ATP的羧化反應(yīng)，即催化乙酰輔酶A生成丙二酸單酰輔酶A，該步驟是從頭合成脂肪酸的第一步反應(yīng)[2]。在高等植物中存在 2種結(jié)構(gòu)顯著不同的乙酰輔酶A羧化酶，即多亞基乙酰輔酶A羧化酶 (Multi-subunit ACCase，MS-ACCase) 和多功能域乙酰輔酶 A 羧化酶 (Multifunctional ACCase，MF-ACCase)[3]。

多亞基乙酰輔酶A羧化酶是一個復(fù)合體，由生物素羧基載體蛋白 (Biotin carboxyl carrier protein，BCCP)、生物素羧化酶 (Biotin carboxylase，BC) 和羧基轉(zhuǎn)移酶 (Carboxyltransferase，CT) α和β亞基組成[3]。其中生物素羧基載體蛋白、生物素羧化酶和羧基轉(zhuǎn)移酶α-亞基由核基因編碼，而羧基轉(zhuǎn)移酶β-亞基由葉綠體基因組編碼[4]。多功能域乙酰輔酶 A羧化酶是一個具有生物素羧基載體蛋白、生物素羧化酶和羧基轉(zhuǎn)移酶 3個結(jié)構(gòu)域的多功能肽鏈，分子量高于200 kDa[5]。

兩種乙酰輔酶A羧化酶在細(xì)胞中的定位不同，如玉米、小麥、水稻等禾本科植物的質(zhì)體和胞質(zhì)中均為多功能域乙酰輔酶A羧化酶[6-8]。除禾本科植物以外，絕大多數(shù)植物具有這2種類型乙酰輔酶A羧化酶，其中多亞基乙酰輔酶A羧化酶定位于質(zhì)體中，而多功能域乙酰輔酶A羧化酶定位于胞質(zhì)中，如大豆[9]、煙草[3]、馬鈴薯[10]、花生[11]等。而在油菜[2]和擬南芥[12]的質(zhì)體中可能同時含有多亞基乙酰輔酶A羧化酶和多功能域乙酰輔酶A羧化酶。

乙酰輔酶A在細(xì)胞內(nèi)不同區(qū)域的羧化反應(yīng)導(dǎo)致物理隔離的丙二酸單酰輔酶A池。質(zhì)體中丙二酸單酰輔酶 A池是從頭合成脂肪酸反應(yīng)中產(chǎn)生 C16和C18脂肪酸的前體。胞質(zhì)丙二酸單酰輔酶A池用于產(chǎn)生C20以上的脂肪酸。除此以外，胞質(zhì)丙二酸單酰輔酶A還是產(chǎn)生黃酮類化合物、茋類化合物、丙二酸以及丙二酸單酰衍生物[13]的前體。植物ACCase受光和脂酰-CoA調(diào)節(jié)。光可能通過改變基質(zhì) pH、ATP、ADP和鎂離子等參數(shù)來調(diào)節(jié)酶活，增加葉片脂類形成[14]，從而影響脂肪酸合成[15]。

將葉綠體轉(zhuǎn)運(yùn)肽與擬南芥的多功能域ACCase基因融合，以種子特異性啟動子驅(qū)動在油菜種子中過量表達(dá)，能使 ACCase活性提高 10～20倍，油菜種子含油量提高了5%，超長鏈脂肪酸含量增加[16]。有研究表明，將羧基轉(zhuǎn)移酶 β亞基 (accD) 在各種組織的質(zhì)體中過量表達(dá)導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因植株葉子中脂肪酸含量增加，植株的葉片明顯增長，雖然轉(zhuǎn)基因后代種子中的脂肪酸含量與野生型沒有顯著變化，但種子產(chǎn)量提高了近 2倍，從而提高了單株種子的產(chǎn)油量[17]。

1.1.2脂肪酸合成酶

生物界中存在 2種類型的脂肪酸合成酶 (Fatty acid synthase，F(xiàn)AS) 催化脂肪酸合成。I型脂肪酸合成酶(Type I FAS) 在1條或2條多亞基肽鏈上含有全部活性位點(diǎn)，主要存在于脊椎動物、酵母和一些細(xì)菌中。II型脂肪酸合成酶 (Type II FAS) 的活性位點(diǎn)分布在不同基因產(chǎn)物上，主要存在于多數(shù)細(xì)菌、植物質(zhì)體和線粒體中。

植物質(zhì)體型FAS為II型脂肪酸合成酶復(fù)合體，由?；d體蛋白 (ACP)、丙二酸單酰 CoA-ACP轉(zhuǎn)移酶(MCAT)、β-酮脂酰-ACP 合酶 (KASI、KASII、KASⅢ)、β-酮脂酰-ACP還原酶 (KR)、β-羥脂酰-ACP脫水酶 (HD) 和烯脂酰-ACP還原酶 (ER) 等部分構(gòu)成。酰基載體蛋白 (ACP) 攜帶著結(jié)合于 4′-磷酸泛酰巰基乙胺輔基上的不斷伸長的?；溤贗I型脂肪酸合成酶復(fù)合體的2個單體之間穿梭[18]。

乙酰輔酶A羧化酶和MCAT催化形成malonyl-ACP。β-酮脂酰-ACP合酶家族成員催化 malonyl-ACP和acyl-ACP縮合形成β-酮脂酰-ACP。KR催化β-酮脂酰-ACP還原為 β-羥脂酰-ACP是脂肪酸合成中的第一個還原步驟。HD催化β-羥脂酰-ACP脫氫形成trans-2-acyl-ACP。脂肪酸合成每一循環(huán)的還原步驟由 ER催化，脂酰-ACP 硫酯酶 (Acyl-ACP thioesterase) 能夠催化FAS循環(huán)的終止。

有關(guān)植物質(zhì)體type II FAS大部分基因工程改良工作集中在?；d體蛋白和β-酮脂酰-ACP合酶上。植物?；d體蛋白由多基因家族編碼，在植物中組成型表達(dá)[19]或組織特異性表達(dá)[20]。在芥菜型油菜Brassica juncea中表達(dá)巴西固氮螺菌Azospirillum brasilense的酰基載體蛋白，提高了葉片中C18:3的含量和種子中脂肪酸 C18:1和 C18:2的含量，并提高了種子中不飽和脂肪酸(C18:1)/飽和脂肪酸以及亞油酸(C18:2)/亞麻酸(C18:3)的比值，降低了芥酸(Erucic acid，C22:1) 的含量[21]。

KAS Ⅲ催化 acetyl-CoA和 malonyl-ACP形成4:0-ACP，KAS I催化4:0-ACP延長形成16:0-ACP，KAS II催化16:0-ACP延長形成18:0-ACP。KAS II和 KAS III表達(dá)水平的改變可以引起植物種子含油量和脂肪酸組成的改變。Dehesh等[22]在油菜中過量表達(dá)萼距花Cuphea hookerianaWalp.的KAS Ⅲ基因，提高了油菜種子中16:0軟脂酸的含量，同時伴隨著脂肪合成速率和種子含油量的降低，這暗示著植物體內(nèi)KAS Ⅲ活性的提高導(dǎo)致FAS復(fù)合體活性的變化。利用RNAi技術(shù)降低擬南芥中KAS II的表達(dá)可以顯著提高16:0軟脂酸含量，轉(zhuǎn)基因后代在胚胎發(fā)育早期有致死現(xiàn)象，成活的植株種子中軟脂酸含量可達(dá)到53%[23]。

不同的脂酰-ACP硫酯酶對脂酰鏈長度具有選擇偏好，月桂樹和椰子中的硫酯酶對12:0-ACP具有偏好，因此，通過基因工程的方法可以在植物中富集具有重要工業(yè)價值的中鏈脂肪酸。將月桂樹和椰子中的硫酯酶基因轉(zhuǎn)入油菜，轉(zhuǎn)基因油菜籽中月桂酸含量達(dá)到40%[24]。

1.2 不飽和脂肪酸的合成途徑和基因工程

植物體內(nèi)飽和脂肪酸可在去飽和酶的作用下形成不飽和脂肪酸，包括棕櫚油酸和油酸等單不飽和脂肪酸及亞油酸和亞麻酸等長鏈多聚不飽和脂肪酸。

1.2.1脂肪酸去飽和酶

棕櫚油酸和油酸分別由軟脂酸和硬脂酸在 ?9-脂肪酸去飽和酶的催化下在碳鏈的第9和第10位碳之間引入雙鍵而形成。單不飽和脂肪酸可進(jìn)一步形成多不飽和脂肪酸，如油酸在?12脂肪酸去飽和酶的催化下形成亞油酸，亞油酸在ω3 ?15-和 (或) ω6?6-脂肪酸去飽和酶的催化下可分別形成 α-亞麻酸和(或)γ-亞麻酸 (圖2)。植物脂肪酸去飽和酶可分為脂酰-ACP去飽和酶 (Acyl-ACP desaturase) 和脂酰-脂去飽和酶 (Acyl-lipid desaturase) 兩類。脂酰-ACP去飽和酶存在于植物細(xì)胞質(zhì)體的基質(zhì)中，以脂酰-ACP為底物催化飽和脂肪酸形成單不飽和脂肪酸。脂酰-脂去飽和酶存在于植物細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和葉綠體膜上，以甘油酯中酯化的脂肪酸為底物進(jìn)行去飽和反應(yīng)。

圖2 脂肪酸去飽和過程示意圖[25]Fig.2 Pathway of fatty acid desaturation[25].

1.2.2脂肪酸去飽和酶的基因工程

?9-硬脂酸去飽和酶和 ?12-油酸去飽和酶是脂肪酸去飽和途徑的關(guān)鍵酶。?9-硬脂酰 ACP去飽和酶催化18碳的硬脂酸轉(zhuǎn)變?yōu)橛退?，反義抑制油菜中硬脂酸-ACP去飽和酶基因，不同轉(zhuǎn)基因株系種子中硬脂酸含量從2%到40%之間不等[26]。抑制油菜中的?12-油酸去飽和酶基因可將油菜中油酸的含量提高到89%[27]。利用RNAi的方法抑制棉花中的?9-硬脂酰ACP去飽和酶，可使棉籽中硬脂酸含量從2%～3%提高到40%；抑制ω6途徑上的?12去飽和酶，將油酸含量從對照的15%提高到77%；同時，軟脂酸含量在高硬脂酸和高油酸轉(zhuǎn)基因株系中明顯降低[28]。同樣，抑制大豆中?12-油酸去飽和酶，使大豆油酸含量從不到10%提高到86%[29]。

調(diào)節(jié) γ-亞麻酸的組成也是脂肪酸基因工程的重要目標(biāo)，?6-脂肪酸去飽和酶在其中起到關(guān)鍵作用。在煙草中過量表達(dá)藍(lán)藻的 ?6-脂肪酸去飽和酶可導(dǎo)致γ-亞麻酸的積累。玻璃苣Borago officinalisL. ?6-脂肪酸去飽和酶在煙草中表達(dá)，轉(zhuǎn)基因煙草葉中 γ-亞麻酸含量達(dá)到總脂肪酸含量的3.2%[30]。

ω-3系列多不飽和脂肪酸主要包括 α-亞麻酸、二十碳五烯酸 (EPA，20:5)、二十二碳六烯酸(DHA，22:6)，對人體正常的發(fā)育具有重要功能并有減輕心臟病風(fēng)險的特殊作用。近年來，這些多不飽和脂肪酸的需求日益增加，目前人們主要通過從深海魚類中提取這些脂肪酸，這不僅嚴(yán)重破壞了生態(tài)平衡，且費(fèi)用日益增長。?15脂肪酸去飽和酶是亞油酸轉(zhuǎn)化成 ω-3系列多不飽和脂肪酸的關(guān)鍵酶，十八碳四烯酸 (SDA) 是 ω-3類長鏈多不飽和脂肪酸的前體，在人體內(nèi)易轉(zhuǎn)化成 EPA和 DHA，將玻璃苣中的 ?6-脂肪酸去飽和酶和擬南芥中的 ?15脂肪酸去飽和酶共同轉(zhuǎn)入大豆，可以使大豆中SDA含量提高到脂肪酸總量的 29%以上，ω-3類多不飽和脂肪酸含量高達(dá)60%[31]。將真菌Fusarium moniliforme中的?12/15雙功能脂肪酸去飽和酶轉(zhuǎn)入大豆，轉(zhuǎn)基因 T1代種子中 α-亞麻酸/亞油酸的比值大大提高，最高的達(dá)到對照的7倍[25]，高水平α-亞麻酸的積累為EPA和DHA等脂肪酸合成提供了充足的前體。在微生物Acanthamoeba castellanii中克隆的?12/15雙功能去飽和酶能使酵母中積累罕見的十六碳三烯酸 (16:3?(9,12,15) ω-1)，進(jìn)而可以積累只在深海微生物中報(bào)道過的十六碳四烯酸[32]，這對闡明脂肪酸脫氫酶系的進(jìn)化具有重要意義。

1.3 三酰甘油組裝酶及其基因工程研究進(jìn)展

1.3.1三酰甘油組裝酶系

利用貯存在胞質(zhì)中的?；鵆oA池，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上通過 3種不同的?；D(zhuǎn)移酶的作用合成三酰甘油(Triacylglycerol，TAG)，這3種酶分別是作用于sn-1位置上的甘油 3-磷酸?；D(zhuǎn)移酶 (Glyceral 3-phosphate acyltransferase，GPAT)、作用于sn-2位置上的溶血磷脂酸?；D(zhuǎn)移酶 (Lysophosphatidic acid acyltransferase，LPAT) 和作用于sn-3位置上的二酰甘油酰基轉(zhuǎn)移酶 (Diacyl-glycerol acyltransferase，DGAT)[33]。三種?；D(zhuǎn)移酶常具有對脂肪酸的選擇性，飽和脂肪酸通常位于三酰甘油的 Sn-1和 Sn-3的位置上，Sn-2的位置上通常被不飽和脂肪酸占據(jù)。

1.3.2三酰甘油組裝酶的基因工程

研究表明，在擬南芥中過量表達(dá)紅花和大腸桿菌的GPAT基因可以增加種子含油量和種子重量，含油量可增加 8%～29%[34]。在擬南芥和油菜中過量表達(dá)酵母的LPAT基因，種子含油量提高了8%～48%，同時增加了長鏈脂肪酸的比例和含量[35]。椰子中含有高水平月桂酸，月桂酸在椰子中三酰甘油的3個位置均能找到。將從椰子果分離的LPAT基因和從加利福尼亞月桂樹獲得的硫酯酶基因在菜籽中共同表達(dá)會使菜籽油中月桂酸含量提高到70%[36]。近年來，隨著全基因組序列的獲得，在擬南芥中至少發(fā)現(xiàn)了9個類型的GPAT[37]和9個類型的LPAT[38]基因，它們雖然基本功能相似，但分別作用于不同的底物，表達(dá)特性和亞細(xì)胞定位差異非常大，這與磷脂廣泛參與細(xì)胞構(gòu)架和各種生命代謝相關(guān)，人們試圖尋找與儲藏類三酰甘油合成密切相關(guān)的 GPAT和LPAT類型。利用種子特異性啟動子在擬南芥中過量表達(dá)油菜的兩種微粒體 (Microsomal)LPAT基因，其轉(zhuǎn)基因后代種子的重量和脂肪酸含量分別較對照平均增加 6%和 13%[38]。DGAT催化TAGs合成的最后一步反應(yīng)，通過圖位克隆的方法從高油玉米中分離到一個DGAT1-2蛋白，其469位置上苯丙氨酸的插入導(dǎo)致含油量的增加，在常規(guī)玉米中表達(dá)此基因可使含油量提高41%，使油酸含量提高107%[39]。Ohlrogge和Jaworski認(rèn)為在TAG合成中存在一個供需調(diào)節(jié)關(guān)系[40]，脂肪酸作為“供方”，而提高三酰甘油組裝酶的活性即提高了需求，從而大幅提高種子含油量。芯片分析表明，DGAT的過量表達(dá)不僅引起TAG生物合成的改變，同時引起種子發(fā)育過程中其他基因轉(zhuǎn)錄水平和激素水平的改變[41]。

另外，通過抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEP) 基因的表達(dá)，減少用于蛋白質(zhì)合成的碳源，使更多的光合作用產(chǎn)物用于脂肪酸合成，也可以提高種子含油量。陳錦清等[42]通過反義抑制油菜PEP基因的表達(dá)，成功獲得多個籽粒含油量比受體品種提高25%以上的轉(zhuǎn)基因油菜新品種，蛋白質(zhì)含量與油脂含量呈顯著負(fù)相關(guān)。線粒體型丙酮酸脫氫酶復(fù)合體 (PDC) 可將丙酮酸轉(zhuǎn)化成脂肪酸合成的底物乙酰輔酶 A，而丙酮酸脫氫酶復(fù)合體激酶 (PDHK)是 PDC的負(fù)調(diào)控因子，利用反義 RNA方法降低PDHK的活性，減少其對PDC的抑制作用，可提高丙酮酸轉(zhuǎn)化成乙酰輔酶A的能力，最終能顯著提高轉(zhuǎn)基因植物種子的含油量[43]。TAG在細(xì)胞中的最終儲存場所是油體，這個細(xì)胞中最小的細(xì)胞器由油體蛋白和磷脂單分子層包圍三酰甘油組成。研究表明，抑制油體蛋白的表達(dá)可使油體體積增大，導(dǎo)致油脂含量的降低[44]。對油菜栽培種中低油和高油品種的油體分析表明，高油品種的油體體積普遍小于低油品種的油體體積，且在種子發(fā)育早期、成熟和萌發(fā)不同時期有不同的表現(xiàn)[45]。

2 影響種子含油量的調(diào)控因子

近年來，隨著模式植物功能基因組學(xué)的發(fā)展和突變體庫的構(gòu)建，植物種子發(fā)育過程的分子機(jī)制逐漸被闡明。最近的研究表明，影響種子發(fā)育的系列轉(zhuǎn)錄因子同時影響著種子中油分和蛋白的積累。LEC1、LEC2、ABI3以及FUS3等轉(zhuǎn)錄因子在種子發(fā)育和物質(zhì)積累過程中起關(guān)鍵作用，它們處于調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的上游，控制著植物發(fā)育的多項(xiàng)生物過程。這些基因的突變、過量表達(dá)或異位表達(dá)對植物的生長發(fā)育往往是致命的，或?qū)е律L發(fā)育的嚴(yán)重異常。對這些基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理的研究，在理論和實(shí)踐上具有重要意義。

LEC1(Leafy Cotyledon 1)編碼CCAAT-Box結(jié)合因子HAP3的一個亞基，LEC1基因控制胚胎發(fā)育過程中的多個方面，是胚胎發(fā)育過程中關(guān)鍵調(diào)控因子。在胚胎發(fā)育早期 LEC1維持胚柄細(xì)胞的特性以及子葉的特性，而在胚胎發(fā)育的后期LEC1基因的表達(dá)與儲藏物質(zhì)的積累、胚抗脫水性的獲得等種子成熟過程相關(guān)。在lec1突變體或野生型擬南芥中過量表達(dá)LEC1基因，導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因后代幼苗畸型，幼苗的葉片上發(fā)現(xiàn)胚狀體[46]。過量表達(dá)擬南芥LEC1基因可影響其他轉(zhuǎn)錄因子，如 ABI3、FUS3和WRINKLED1等，提高脂肪酸合成相關(guān)基因表達(dá)的整體水平，引起脂肪酸和油脂含量的提高[47]。LEC2是含有B3結(jié)構(gòu)域的DNA結(jié)合蛋白家族成員之一，與LEC1相似，LEC2控制著植物種子發(fā)育過程的多個方面。LEC2活性的提高可促進(jìn)LEC1、FUS3和ABI3基因的表達(dá)，異位表達(dá)FUS3可以促進(jìn)脂肪酸生物合成相關(guān)基因的表達(dá)[48]，而對LEC2的誘導(dǎo)表達(dá)可促進(jìn)葉子中儲藏油的積累[49]，這可能是因?yàn)長EC2間接調(diào)控了FUS3的表達(dá)引起的。WRINKLED1編碼一個AP2/EREB結(jié)構(gòu)域蛋白，35S啟動子驅(qū)動WRI1的cDNA在擬南芥中過表達(dá)，在T4代轉(zhuǎn)基因株系中，種子油分含量提高 10%～20%，且產(chǎn)量沒有受到轉(zhuǎn)基因的影響[50]。芯片和 RT-PCR結(jié)果表明，WRI1直接調(diào)控糖酵解和脂肪酸代謝過程的基因[51-53]，而LEC2和LEC1均是影響WRI1表達(dá)的上游基因[50,52]。根據(jù)當(dāng)前的研究，在調(diào)控種子含油量的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中LEC1、LEC2、FUS3和ABI3都起著重要的作用。而這4個轉(zhuǎn)錄因子均受到植物激素 (生長素、ABA、GA) 的影響，同時調(diào)控下游的WRI1、ABI5和AGL15等轉(zhuǎn)錄因子[54]。

GLABRA2是一種同源盒蛋白 (Homeobox protein)，維持毛狀體 (Trichome)和根毛的正常發(fā)育，擬南芥GLABRA2基因突變體種子中含油量較野生型提高了 8%，而在植物生長發(fā)育和種子的大小方面無顯著差異。GLABRA2基因的突變沒有改變胚發(fā)育過程中LEC1和PICKLE的表達(dá)，但引起38個轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄活性的降低[55]。

將大豆Dof4和Dof11轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)入擬南芥，引起轉(zhuǎn)基因種子含油量的提高和千粒重的增加，兩種蛋白分別提高了乙酰輔酶A羧化酶和長鏈乙酰輔酶A合成酶的活性并能引起儲藏蛋白基因表達(dá)下調(diào)，從而將能量流向脂肪酸合成的方向轉(zhuǎn)變[56]。

3 展望

植物油不僅是人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?，還是能量聚集的自然平臺，在自然界碳能源過度開采的今天，植物油是能源的可能替代品之一[57]。植物種子是植物油的主要來源，改良植物種子脂肪酸組成和提高含油量是油料作物研究的永恒課題。

以往的研究主要集中在植物脂肪酸合成途徑和三酰甘油合成途徑，研究表明，增強(qiáng)三酰甘油途徑中?；D(zhuǎn)移酶的表達(dá)比增強(qiáng)脂肪酸合成能更有效地提高含油量[58]，這其中蘊(yùn)含了“源庫”和“供需”的平衡關(guān)系，人們通過改變這些平衡，在增加種子含油量方面做出了許多有意義的嘗試。當(dāng)前主要油料作物種子含油量差別很大，例如同是來自豆科的大豆和花生含油量分別在20%和50%左右，但其脂肪合成途徑卻很相似。這啟示我們在漫長的植物進(jìn)化過程中，種子的脂肪合成效率發(fā)生了變化，這主要受種子發(fā)育期間基因調(diào)控的影響，近年來對種子發(fā)育上游轉(zhuǎn)錄因子的研究正在揭示這些問題，這對怎樣整體提高植物中油脂的轉(zhuǎn)化效率具有重要意義。

隨著基因組學(xué)和基因工程的發(fā)展，對不同生物脂肪酸組成和脂肪酸去飽和酶系的研究逐漸深入，通過特殊脂肪酸去飽和酶改良植物脂肪酸組成，進(jìn)而提高油料作物的經(jīng)濟(jì)附加值成為可能，這將成為作物脂肪酸改良的重要發(fā)展方向。但要做到不影響植物生長和脂肪的儲藏加工，才能真正應(yīng)用到生產(chǎn)中去。

我國主要的油料作物有大豆、花生、油菜和向日葵等，其中花生出油率較高，達(dá)到50%以上，是經(jīng)濟(jì)實(shí)用的油料作物。我國50%的花生用來榨油，所以高含油量的花生育種十分重要。同時，作為食用油的重要來源，其脂肪酸成分和保健功能越來越受到人們的重視。我們在構(gòu)建花生栽培品種魯花14未成熟籽粒全長cDNA文庫的基礎(chǔ)上，利用同源克隆和 RACE等方法系統(tǒng)克隆了花生脂肪酸合成途徑乙酰輔酶 A羧化酶和脂肪酸合酶復(fù)合體的關(guān)鍵基因[11,59]，三酰甘油合成基因GPAT、LPAT和DGAT，油脂含量的重要調(diào)控基因LEC1[60]、FUS3和WRI1等；對這些基因的多樣性、基因結(jié)構(gòu)、表達(dá)特性進(jìn)行了研究，并在模式植物中驗(yàn)證其功能，為通過這些基因進(jìn)一步調(diào)控油料作物中油脂含量和脂肪酸組成奠定了良好的基礎(chǔ)。

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Improving fatty acid composition and increasing triacylglycerol content in plants by gene engineering: a review

Han Xia, Xingjun Wang, Mengjun Li, and Han Xiao

High-Tech Research Center,Shandong Academy of Agricultural Sciences,Key Laboratory of Crop Genetic Improvement and Biotechnology,Huanghuaihai,Ministry of Agriculture,Key Laboratory for Genetic Improvement of Crop,Animal and Poultry of Shandong Province,Ji’nan250100,China

Received:January 20, 2010;Accepted:April 19, 2010

Supported by:National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (No. 2006AA10A114), Natural Science Foundation of Shandong Province, China (No. Y2008D44), Foundation for Excellent Young Scientists of Shandong Province, China (No.2006BS06008), Technology Innovation Foundation of Shandong Academy of Agricultural Sciences and Shandong Personnel Management Office Program (No. 2007YCX001).

Corresponding author:Xingjun Wang. Tel: +86-531-83179470; Fax: +86-531-83178156; E-mail: xingjunw@hotmail.com

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 (863計(jì)劃) (No. 2006AA10A114)，山東省自然科學(xué)基金 (No. Y2008D44)，山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家獎勵基金(No. 2006BS06008)，山東省人事廳和山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新基金 (No. 2007YCX001) 資助。