類黃酮對油菜脂肪酸積累的影響及其分子機(jī)制

嚴(yán)濤，玄立杰，蔣立希

（浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，杭州310058）

植物油是人類生命活動所需要的基本營養(yǎng)物質(zhì)之一，與我們的日常生活息息相關(guān)。常用的植物油主要有大豆油、菜籽油、橄欖油、花生油、葵花籽油等，不同植物油的脂肪酸組分不同，其營養(yǎng)價值也不同。油菜（Brassica napus L.）作為世界上廣泛種植的油料作物，在油用作物中具有十分重要的地位。據(jù)估計(jì)，2016年我國油菜種植面積達(dá)到710萬hm2，尤其在長江流域有較大的種植面積；菜籽油作為4大食用油之一，占植物油供給總量的55%以上[1]。但與此同時，我國油菜生產(chǎn)面臨著種植面積不斷減小、廣適高抗強(qiáng)優(yōu)品種缺乏等一系列問題[2]，其中最突出的問題是我國油菜籽含油量比世界上其他國家明顯偏低。我國大部分油菜主栽品種的種子含油量大約為41%，比德國、加拿大等國家的油菜籽含油量低3～5個百分點(diǎn)，這直接導(dǎo)致了我國油菜籽在植物油加工市場上競爭力不足。因此，大幅度提高我國油菜籽含油量是解決我國植物油供需不平衡、改變嚴(yán)重依賴進(jìn)口現(xiàn)狀的突破口。

影響油菜種子含油量的因素有很多，其中在油菜種子油脂積累過程中，類黃酮是影響油菜種子含油量尤其是脂肪酸組分的重要因素。高通量轉(zhuǎn)錄組測序分析發(fā)現(xiàn)，涉及類黃酮及脂肪酸合成的基因表達(dá)水平在種子成熟過程中發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致油菜種子中的油酸（C18:1）顯著降低，亞油酸（C18:2）和α-亞麻酸（C18:3）顯著增加[3]。這說明參與類黃酮生物合成調(diào)控的基因也會調(diào)控油菜種子脂肪酸的合成積累[3]。本文將著重介紹近年來有關(guān)類黃酮與脂肪酸含量的相關(guān)性及其分子機(jī)制的最新研究進(jìn)展。

1 種子中的油脂代謝

脂類物質(zhì)是細(xì)胞膜的重要組成成分，具有信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、膜蛋白運(yùn)輸與定位和能量貯存等生物學(xué)功能[4]。三酰甘油（triacylglycerols,TAG）是種子油脂的主要形式，與油體蛋白一起構(gòu)成油滴（oilbody）；三酰甘油水解形成游離態(tài)脂肪酸，在種子細(xì)胞中不能穩(wěn)定存在[5-6]。在植物細(xì)胞中，脂肪酸的合成起始于細(xì)胞質(zhì)中的乙酰輔酶A（AcCoA），在乙酰輔酶A羧化酶（HtACCase）的催化作用下生成丙二酰輔酶A[7]；之后在丙二酰輔酶A轉(zhuǎn)移酶的作用下，將丙二酰基轉(zhuǎn)移到?；d體蛋白（acyl carrier protein,ACP）上，為脂肪酸碳鏈的延伸提供碳原子[8]，然后在脂肪酸合成酶復(fù)合體（fatty acid synthase,FAS）的作用下完成聚合反應(yīng)，每次反應(yīng)結(jié)束得到增加2個碳原子的?；兼湣Ｅc此同時，?；兼溣峙cACP結(jié)合，重復(fù)上述反應(yīng)直至形成16:0-ACP和18:0-ACP，然后脂肪酸被運(yùn)輸?shù)絻?nèi)質(zhì)網(wǎng)中進(jìn)行碳鏈的延長和脫飽和，最后生成三酰甘油（TAG）[9-11]。TAG是植物體內(nèi)脂肪酸的主要存在形式，彼此之間不能夠聚合存在，而是以微滴的形式穩(wěn)定分散于細(xì)胞內(nèi)，即為油滴（圖1）[12]。

植物體內(nèi)脂肪酸的去飽和是在脫飽和酶的作用下完成的，存在于植物體內(nèi)的不飽和脂肪酸主要為油酸（C18:1）、亞油酸（C18:2）和亞麻酸（C18:3）。油酸的脫飽和可以分為2部分，首先在脂肪酸去飽和酶（fatty acid desaturase,FAD）的作用下生成亞油酸（C18:2），之后繼續(xù)在FAD的作用下生成亞麻酸（C18:3）。在質(zhì)體中，第1部分由FAD6催化完成，第2部分由FAD7和FAD8催化完成[13-14]。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，2部分依次由FAD2、FAD3催化完成。油菜種子中主要存在8種脂肪酸，分別為C16:0、C18:0、C18:1、C18:2、C18:3、C20:0、C20:1和C22:1[12]。

2 類黃酮的合成、調(diào)控與分布

圖1 植物成熟種胚中碳源代謝及TAG合成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[12]Fig.1 Simplified scheme of carbon metabolism leading to triacylglycerol synthesis in maturing plant embryos[12]

類黃酮作為自然界分布最廣泛的次級代謝產(chǎn)物之一，在植物的生長發(fā)育過程中扮演著重要角色。類黃酮可以幫助植物抵御逆境脅迫，比如：在紫外線照射下為植物提供保護(hù)，清除自由基[15-16]；提高種子貯藏能力，延長壽命[17]；改變花瓣顏色[18]；干擾生長素的極性分布[19]；影響脂肪酸的積累和組分[3]。

2.1 類黃酮的合成與調(diào)控

類黃酮可以分為黃酮醇、花青素、原花青素3部分，其合成過程[20]如圖2所示。首先，丙二酰輔酶A與肉桂酰輔酶A在查爾酮合酶（chalcone synthase,CHS）的作用下開始合成類黃酮，由于TT4（TRANSPARENT TESTA4）基因編碼CHS蛋白，因此TT4基因直接調(diào)控類黃酮合成；緊接著在TT5基因的作用下合成柚皮素（naringenin），然后在TT6和TT7的作用下合成黃酮醇。花青素和原花青素則是在其他一系列TT及TTG家族基因的作用下完成的。

類黃酮的合成是在多種酶的協(xié)調(diào)配合下完成的。到目前為止，17個與類黃酮合成轉(zhuǎn)運(yùn)和調(diào)控相關(guān)的蛋白已經(jīng)被鑒定，包括功能蛋白（DFR，CHS，CHI，F(xiàn)3H，LDOX，F(xiàn)LS1，ANR）、調(diào)控蛋白（TT1，TT2，TT8，TT16，TTG1，TTG2）及可能與類黃酮分區(qū)相關(guān)的蛋白（TT12，TT19，AHA10）。其中TT19編碼GST蛋白，該蛋白可以影響花青素和原花青素的合成，很可能參與原花青素在細(xì)胞質(zhì)中的轉(zhuǎn)運(yùn)[21]。

2.2 種子中類黃酮的分布

圖2 種子類黃酮合成示意圖[20]Fig.2 diagram of flavonoid biosynthetic pathway in seed[20]

類黃酮在大多數(shù)植物種子中都存在。在擬南芥（Arabidopsis thaliana L.）種子中僅有黃酮醇與原花青素的積累，其中黃酮醇在種胚與種皮中均存在。在成熟的擬南芥種子中，槲皮素-3-O-鼠李糖苷（quercetin-3-O-rhamnoside,Q-3-O-R）是黃酮醇的主要存在形式，而種子中90%的槲皮苷積累于種皮中。槲皮苷的形成需要以鼠李糖為底物，通過糖基化的作用形成。原花青素只存在于擬南芥種皮中，為胚乳和種胚提供保護(hù)[20]。在油菜種皮中原花青素的積累與擬南芥相似，同樣積累于油菜的內(nèi)種皮中，并以游離態(tài)與結(jié)合態(tài)2種形式存在[22]。

3 類黃酮對種子含油量的調(diào)控及機(jī)制

一直以來，黃籽油菜由于其高含油量和高品質(zhì)獲得了育種家們的高度關(guān)注[23-24]。有研究表明，擬南芥中黃籽含油量增多并非由單純的種胚比例增多導(dǎo)致，其胚中脂肪酸合成效率也同樣得到提高[11]。CHEN等[25]和WANG等[26]的研究表明，TT2和TT8基因可直接或間接調(diào)控脂肪酸合成基因的功能，從而提高胚中脂肪酸的合成效率。本節(jié)將從以下幾點(diǎn)來綜述類黃酮影響脂肪酸含量及其組分的作用機(jī)制。

3.1 類黃酮對種子脂肪酸形成的抑制作用

由于TT4是調(diào)控類黃酮合成的第一步，因此在tt4突變體中檢測不到類黃酮的存在，這也導(dǎo)致tt4突變體的種子呈黃色。研究表明，擬南芥TT家族突變體均具有含油量高的特點(diǎn)[26]，其中tt2和tt8突變體高含油量的機(jī)制已經(jīng)被初步闡明[27]。TTG1（TRANSPARENT TESTA GLABRA1）在種子發(fā)育過程中調(diào)控類黃酮的合成，包括主要存在于種皮中的原花青素；通過對ttg1突變體的研究發(fā)現(xiàn)，其種皮中由于原花青素含量相對較少，因而呈現(xiàn)相對較淺的顏色[21]。最近的研究表明，由SK11/12（SHAGGY-like kinases 11/12）介導(dǎo)的TTG1磷酸化會增強(qiáng)種胚中脂肪酸的合成，同時抑制種皮中黏液和類黃酮的合成，類黃酮通過與脂肪酸競爭合成底物進(jìn)而抑制脂肪酸的合成[28]。

3.2 類黃酮缺失對種子脂肪酸的影響

Gl2是黏液合成途徑中的一個重要轉(zhuǎn)錄因子。Gl2功能缺陷會引起種子黏液缺失，從而導(dǎo)致gl2突變體種子含油量顯著高于野生型；同時，gl2突變體中更多的鼠李糖被轉(zhuǎn)化為葡萄糖，然后轉(zhuǎn)運(yùn)至種胚中用于脂肪酸的合成[29]。槲皮素-3-O-鼠李糖苷是種子類黃酮的主要存在形式，超過90%的Q-3-O-R積累在種皮中[20]。也就是說，在種皮發(fā)育過程中需要大量的鼠李糖用于類黃酮與黏液的合成。TTG1的磷酸化會抑制TTG1與TT2的相互作用，進(jìn)而下調(diào)GLABRA2的表達(dá)，最終使得種胚中脂肪酸合成降低[28]。因此，類黃酮缺失會導(dǎo)致種子脂肪酸含量增加。

3.3 類黃酮通過影響生長素進(jìn)而調(diào)控脂肪酸積累

作為植物激素，生長素在植物的生長發(fā)育過程中具有多種作用。在植物體內(nèi)，生長素的合成主要是在TAA（TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE OF ARABIDOPSIS）及YUC（YUCCA）家族酶的作用下完成的[30]。黃酮醇可以通過與生長素極性輸出抑制劑萘基酞氨酸（naphthylphthalamic acid,NPA）競爭細(xì)胞膜結(jié)合位點(diǎn)，進(jìn)而影響生長素的極性運(yùn)輸[31]。質(zhì)膜極性定位的PIN（PIN-FORMED）蛋白家族在植物體內(nèi)介導(dǎo)生長素從細(xì)胞內(nèi)極性輸出。PIN家族蛋白可以與NPA相互作用，從而干擾胞內(nèi)生長素的極性輸出，在經(jīng)NPA處理的種胚中可以檢測到生長素含量上升[32]。在tt4突變體根部檢測到了增多的生長素運(yùn)輸，同時PIN家族基因的表達(dá)量發(fā)生變化[33]。通過體外胚珠培養(yǎng)方法對發(fā)育中的擬南芥種子進(jìn)行外施生長素或NPA處理，發(fā)現(xiàn)外源生長素與NPA可以促進(jìn)種子含油量的升高，結(jié)合生長素可以延緩衰老的特點(diǎn)，推測由于類黃酮的缺失引起生長素升高，進(jìn)而使種子有更多的時間和能量用于碳源的合成轉(zhuǎn)化，最后導(dǎo)致種子含油量的升高。因此，生長素在類黃酮對含油量的負(fù)調(diào)控過程中具有不可替代的作用[28]。

4 結(jié)語

類黃酮會抑制種子脂肪酸的積累。類黃酮的缺失引起莢果延緩衰老，使更多的碳源流入種胚中，增加的碳源刺激糖酵解途徑的發(fā)生，進(jìn)而產(chǎn)出更多的糖酵解中間產(chǎn)物。這些產(chǎn)物可能用于類黃酮、木質(zhì)素、氨基酸、脂肪酸等合成。但是，糖酵解產(chǎn)物并非均勻流入各個途徑中，而是更多地分配到脂肪酸合成途徑中。類黃酮作為最重要的次級代謝產(chǎn)物之一，通過對生長素等的調(diào)控，對種子中碳源分布進(jìn)行調(diào)控和重分配，進(jìn)而影響種子脂肪酸的合成與積累。在油菜育種中，我們期望能夠育成脂肪酸含量高的品種，而類黃酮的缺失一方面可以提高十字花科油籽的油脂積累，另一方面卻導(dǎo)致油菜抗逆性減弱[34]。因此，如何平衡類黃酮的正負(fù)功效，最大限度地發(fā)揮黃籽油菜的優(yōu)勢，是油菜育種和實(shí)際生產(chǎn)中的重要挑戰(zhàn)和機(jī)遇。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們越來越追求植物油的品質(zhì)，如何在保證含油量的同時提高植物油品質(zhì)也是今后育種工作者需要解決的問題。研究表明，參與類黃酮合成的基因也會調(diào)控脂肪酸組分的積累，進(jìn)而影響脂肪酸組分，當(dāng)類黃酮缺失或者合成減少時，油菜種子中的油酸（C18:1）含量顯著降低，亞油酸（C18:2）和α-亞麻酸（C18:3）含量顯著增加[3]。今后如何能夠在油菜現(xiàn)有碳源的基礎(chǔ)上對碳源進(jìn)行重分配，使得碳源更多地流入我們需要的營養(yǎng)物質(zhì)中，不失為一種提高油菜種子含油量的有效途徑。

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