轉(zhuǎn)基因科普系列
——轉(zhuǎn)基因技術提高大豆油脂品質(zhì)＊

邊 妙，郭 葳，周新安，矯永慶

（中國農(nóng)業(yè)科學院油料作物研究所/農(nóng)業(yè)部油料作物生物學與遺傳發(fā)育重點實驗室，武漢 430062）

大豆是中國重要的油料作物，是食用油和植物蛋白的重要來源[1]。中國是大豆的原產(chǎn)地，早在五千年前就已經(jīng)開始種植大豆[2]。1938年，中國的大豆產(chǎn)量占世界大豆總產(chǎn)量的90%以上[3]。隨著居民消費水平的不斷提高，大豆加工業(yè)快速發(fā)展起來，而大豆種植面積逐漸減少，中國開始進口大豆。1996年，中國的大豆進口量已經(jīng)超過出口量。2017年，中國進口大豆已經(jīng)達到9 554萬噸，這相當于當年世界大豆總產(chǎn)量的26.7%，對外依存度高達87%。多年來中國大豆需求依賴進口，主要有三個原因：首先，中國耕地面積減少，大豆種植面積也減少；其次中國大豆生產(chǎn)條件差、單產(chǎn)低；再次，中國大豆含油量低、油脂品質(zhì)低。含油量低和油脂品質(zhì)低也對產(chǎn)量提出了更高的要求。轉(zhuǎn)基因大豆是中國進口大豆的主要類型，其含油量比國產(chǎn)大豆高1.5%～2%，而且種植成本低，外觀和整齊度較好。這些優(yōu)點使得國內(nèi)企業(yè)傾向于使用轉(zhuǎn)基因大豆以提高加工效益降低加工成本[4]。

大豆平均含油量約為20%，較油菜（約40%）花生（約50%）和芝麻（約60%）等其他油料作物含油量低。大豆油脂的主要成分是脂肪酸，包括棕櫚酸（10%）、硬脂酸（4%）、油酸（18%）、亞油酸（55%）和亞麻酸（13%）[5]。棕櫚酸和硬脂酸是飽和脂肪酸，油酸是單不飽和脂肪酸，亞油酸和亞麻酸是多不飽和脂肪酸[6]。多不飽和脂肪酸含量高影響油脂的氧化穩(wěn)定性，使油脂在貯存過程中發(fā)生酸敗，產(chǎn)生不良氣味。飽和脂肪酸含量高不利于人體健康，容易引發(fā)高血壓等心腦血管疾病。油酸性質(zhì)穩(wěn)定并具有預防心腦血管疾病的作用[7]。大豆脂肪酸組成和其他油料作物（油菜、花生、芝麻、玉米等）相比，油酸含量低而且多不飽和脂肪酸含量高[8]。所以大豆油脂性狀的遺傳改良主要集中在提高含油量、提高油酸含量和降低多不飽和脂肪酸方面。油脂性狀是多基因控制的性狀，傳統(tǒng)育種方法在改良數(shù)量性狀方面有局限。轉(zhuǎn)基因技術與傳統(tǒng)育種方式相比，具有時間短、效率高、針對性強、可以打破種屬間雜交不親和的優(yōu)點。利用轉(zhuǎn)基因技術對大豆油脂合成相關基因進行操作可以加速常規(guī)育種進程，突破育種瓶頸，提高大豆油脂品質(zhì)。

1 轉(zhuǎn)基因技術驗證油脂代謝相關基因的功能

植物的油脂合成是多基因參與的復雜生物過程，主要包括脂肪酸合成、三酰甘油的合成、油體的形成三個過程。多年研究通過轉(zhuǎn)基因技術在擬南芥、油菜、棉花、玉米等植物上驗證了多個油脂代謝相關基因的功能。這些基因主要有三類：轉(zhuǎn)錄因子、油脂合成相關酶基因和油體形成相關基因。主要轉(zhuǎn)錄因子有WRI1（WRINKLED1）[9]、LEC1（LEAFY COTYLEDON1）[10]、LEC2（LEAFY COTYLEDON2）、FUS3（FUSCA 3）、ABI3（ABSCISSIC ACIDINSENSITIVE 3）[11]、DOF4、DOF11[12]等；Wrinkled轉(zhuǎn)錄因子屬于AP2家族，是從擬南芥中首先克隆。基因突變體種皮皺縮，蔗糖和葡萄糖含量減少，含油量降低。研究表明WRI1調(diào)控糖酵解和脂肪酸合成過程，在擬南芥中過表達該基因可以提高含油量[13]。LEC1是脂肪酸合成的關鍵調(diào)節(jié)基因，過表達該基因可以提高糖酵解和脂肪酸合成酶等相關基因的表達。LEC1對脂肪酸合成的調(diào)節(jié)部分依賴ABI3、FUS3和WRI1，在擬南芥中過表達兩個油菜LEC1類似基因可以提高脂肪酸含量[14]。LEC2對脂肪酸合成的調(diào)控是通過WRI1實現(xiàn)的，從而調(diào)控糖酵解、脂肪酸合成、生物素和硫辛酸等生物過程[15]。油脂合成相關酶基因包括DGAT2[16]、FAD2[17]、FAD3[18]、KAS I[19]、KAS II[20]等。DGAT是二酯酰甘油?；D(zhuǎn)移酶，催化脂肪酸?；投８视蜕扇８视?。在擬南芥中首先證明過表達該基因提高了含油量，在油菜和玉米等作物中也有相似報道[21-23]。脂肪酸脫氫酶FAD2催化油酸脫氫形成亞油酸，是首先從擬南芥中克隆得到的。轉(zhuǎn)基因技術在棉花和油菜等作物中驗證了抑制該基因的表達可以提高油酸含量[24-26]。Liu等利用基因沉默技術在棉花中降低ghSAD-1和ghFAD2-1的表達量，后代中硬脂酸和油酸含量得到了提高[25]。油體相關基因主要有Oleosin[27]、Caleosin[28]和 Steroleosin[29]等。Oleosin 是油體單層磷脂膜上主要的蛋白，Siloto等通過RNA干擾的方法抑制擬南芥中OLEO1基因的表達，結(jié)果表明后代胚中的油體增大、種子含油量降低、脂肪酸組成改變[27]。

2 轉(zhuǎn)基因技術提高大豆含油量

轉(zhuǎn)基因技術對含油量的提高主要是通過轉(zhuǎn)基因技術提高油脂合成過程中的相關基因的表達量實現(xiàn)的。Chen等通過RACE技術在未成熟大豆種子中得到轉(zhuǎn)錄因子GmWRI1a并將其在大豆中過表達，結(jié)果顯示轉(zhuǎn)基因后代含油量比對照提高8%以上，油酸和亞油酸的含量也顯著提高了[30]。酵母鞘脂補償基因SLC1有溶血磷酸酯轉(zhuǎn)移酶活性，該基因已經(jīng)被證實在擬南芥和油菜中都提高了含油量。Rao等將SLC1轉(zhuǎn)入大豆體細胞胚中，后代轉(zhuǎn)基因植株含油量比對照提高了1.5%～3.2%[31]。Wang等將芝麻的SiDGAT1基因轉(zhuǎn)入大豆中，轉(zhuǎn)基因后代含油量提高了1.39%以上。轉(zhuǎn)基因后代的脂肪酸組成沒有改變，種子變大[32]。Lardizabal等將土壤拉曼毛霉的二脂酰甘油酰基轉(zhuǎn)移酶基因DGAT2A轉(zhuǎn)入大豆中，將含油量提高了1.5%，并且對蛋白質(zhì)含量和產(chǎn)量沒有影響[33]。

3 轉(zhuǎn)基因技術提高大豆油酸含量

油酸是由硬脂酸脫氫形成，通過再次脫氫過程形成亞油酸。轉(zhuǎn)基因技術提高油酸含量主要是通過抑制催化油酸脫氫過程中的FAD2基因的表達實現(xiàn)的。在提高大豆油酸含量方面，Zhang等通過反義RNA技術抑制GmFad2-1b的表達，使油酸含量提高了51.71%，棕櫚酸下降到3%以下[34]。Yang等通過RNAi介導的轉(zhuǎn)錄后基因敲除技術抑制Gm-FAD2-1B的表達，轉(zhuǎn)基因大豆的油酸含量提高了60%，亞油酸和亞麻酸含量也相應減少，農(nóng)藝性狀、含油量和蛋白質(zhì)含量沒有改變[35]。孟山都公司在2011年通過抑制FAD2-1和棕櫚酰硫酯酶基因FatB的表達得到轉(zhuǎn)基因材料MON 87705，該材料油酸含量高并且飽和脂肪酸的含量低[36]。杜邦公司在2008年利用轉(zhuǎn)基因技術培育出高油酸大豆品種DP-305423-1，該品種的油酸在種子中的含量比普通品種平均提高了56.6%，而且已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)[36]。杜邦先鋒公司2010獲準在美國種植轉(zhuǎn)基因高油酸大豆Plenish。該品種油酸含量大于75%，產(chǎn)出的大豆油是健康的食用油[6]。2014年我國農(nóng)業(yè)部也已經(jīng)批準Plenish進入中國市場。

4 轉(zhuǎn)基因技術降低大豆亞麻酸含量

亞麻酸是多不飽和脂肪酸，性質(zhì)不穩(wěn)定，極易氧化。降低亞麻酸含量可以提高油的氧化穩(wěn)定性，是大豆油脂品質(zhì)改良的方向之一。FAD3催化亞油酸脫氫形成亞麻酸，通過轉(zhuǎn)基因技術抑制FAD3的表達可以降低亞麻酸的含量。FAD3在大豆基因組中有3個活性拷貝，F(xiàn)lores等利用從FAD3基因家族的保守區(qū)域獲得的siRNA使的GmFAD3表達量降低。轉(zhuǎn)基因后代亞油酸含量上升，亞麻酸含量降到3.1%以下，而且可以穩(wěn)定遺傳，對萌發(fā)、發(fā)育和產(chǎn)量沒有影響[37]。

我國大豆市場逐漸被國外轉(zhuǎn)基因大豆占領，但是國內(nèi)的轉(zhuǎn)基因大豆還沒有進入商業(yè)化生產(chǎn)階段。隨著生物技術的進步，轉(zhuǎn)基因技術驗證了油脂合成相關基因的功能，利用轉(zhuǎn)基因手段提高大豆油脂品質(zhì)已經(jīng)成為可能。目前轉(zhuǎn)基因技術對油脂合成相關基因進行操作已經(jīng)被用于提高大豆含油量、提高油酸含量、降低亞麻酸含量等油脂品質(zhì)性狀的研究中，而且已經(jīng)有高油酸大豆商業(yè)化生產(chǎn)的應用。加快轉(zhuǎn)基因技術在大豆油脂性狀的遺傳改良研究和應用對我國大豆油脂品質(zhì)育種和生產(chǎn)有重要意義。