提高植物營養器官含油量的研究進展

苗迎春+雷潔+牛蕾蕾

摘要：與油料種子相比，植物營養器官含油量很低。在進化過程中，葉演變為“源”器官，成為高度?；奶妓衔锖铣膳c輸出器官。關于能否運用現代轉基因技術，快速改造營養器官的功能，使之增強油合成與積累能力的問題，最近一些研究表明，在營養器官中異位表達參與種子油生產的關鍵基因能夠有效地提高營養器官的含油量。本文擬就這一方面的最近研究進展作一簡要綜述，以供植物脂類研究者參考。

關鍵詞：三酯甘油；脂肪酸；代謝途徑；營養器官；碳流量；目標基因

中圖分類號：Q946.4 文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2017）01-0001-04

植物油用途廣泛，不僅是食用油的主要來源，而且可用于肥皂、表面活性劑、化妝品、涂料、潤滑油以及生物柴油的生產。初步估計，食用油的消耗量在2030年之前將翻倍?；瘜W工業界還期望在20年后，植物油能取代40%的原油[1]，由此可見，植物油的需求量正在急劇增加。

種子、果實是植物油生產的主要場所，在過去的50年里，很多油料作物的產量得到了大幅度提高，年均遺傳增益達1%；同時，人們對種子中的油脂組分進行了有效改良，使之適用于不同的用途[2-3]。然而，研究者普遍認為，油料作物產油量的提高難以滿足植物油年需求量的增長。因此，探索與構建新型植物油生產的補充體系顯得十分必要。

在通常情況下，植物營養組織中的含油量很低，不足種子中的百分之一。然而，在某些逆境條件下或植物衰老過程中，葉片或莖稈中的含油量呈顯著增加的趨勢。這些事實說明，營養器官中也存在“產油機器”，且在某些特定條件下，其運轉效率可以得到加強。那么，能否將油料種子中的高效“產油機器”整合到植物營養器官中從而提高其產油能力呢？已知種子中油的生產涉及3個關鍵要素：（1）將光合產物有效地轉化為脂肪酸；（2）將脂肪酸有效地摻入到甘油骨架上；（3）降低脂肪酸的降解[4]。筆者將論述近年來在植物營養器官中異位表達控制上述過程的關鍵基因增強其產油量的研究進展。

1 提高用于脂肪酸合成的碳流量

在成熟葉片中，大約80%的光合產物以蔗糖的形式運輸到其他部位，提供植物生長與發育所需的碳源與能量[5]。剩余的碳源，一部分在葉綠體中轉化為淀粉，而淀粉則在夜間轉化為可溶性糖，還有一部分光合產物用于脂肪酸、極性甘油脂的合成[6-7]。

已有研究表明，在營養組織中過表達脂肪酸合成途徑中的關鍵酶基因或轉錄因子，能加速光合產物向脂肪酸的轉化以及油脂的合成[8]。丙二酰輔酶A是脂肪酸合成的重要前體，Klaus等發現，丙二酰輔酶A合成途徑中的限速酶——乙酰輔酶A羧化酶（ACCase）的過表達可使馬鈴薯（Solanum tuberosum）塊莖積累中性的三酰甘油（TAG）[9]。隨后，Mendoza等在擬南芥中過表達參與種子成熟和油脂積累調控過程的轉錄因子LEAFY COTYLEDON2（LEC2），發現在營養組織中積累了種子特異的mRNA，并且儲存性三酰甘油含量明顯增加[10]。與此一致的是，異位表達由35S強啟動子驅動的LEC2基因，可以有效提升擬南芥和煙草營養組織中的含油量[11]。但與此同時，幼苗出現體細胞胚胎發生（somatic embryogenesis）現象，且組織扭曲變形，影響轉基因植株的正常生長[12-13]。為解決這個問題，Kim等最近嘗試通過衰老誘導表達的方式，在擬南芥葉片中過表達LEC2基因，其結果是與野生型相比，轉基因植株的TAG含量增加了3倍，但未出現明顯的生長異常[14]。這充分說明，關鍵基因與合適啟動子的有機結合對操控植物營養組織中油脂的合成和積累至關重要。

與LEC2不同，WRINKLED1（WRI1）是主要參與調控脂肪酸及其前體合成的轉錄因子。WRI1在擬南芥、煙草葉片中過表達可顯著提高它們的TAG含量，且在葉片中積累種子特有的二十碳、二十二碳脂肪酸[15-16]。最近，Grimberg等利用轉錄組測序技術，在轉錄水平上比較分析了分別含有擬南芥、馬鈴薯（Solanum tuberosum）、楊樹（Populus trichocarpa）、燕麥（Avena sativa）和油莎草（Cyperus esculentus）WRI1基因的轉基因煙草，結果發現在上述煙草中，與磷酸烯醇式丙酮酸鹽、脂肪酸和TAG合成以及淀粉降解有關的基因的表達呈上調趨勢，而與光合作用、淀粉合成相關的基因表達呈下調趨勢。燕麥WRI1（AsWRI1）在煙草葉片中的過表達可使TAG含量達到71 nmol/mg[17]（圖1）。在單子葉禾本科模式植物二穗短柄草（Brachypodium distachyon）中過表達BdWRI1，可上調葉片中與糖酵解和脂肪酸合成有關的基因表達，同時使TAG含量增至對照的32.5倍[18]。

轉錄因子，可以有效改變碳水化合物的代謝流向，促使更多的光合產物轉化為油脂。相應地，通過抑制ADP-葡萄糖焦磷酸酶（AGPase）活性降低淀粉的合成可增強碳水化合物向脂肪酸的轉化[15]。此外，突變TGD1或RNAiMGD1，阻止脂肪酸轉運進入葉綠體用于類囊體膜脂構建，也能夠驅動營養器官內的TAG合成[19]。盡管這些間接手段也在一定程度上提升了營養組織內的油脂含量，但卻是以犧牲葉綠體功能作為代價的，因而在生產實踐中還有待進一步完善[20]。

2 提高營養組織中脂肪酸組裝到甘油骨架上的能力

種子中TAG的合成在內質網上進行，其合成能力與脂肪酸摻入到甘油骨架的效率相關[21]。在經典的Kennedy途徑中，3-磷酸甘油?；D移酶（GPAT）、溶血磷脂酸?；D移酶（LPAAT）和Acyl-CoA：二酰甘油?；D移酶（DGAT）分別將脂肪酸組裝到甘油的sn-1、sn-2和sn-3位置上。DGAT被公認為參與種子油脂合成的關鍵限速酶[22]，且發現衰老葉片中，此酶參與了TAG的合成[23]。因此，為了剖析營養組織中脂肪酸組裝到甘油骨架上的機制，一些研究致力于調查DGAT基因在組成型表達的啟動子（如35S）調控下對植物營養器官中油合成的影響。結果顯示，AtDGAT1基因在煙草幼苗中的過表達可使其TAG含量增至野生型的5.9倍[24]；而在轉基因葉片中，TAG含量高達野生型的7倍[25]。同時發現，AtDGAT1基因在煙草中的過表達可使莖稈中的TAG含量達到干質量的2.1%[12]（圖2）。另外，DGAT活性的增加促進了超長鏈脂肪酸在營養組織中的積累。當將萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的DGAT2基因在擬南芥中異源表達時，可發現轉基因擬南芥的葉片中產生的TAG含有二十二碳單烯酸、二十四碳酸等超長鏈脂肪酸[26]。

近10年的研究發現，磷脂：二酰甘油?；D移酶（PDAT）在TAG的合成中亦起著重要作用[27-28]。當源于葉綠體的脂肪酸被轉運到細胞質并經活化生成?；?CoA后，大部分用于磷脂酰膽堿（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）等磷脂的合成，它們可成為PDAT酶的底物，其中的脂肪?；杀晦D移到二酰甘油分子中形成TAG[26，29]。雖然在早前的研究中并未發現PDAT基因的敲除或過表達對擬南芥種子中的油脂含量和脂肪酸組分產生明顯的影響[30-31]，但是Fan的研究團隊最近發現，PDAT1基因在葉片中的脂肪酸合成和脂肪酸在“葉綠體-內質網”的分配調節中起到重要作用。PDAT1、Lipins和SUGAR-DEPENDENT1（SDP1）脂酶可協同促進脂肪酸的β-氧化，在維持膜脂的動態平衡中起著重要作用[19-20，32]。相應地，在sdp1突變體擬南芥中過表達PDAT1，可使葉片中TAG含量達到干質量的2.5%[19]（圖2）。

最近還有研究發現，源自小鼠（Mus musculus）的單酰甘油?；D移酶（MGAT）也可以用來改造植物營養組織中油脂的合成能力。在煙草幼苗中異源表達MmMGAT1和MmMGAT2基因，可使TAG含量達到野生型煙草的6～9倍[24]。

需要指出的是，一些脂肪?；D移酶（譬如PDAT）在營養組織中的作用在一定程度上有別于其在種子中的功能。因此，提高營養組織中油脂的合成，需要了解營養組織中脂肪酸組裝的特殊機制。同時，探究更多物種中?；D移酶基因的功能，對提高植物營養組織中油脂的合成能力并改善油脂的品質有重要的作用。

3 降低脂肪酸和TAG的降解

內質網上合成的TAG，經油體蛋白和單磷脂層的包裝，形成脂質體（lipid body）[33]。在植物細胞中，脂質體的形成與降解保持著動態平衡。在脂酶作用下脂質體中的TAG發生降解，釋放出游離脂肪酸，進入過氧化物酶體發生β-氧化[32]。抑制脂酶的活性，預計可以降低TAG的降解。在擬南芥的幼苗、根、莖中，編碼SDP1脂酶基因的敲除導致TAG含量增加10倍以上（與野生型擬南芥相比）[34]。

類似的，抑制與β-氧化相關的脂肪酸轉運過程可以提高營養器官中TAG的含量。已知哺乳動物中的COMPARATIVE GENE IDENTIFICATION-58 （CGI-58）可與過氧化物酶體的PEROXISOMAL ABC-TRANSPORTER1（PXA1）蛋白發生互作[35-36]。在擬南芥CGI58同源基因的突變體葉片中，TAG的含量增至干質量的0.03%～0.22%，同時亞油酸、亞麻酸等多不飽和脂肪酸含量升高[35，37]。而在擬南芥pxa1突變體中，葉片TAG含量增至干質量的0.03%～095%[34-35，38]。不過，CGI58、PXA1基因的功能同時喪失并不能進一步增加TAG含量[35]。另外，參與脂肪酸降解過程的CTS2、ACX1/2基因的突變亦可導致擬南芥葉片和幼苗中TAG含量升高[38-39]（圖3）。

4 多基因改造策略

植物體內某一代謝流的大小，通常不是由單一的酶促反應決定，而是取決于相關通路中的多個酶促反應的共同作用[5，40]。因此，要大幅提高營養組織的含油量，需要在植物營養器官中進行多基因的改造[21，41-43]。以模式植物擬南芥為例，在sdp1單突變體的根中，TAG含量約為根干質量的 0.32%；而在sdp1中過表達AtDGAT1可使根中TAG含量升至2.2%；若在其中共表達AtWRI1、AtDGAT1基因，TAG含量可達到干質量的8%[34]。類似的，在sdp1中共表達AtPDAT1、OLEOSIN1可使擬南芥葉片中TAG含量達到干質量的6.4%。而在tgd1突變體中共表達這2個基因，可使葉片TAG含量達到干質量的8.6%。令人驚訝的是，在擬南芥tgd1/sdp1雙突變體中，葉片TAG含量甚至可達干質量的 8.8%，相當于野生型對照的100倍[34]（圖4）。

與上述擬南芥營養器官中的多基因改造研究結果一致，在煙草中，運用RNAi手段抑制MGD1的功能，同時過表達AtDGAT1，可使葉片中的TAG含量達到葉干質量的1%[44]。2013年，在Vanhercke的實驗室，共表達AtDGAT1、AtWRI1基因使煙草葉片TAG含量增至干質量的2.5%[16]。2014年，他們的研究顯示，AtDGAT1、AtWRI1、OLEOSIN基因的共表達可以進一步提高煙草葉片的含油量，使TAG含量達到干質量的15.8%，這相當于相同種植面積下油菜產油量的10倍[45]。以上分析表明，對油合成、積累和降解過程中的關鍵調控基因進行協同改造，將會更有效地提高營養器官中的含油量，其效果明顯優于單基因改造。因此，在今后研究中，在考慮目的基因選擇和啟動子搭配的同時，應當注重基因組合的選擇[46]。

5 展望

由于植物油需求量的增加，提高營養器官含油量的探索性研究引起了廣泛關注，然而其可行性有待進一步調查。人們對葉片中光合產物流向和分配的改變而促進TAG合成所產生的后果，看法不一。目前的研究尚無法明確回答營養器官中TAG含量的大幅提高是否會嚴重影響植物的正常生長與發育。上述的探索性研究均是在實驗室條件下進行的，在田間環境條件下，上述試驗結果能否重現尚不得而知。還有，哪些關鍵基因組合、在何種啟動子調控下，一方面能促使營養器官含油量提高，另一方面又不會影響植物的正常生長發育？綜上所述，要使營養器官成為植物油生產的一個補充體系，尚有很多問題需要解決。不過，近年來國際上在這一領域的研究愈來愈多。我們不能排除這種可能性，即在將來人們可以實現利用營養器官生產植物油的目標。

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