植物油脂合成调控的研究进展

赵国淼 曾燕如 徐亚楠 贾宁 唐研耀

（浙江农林大学　浙江省亚热带森林培育国家重点实验室培育基地，临安　311300）

植物油脂合成调控的研究进展

赵国淼 曾燕如 徐亚楠 贾宁 唐研耀

（浙江农林大学浙江省亚热带森林培育国家重点实验室培育基地，临安311300）

植物种子是人们日常生活所需油脂的重要来源。近年来研究者对植物种子的研究阐明了油脂合成的机理，并挖掘了一些调控合成途径的关键酶和基因。在前人研究的基础之上，补充了成油途径、成油相关基因、转录调控等方面的进展，并从碳源供应、转运及胚乳的影响等方面概述了它们可能对植物油脂形成的影响。

油脂合成；调控；植物种子；碳源供应；胚乳

我国是植物油消费大国，植物油消费将进一步呈快速增长趋势，未来将长期供不应求，继续从国外大规模进口仍将不可避免。预计到2015年，我国食用油进口将达75%；而到2030年全球对植物油的需求量将加倍［1］，且植物油是普通柴油潜在的替代品，是生物柴油的原料［2］。因此，发展油料树种，提高植物油自供应率具有十分重要的意义，同时又促使研究人员对油料植物油脂合成机理开展研究，旨在提高油脂含量，以满足未来对植物油脂的需求。

植物种子中贮藏的油脂形式是三酰甘油酯（Triacylglycerols，TAGs），由脂肪酸与甘油脱水缩合而成，它起着植物能源库的作用［3］，为种子发芽后能够高效进行光合作用前的幼苗生长提供能量。

周丹等［4］已对植物油脂合成途径、关键基因及合成调控进行了概述。本文在成油途径、成油相关基因、转录调控等方面对其进行了补充，并从碳源供应、转运，胚乳的影响等方面概述了它们可能对植物油脂形成的影响。

1 成油途径及其特异性

相当复杂的植物脂类代谢途径大多数反应步骤已研究得较为透彻［5，6］，但不同植物之间TAG合成的途径有所不同，有简单的肯尼迪途径，也有复杂的途径；在复杂的TAG合成途中，种子中超过90%的脂肪酸在结合形成TAG之前是通过卵磷脂/磷脂酰胆碱而进行流动的［7］。油棕（Elaeis guineensis）中果皮油的含量高达90%，而椰枣（Phoenixdactylifera）中果皮几乎无油，两物种中果皮比较转录组学与代谢分析发现，两物种转录本序列高度相似，且与拟南芥（Arabidopsis thaliana）直系同源基因匹配度很高［8］，说明不同物种成油相关的途径及基因具有相似性。拟南芥与水稻（Oryza sativa）脂类生物合成相关EST（表达序列标签）数据分析表明，两物种EST丰度模式十分相似，已有的EST序列信息足以描述代谢途径各已知的生物分子；甘油酯的产生至少有30个酶促反应，有34种酶及蛋白参与植物甘油酯的生物合成，有65种多肽参与植物甘油酯的代谢，还有一些基因对膜脂合成不重要或人们对其了解甚少，其中有5个反应没有EST或基因数据［9］。

TAG的合成过程非常复杂，涉及到大量的酶基因和调节基因的协同表达［7，10］，其中一些是数量性状位点［10］。成油相关反应有些是组织或物种特异的［9，11］，如TAG主要局限于种子［9］。拟南芥发育种子EST与拟南芥公共数据库EST相比较，有约40%的EST是种子中特有的，如控制种子特有脂肪酸延长的蛋白FAE1，其编码基因的EST仅存在于发育的种子中［11］。拟南芥中的酰基载体蛋白（Acyl carrier protein，ACP）ACP1的先导蛋白多在种子中表达［12］。对正在发育的蓖麻（Richinus communis）、欧洲油菜（Brassica napus）、卫矛（Euonymus alatus）、旱金莲（Tropaeolum majus）种子转录本进行深度的比较分析发现，编码脂肪酸合成核心酶的基因EST是十分保守的，且在种子发育过程中与发育时间紧密相关，但参与甘油酯及其前体合成的基因表达具有明显的物种特异性［13］，说明不同的油料物种成油相关基因的表达存在差异，基因表达的调控有所不同。与拟南芥发育种子EST比较研究发现了许多芝麻（Sesamum indicum）种子特有的基因［14］。在种子胚形成过程中，脂肪酸与脂类合成基因是以常摩尔比率表达的，但彼此间的绝对水平是有差异的［15］。

2 成油相关基因

近年来，转录组测序已用于多个物种成油机理的研究。麻风树（Jatropha curcas）转录组研究发现，27个转录本直接参与油脂的生物合成［16］。大豆（Glycine max）发育种子转录本研究发现，有113个共表达的unigene与脂类生物合成有关，其中15个表达水平有显著变化，24个共表达的转录本参与了脂类及脂肪酸生物合成途径［17］；脂类积累阶段有87个转录因子基因表达丰度高［18］。对高油植物芝麻基因组测序研究发现，I型脂类转运基因具有串联重复而扩张、脂类降解基因缩减、三酰甘油酯生物合成途径基因差异表达的现象［19］。在高油木本植物山核桃（Carya cathayensis）脂肪代谢相关cDNA文库随机克隆测序获得的1 100个cDNA序列中发现了14个与脂肪酸代谢相关的基因序列，其中12个为全长cDNA序列［20］。所有这些将为成油相关基因的深入研究提供基本的信息。

徐莉等［21］利用不同培养基筛选和分离产脂肪酶的细菌和真菌，最终克隆出30余条脂肪酶基因。李运涛等［22］在三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）中克隆了Δ6脂肪酸延长酶基因，并对其基因结构和表达及起源进化进行了分析。连英丽等［23］克隆了寄生曲霉（Aspergillus parasiticus）脂肪酶基因，并在大肠杆菌中进行了优化表达的分析。

细胞溶质酶甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPC）催化糖酵解中的关键反应，其基因的缺失或过表达可显著改变糖酵解途径中中间产物的水平及ATP/ADP、NAD（P）H/NAD（P）的比率，进而影响种子含油率及脂肪酸的组成，并与种子油脂的积累直接相关［24］。对拟南芥的研究发现，植物拥有在质体中通过At4g14070编码的酰基-酰基载体蛋白直接激活脂肪酸（Fatty acids，FA）到ACP的反应［25］。GPAT（3-磷酸甘油酰基转移酶）是蓖麻TAG装配过程的第一个酶，其基因与不同的蓖麻种质油含量和种子大小无明显的相关性［26］。在拟南芥中，二酰甘油乙酰转移酶1（DGAT 1）是唯一一个已确认的在种子TAG合成过程中起重要作用的乙酰转移酶；研究发现，PDAT1（磷脂：二酯酰甘油酰基转移酶）和DGAT1在种子含油量方面具有叠加的功能［27］。PDAT在酵母TAG积累中起着重要作用，但在拟南芥种子TAG合成中不是主要的决定因子［28］。

3 转录调控

植物油脂合成过程主要涉及在质体中进行的脂肪酸合成及在内质网中进行的甘油酯的合成［1，9］。TAG的合成是多个亚细胞结构中多个途径协调作用的结果。质体中FA的形成可限制种子中TAG的积累，因而通过FA生物合成增加物质的流量，可对TAG数量产生极大的影响［1］。一些编码关键酶的基因如ACCase（乙酰辅酶A羧化酶）、DGAT［4，29］、DAT等都已成功克隆，但植物脂肪酸合成的过程涉及到很多酶，是一个非常复杂的过程，这就意味着单独改变一个基因的表达来提高含油率并不总是有效的［30］。对油橄榄（Olea europaea）及油棕的研究发现，脂肪酸形成过程对脂类生物合成的控制比脂类组装过程的控制强，仅对单一的酶促步骤进行操作往往达不到显著影响油产量的作用［31］。

脂肪酸生物合成调节发生在不同的阶段，其中转录水平的调控是一个主要的调控途径［32，33］，是影响TAG合成FA供应的主要手段［8］。油棕及椰枣发育中果皮转录组及代谢产物的比较研究发现，油棕的高油与所有脂肪酸合成酶基因的高转录本水平有关［8］。调节脂肪酸合成的转录因子主要包括LEC1（LEAFY COTYLEDON1）和WRI1（WRINKLED1）等［34，35］。

3.1 LEC1转录因子

LEC1基因首次在拟南芥中分离［36］。拟南芥LEC1基因的过表达会引起脂肪酸生物合成相关基因表达的全面升高，包括参与缩合、脂肪酸链伸长和脂肪酸去饱和键反应等过程的基因［37］。在脂肪酸质体合成途径中，已知编码酶的基因中有超过58%的基因受到LEC1基因过表达的上位调控，包括编码ACCase三个亚基的基因，糖酵解途径以及Kennedy途径中的基因［37］。遗传分析表明，LEC1的脂肪酸生物合成调节功能部分地依赖于ABI3、FUS3和WRI1［37］。

3.2 WRI转录因子

WRI1基因编码一个AP2/EREBP（APETALA2/ Ethylene-responsive element-binding proteins）类转录因子［38］，在脂肪酸和TAG合成过程中起着关键的调节作用。玉米（Zea mays）中WRI1基因的过表达会使种子含油量升高30%-48%，而植株生长和产量不受影响［39］；拟南芥的wri1位点突变，种子油脂含量可下降80%［38］；AtWRI1基因的异位表达不仅可以增加种子含油率，在幼苗中还会引起TAG的积累［40，41］；在拟南芥中异源表达WRI1，种子含油量最高可以提高40%［42］；油菜中通过RNAi技术抑制BnWRI1基因的表达导致种子含油量显著降低［43］；WRI1在拟南芥种子充实期间参与碳水化合物的发育调节［35］；它可能是导致油棕中果皮极高含油量的主要因素，其转录本是椰枣的57倍，与其目标基因的时间表达模式类似，是通过控制脂肪酸合成过程供应来影响含油量的［8］。

WRI1作用的目标包括ACCase、FAS（脂肪酸合成酶）、在质体中提供丙酮酸酯及乙酰辅酶A的关键酶与转运因子等［1］，至少控制15种酶的表达［7］。qRT-PCR结果表明，在糖酵解途径后期、脂肪酸合成路径以及生物素和硫辛酸的生物合成途径中，编码这些过程酶的基因大部分是WRI1的靶基因［44］。转基因实验证明，WRI1的靶基因主要参与糖酵解和脂肪酸合成［45］，作用于如β-淀粉酶、磷酸甘油酸酯变位酶等［46］。因此，WRI1被称为油脂合成的Master regulator（主要调节因子）［44］。在拟南芥中，WRI1受到种子成熟重要的调节因子如LEC1、LEC2、FUS3、ABI3的控制［44，47］，但在油棕的中果皮中，没有发现这些基因明显的同源序列，说明油棕中果皮中的WRI1-like控制着油脂的合成，但与参与种子发育的上游因子无关，参与了不同的调控网络，该网络可能是棕榈果实所特有的［8］。

4 碳源供应、转运与油脂积累

在发育的油菜及大豆种子中，总无机碳［气体CO2+液体中的CO2+（HCO3-）+（CO32-）］的浓度分别为 40 mmol/L及12 mmol/L，是大气或叶中所报道值的600-2 000倍；油菜种子中油合成最大时CO2的浓度最高，并随着种子的成熟而下降［48］。在微型藻（Chlamydomonas reinhardtii）的研究中发现，碳的获得是控制油合成关键的代谢因素［49］。在促进CO2固定方面，光通过激活光调节酶起着重要的作用，同时增加了脂肪酸合成［50］。在发育的油菜种子胚中，光通过提供还原剂及ATP而使得碳的贮存变得十分高效，不仅增加外源CO2的固定，促进油脂合成，且提高了生长速度［51］。在蓖麻、欧洲油菜、卫矛、旱金莲中，Rubisco（1，5-二磷酸核酮糖羧化酶）与固定CO2及碳代谢有关，与是否有光无关［13］。在大豆中，通过Rubisco的流动与高效碳转化有关［52］。向日葵（Helianthus annuus）种子胚中碳的转化效率是50%，其中光和Rubisco旁路可更为高效地将己糖转化成油，而来源于苹果酸的碳到油转化及通过浪费ATP的无效碳循环在质体中都比较低［53］。油菜胚中碳的转化效率超过80%［51］。

研究发现，ACCase不仅是脂肪酸合成过程中的一个关键酶，且是控制脂肪酸合成关键的限速步骤［1］，受光、磷酸化、硫氧还蛋白、PII蛋白及产物反馈的调控［54，55］。在马铃薯（Solanum tuberosum）块茎的造粉体中过量表达来自拟南芥ACCase，导致脂肪酸含量的增加，且TAG的量超过5倍［56］，但有许多步骤调控碳向脂肪酸合成的流动，因而仅上调ACCase来增加种子含油量的努力结果并不如预期的那样成功［57］。此外，内质网中非常见脂肪酸的非高效利用可诱导质体中ACCase活性转录后的抑制，进而影响脂肪酸的合成及总油脂的积累［7］。质体中脂肪酸的合成及丙酮酸的供应控制着油棕中果皮中油的贮存，而不是TAG中酰基的组装［8］。油棕高油除与所有脂肪酸合成酶较高的转录水平有关外，还与特定的质体转运因子、质体碳代谢的关键酶（如磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶、丙酮酸脱氢酶等）等有关［8］。在油菜中，糖酵解与氧化戊糖磷酸途径（Oxidative pentose phosphate pathway，OPPP）的中间产物在细胞液和质体间的交换比流向终产物的中间产物流量要快得多；通过OPPP的葡萄糖流向胚的净流量占总己糖的近10%；由OPPP产生的还原糖最多占NADPH的44%，占脂肪酸合成所需总还原糖的22%［58］。大豆中的转录因子基因GmbZIP123是通过控制光能自养组织中糖向种子的转运来调节脂类积累的［19］，且氨基酸中的碳在脂肪酸合成中的贡献比至今分析过的其他油料种子都大［52］。

增加上游底物的供应（源控制）或增加代谢途径最后一步的“需求力”或“库力”可增加油的产量［7］。脂肪酸的产生可限制种子中TAG的积累［59，60］，因而仅通过脂肪酸的合成来提高脂肪酸的流通量，也许可以对植物组织TAG产量产生重大的影响［1］。在大豆及油菜中，通过调节DGAT的表达来调整源与库的水平，进而增加种子油的积累［61，62］。

5 胚乳的影响

被子植物的种子发育从双受精开始，产生二倍体的胚和三倍体的胚乳。胚乳就像动物的胎盘，在种子发育和萌发过程中，向胚组织提供营养物质，因此胚乳对胚和种子的正常生长发育至关重要。胚乳是一个不能将遗传物质传到下一代的终端分化组织。在开花植物中，种子发育过程或发芽后，胚乳被胚吸收［63］。胚乳对肥大子叶种子油脂的形成是否有作用还不得而知。

胚乳的发育主要是通过DNA甲基化、组蛋白甲基化和siRNA等表观遗传学途径来调节印迹基因的表达［64］。印迹基因是主要或者专门表达母源或父源的等位基因，这种现象发生在开花植物的胚乳和哺乳动物的胎盘中［65］。已发表的上百个母源印迹蛋白被认为在胚胎生长、童期发育和成人的大脑功能方面具有调节养分传输能力的作用［66，67］。目前为止在拟南芥中发现了11个印迹基因，其中一些控制生长并可能影响胚乳养分的迁移能力［68］。Hsieh等［69］使用cDNA文库测序的方法，在拟南芥胚乳中发现了9个父本印迹基因和34个母本印迹基因，不仅显著扩大了植物中已知的印迹基因，且发现这几个印迹基因受具有DNA去甲基化的糖基化酶DEMETER（DME）、DNA甲基转移酶 MET1或PcG（Polycomb group）蛋白FIE调节的作用；这些基因编码转录因子、参与激素信号的蛋白、泛素蛋白降解途径的组分、组蛋白和DNA甲基化的调节因子、小RNA途径相关蛋白；研究结果表明，印迹是一个重大的影响胚乳基因表达的复杂表观遗传过程，可能会影响种子发育的多个方面。

Hsieh等［69］研究发现，代谢基因At2g31360编码ADS2脂质脱氢酶，At5g03370在糖酵解过程起作用，信号基因编码的PP2C-蛋白磷酸酶（At3g17250）可能负责调控蛋白激酶途径，肌醇磷脂结合蛋白（At3g22810）可能参与脂质信号，ACX1酰基辅酶A氧化酶（At4g16760）参与茉莉酮酸激素生物合成途径［70］，而这些蛋白的基因主要是在胚乳中表达。在卫矛的胚乳中发现的二酰甘油乙酰转移酶（EaDAcT）属于一种DGAT，它带sn-3乙酰转移酶的活性，在卫矛属及转基因种子中具有合成非常见、降低黏度油脂的作用［71］。此外，胚乳中的代谢物质对油脂的合成也有影响，如蔗糖在种子胚乳的代谢过程中最终用于胚中淀粉及油脂合成［9，72］。

6 展望

植物油脂合成是一个复杂的调控网络，研究者围绕这一问题做了大量研究，并成功克隆到了在此过程中起重要调节作用的基因，但是这些基因间的互作模式还不能详细阐明。从目前转录组研究较多的情况来看，人们更注重基因间的互作与调控研究。同时源与库的物质流在成油过程中也起着重要的作用。此外，植物油脂的合成受许多因素的调控，还有其他一些影响因素的调控，如植物激素及信号分子，ATP和NADH（NADPH）、环境因子等。拟南芥种子TAG合成过程中，N和C之间的拮抗作用也有影响［73］。对甘蓝型油菜的研究发现，硫的限制会影响代谢的变化，进而影响种子贮藏蛋白的组成及脂类的质量［74］。Fe3+可以通过控制油脂合成途径中关键基因（如rbcL、accD和PAP1等）的表达来诱导小球藻（Chlorella vulgaris）的油脂合成［75］。在微藻中，氮源来源及氮源浓度对脂肪酸组成的影响显著［76］。

随着经济的发展和人们生活水平的提高，工业以及人们日常生活中的需油量急速上升，如何提高植物油产量成了一个亟待解决的问题。Ohlrogge等［32］将油菜种子贮藏蛋白napin特异性表达启动子连接到拟南芥同质型ACCase基因上，并将其转入油菜中，获得的转基因植株T1代成熟种子的ACCase活性比对照增加了1.7-1.9倍，脂肪酸含量增加了6%，T2代脂肪酸含量增加了5%-6.4%。陈锦清等［77，78］首先提出底物竞争调控籽粒蛋白质/油脂含量比率的反义PEP技术路线，通过构建反义PEP基因表达载体转化油菜，转基因油菜比对照含油量高6.4%-18%，最高含油量达49.5%。因此，研究油脂的合成途径以及影响油脂积累的相关调控途径，可以为提高植物的油脂含量提出可行的路径。

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（责任编辑 狄艳红）

Research Progress on Regulation of Oil Synthesis in Plants

Zhao Guomiao Zeng Yanru Xu Ya’nan Jia Ning Tang Yanyao
（The Nurturing Station for the State Key Laboratory of Subtropical Silviculture，Zhejiang A & F University，Lin’an311300）

Plant seeds are a principal source of oils in humans’ daily life. In recent years， researches on plant seeds have illustrated the principle of oil synthesis and mined some key enzymes and genes involved in the regulation of oil synthesis pathway. Based on the previous study，the article added progress in pathways and genes involved in oil synthesis， and transcriptional regulation， as well as summarized the possible influence of carbon supply and transportation， endosperm， etc. on oil synthesis.

oil synthesis； regulation；plant seecl；carbon suply；endosperm

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.08.002

2014-10-04

浙江省自然科学基金重点项目（Z13C160012），浙江省科技厅木本粮油产业科技创新团队项目（2011R50030），浙江农林大学研究生科研创新基础项目（3122013240228），国家“863”计划项目（2013AA102605）

赵国淼，男，硕士，研究方向：经济林培育与利用；E-mail：guomiaozhao@163.com

曾燕如，女，博士，教授，研究方向：经济林培育与利用；E-mail：yrzeng@zafu.edu.cn