与植物种子油脂合成相关的MADS—box转录因子研究进展

熊书

摘 要：MADS-box转录因子由MADS-box基因编码，是一類关键的转录调控因子。MADS-box转录因子在植物激素信号传导、果实的形成、成熟和种子油脂的合成等方面扮演了重要的作用。本文综述了MADS-box转录因子的结构、植物种子油脂合成的途径以及与植物种子油脂合成相关的转录因子的研究进展。

关键词：植物种子；油脂合成；转录因子

中图分类号：Q94-3 文献标识码：A

MADS-box转录因子由MADS-box基因编码，其进化上相当保守，数量众多，在动物、植物和真菌（酵母）中都已经发现其存在。MADS-box转录因子的名称来自于4种MADS-box蛋白质，由酿酒酵母的MCM1转录因子、拟南芥的AGAMOUS转录因子、金鱼草的DEFICIENS转录因子和人的SRF4血清应答因子的第一个字母组成，这四种蛋白都有一个高度保守区域即MADS盒，它是由56～58个氨基酸构成。MADS-box转录因子的功能几乎包括了植物生长、发育的方方面面，如涉及激素信号传导，根的生长发育及形成根瘤，参与分生组织的分化，调节营养代谢和光合作用，甚至果实的形成、成熟、开裂和种子油脂的合成等[1]。

一、MADS-box转录因子的结构

MADS-box转录因子根据结构域的差异分两大类：Ⅰ型和Ⅱ型。当前对植物MADS-box I型转录因子功能的了解甚少，与植物生长发育有关的MADS-box转录因子都属于Ⅱ型。植物MADS-box Ⅱ型转录因子都具有一个非常保守的MADS-box结构域，另外还有3个相同的结构域：I区、K盒和C末端。MADS-box结构域、I区、K盒、C端和N端在蛋白质的二聚化和蛋白二聚体与DNA的结合中扮演相应的功能[2]。

二、植物种子油脂合成的途径

油脂是由脂肪酸和甘油组成，当3个脂酰CoA与3-磷酸甘油的3个羟基脱水后形成油脂。植物种子油脂的合成分为三个阶段：合成脂肪酸及形成脂肪酰-CoA；合成3-磷酸甘油；脂酰CoA与3-磷酸甘油脱水缩合。种子在生长发育时，蔗糖异构为己糖并进行有氧代谢生成乙酰辅酶A。随后，在乙酰辅酶A羧化酶的作用下，乙酰辅酶A转变为丙二酰单酰辅酶A。接着脂肪酸合成酶和酰基-ACP硫酯酶级联催化丙二酰单酰辅酶A生成酰基ACP。酰基ACP再由酰基辅酶A合成酶催化形成酰基辅酶A[3]。与此同时，己糖经糖酵解作用生成磷酸二羟丙酮，再转变为3-磷酸甘油。最后，在内质网上酰基辅酶A依次由3-磷酸甘油酰基转移酶、二酰甘油转酰酶、溶血性磷脂酸酰基转移酶以及磷脂酸磷酸水解酶催化，分别将脂肪酸连接到甘油骨架上，形成三酰甘油酯（TAG）[4]。现在，虽然人们通过深入研究油脂的生物合成过程，使种子油脂的含量有一定程度的提高，但是因油脂生物合成过程和调控网络非常复杂，需要我们筛选到更多油脂合成的关键控制基因，继续深入认识油脂合成的分子调控机制，更大限度地提高油脂含量。

三、与植物种子油脂合成相关的转录因子

1.与种子油脂合成相关的MADS-box转录因子

油菜AGL11基因属于MADS-box家族成员，研究表明AGL11基因在胚中表达较高，抑制基因表达的转基因植株的种子和胚发育被强烈抑制，胚中的脂肪酸的含量显著降低，基因芯片研究发现转基因植株中的乙酰辅酶A羧化酶（ACCase）基因和脂肪酸合成酶（FAS）中的3-氧酰基-ACP还原酶（FabG）基因表达被显著抑制。AGL11基因直接或间接调节ACCase和FabG基因的表达，从而控制油菜种子中脂肪酸的合成[5]。

2.其他与种子油脂合成相关的转录因子

研究表明，影响种子发育的一些转录因子同时影响着种子中油脂的积累。Leafy Cotyledon1，2（LEC1，LEC2）和Fusca3（FUS3）以及WRINKLEDl（WRI1）等基因都是种子发育过程中油脂等物质积累的关键调控因子。这些基因的突变、过量表达或异位表达都会对植物种子发育和油脂等物质的积累产生重要的影响。LEC1编码CCAAT-Box结合因子HAP3的一个亚基，控制胚胎发育过程中的多个方面，是胚胎发育过程中的关键调控因子。过量表达拟南芥LEC1基因可影响其他种子发育相关的转录因子如FUS3和WRIl等基因的表达，整体提高脂肪酸合成相关基因的表达水平，从而提高种子中脂肪酸和油脂的含量[6]。WRI1编码一个AP2/EREB结构域蛋白，在拟南芥中超量表达WRI1基因，显著提高了种子中油脂的含量（提高10%～20%），且转基因植株的产量没有受到影响。实验表明，WRI1可以直接调控糖酵解和脂肪酸代谢过程的基因[7]。此基因的效应已在大田中得到证明，在玉米中超量表达WRIl，使玉米种子中油脂的含量增加了30%[8]。

油菜等油料作物是食用植物油和优质蛋白的重要来源。据分析，对单位面积产油量而言，油菜油脂含量每提高1%，相当于增产菜籽2.5%。目前，国外油菜品种的油脂含量大约为42%～45%，少数甘蓝型油菜品种油脂含量已达47%，而我国油菜品种的平均油脂含量为40%左右。这势必导致油菜业经济效益低下，影响农民种植油菜的积极性，限制油菜种植面积的进一步扩大。因此，我们必须了解控制油脂合成相关的MADS-box转录因子基因，为通过基因工程手段提高油菜油脂含量，改良油菜品质，提高油菜产业生产效益奠定基础。

参考文献：

[1]L Dreni，MM Kater. MADS reloaded： evolution of the AGAMOUS subfamily genes[J]. New Phytologist，2014（201）：717-732.

[2]K Kaufmann，R Melzer，G Theien.MIKC-type MADS-domain proteins： structural modularity， protein interactions and network evolution in land plants[J].Gene， 2005（347）：183-198.

[3]Hills MJ. Control of storage-product synthesis in seeds[J]. Current Opinion in Plant Biology， 2004，7（3）：302-308.

[4]Weselake RJ， Taylor DC， Rahman MH， et al.Increasing the flow of carbon into seed oil[J]. Biotechnology Advances， 2009，27（6）：866-878.

[5]CL Ssgers JP Londo，N Bautista，EH Lee，et al.Genetic Divergence of Brassica campestris， Brassica juncea Parents and Their Hybrids[J].Pakistan Journal of Biological Sciences，2015，5（1）：21-34.

[6]Tan H， Yang X， Zhang F， et al. Enhanced seed oil production in canola by conditional expression of Brassica napus LEAFY COTYLEDON1 and LEC1-LIKE in developing seeds[J]. Plant Physiology，2011（156）.

[7]Maeo K， Tokuda T， Ayame A， et al. An AP2-type transcription factor WRINKLED1 of Arabidopsis thaliana binds to AW-box sequence conserved among proximal upstream regions of genes involved in fatty acid synthesis[J].Plant Journal，2009（60）：476-487.

[8]Shen B， Allen WB， Zheng P， et al. Expression of ZMLEC1 and ZMWRI1 increases seed oil production in maize[J].Plant Physiology，2010（153）：980-987.