转基因科普系列——转基因技术提高大豆油脂品质＊

边 妙，郭 葳，周新安，矫永庆

（中国农业科学院油料作物研究所/农业部油料作物生物学与遗传发育重点实验室，武汉 430062）

大豆是中国重要的油料作物，是食用油和植物蛋白的重要来源[1]。中国是大豆的原产地，早在五千年前就已经开始种植大豆[2]。1938年，中国的大豆产量占世界大豆总产量的90%以上[3]。随着居民消费水平的不断提高，大豆加工业快速发展起来，而大豆种植面积逐渐减少，中国开始进口大豆。1996年，中国的大豆进口量已经超过出口量。2017年，中国进口大豆已经达到9 554万吨，这相当于当年世界大豆总产量的26.7%，对外依存度高达87%。多年来中国大豆需求依赖进口，主要有三个原因：首先，中国耕地面积减少，大豆种植面积也减少；其次中国大豆生产条件差、单产低；再次，中国大豆含油量低、油脂品质低。含油量低和油脂品质低也对产量提出了更高的要求。转基因大豆是中国进口大豆的主要类型，其含油量比国产大豆高1.5%～2%，而且种植成本低，外观和整齐度较好。这些优点使得国内企业倾向于使用转基因大豆以提高加工效益降低加工成本[4]。

大豆平均含油量约为20%，较油菜（约40%）花生（约50%）和芝麻（约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，包括棕榈酸（10%）、硬脂酸（4%）、油酸（18%）、亚油酸（55%）和亚麻酸（13%）[5]。棕榈酸和硬脂酸是饱和脂肪酸，油酸是单不饱和脂肪酸，亚油酸和亚麻酸是多不饱和脂肪酸[6]。多不饱和脂肪酸含量高影响油脂的氧化稳定性，使油脂在贮存过程中发生酸败，产生不良气味。饱和脂肪酸含量高不利于人体健康，容易引发高血压等心脑血管疾病。油酸性质稳定并具有预防心脑血管疾病的作用[7]。大豆脂肪酸组成和其他油料作物（油菜、花生、芝麻、玉米等）相比，油酸含量低而且多不饱和脂肪酸含量高[8]。所以大豆油脂性状的遗传改良主要集中在提高含油量、提高油酸含量和降低多不饱和脂肪酸方面。油脂性状是多基因控制的性状，传统育种方法在改良数量性状方面有局限。转基因技术与传统育种方式相比，具有时间短、效率高、针对性强、可以打破种属间杂交不亲和的优点。利用转基因技术对大豆油脂合成相关基因进行操作可以加速常规育种进程，突破育种瓶颈，提高大豆油脂品质。

1 转基因技术验证油脂代谢相关基因的功能

植物的油脂合成是多基因参与的复杂生物过程，主要包括脂肪酸合成、三酰甘油的合成、油体的形成三个过程。多年研究通过转基因技术在拟南芥、油菜、棉花、玉米等植物上验证了多个油脂代谢相关基因的功能。这些基因主要有三类：转录因子、油脂合成相关酶基因和油体形成相关基因。主要转录因子有WRI1（WRINKLED1）[9]、LEC1（LEAFY COTYLEDON1）[10]、LEC2（LEAFY COTYLEDON2）、FUS3（FUSCA 3）、ABI3（ABSCISSIC ACIDINSENSITIVE 3）[11]、DOF4、DOF11[12]等；Wrinkled转录因子属于AP2家族，是从拟南芥中首先克隆。基因突变体种皮皱缩，蔗糖和葡萄糖含量减少，含油量降低。研究表明WRI1调控糖酵解和脂肪酸合成过程，在拟南芥中过表达该基因可以提高含油量[13]。LEC1是脂肪酸合成的关键调节基因，过表达该基因可以提高糖酵解和脂肪酸合成酶等相关基因的表达。LEC1对脂肪酸合成的调节部分依赖ABI3、FUS3和WRI1，在拟南芥中过表达两个油菜LEC1类似基因可以提高脂肪酸含量[14]。LEC2对脂肪酸合成的调控是通过WRI1实现的，从而调控糖酵解、脂肪酸合成、生物素和硫辛酸等生物过程[15]。油脂合成相关酶基因包括DGAT2[16]、FAD2[17]、FAD3[18]、KAS I[19]、KAS II[20]等。DGAT是二酯酰甘油酰基转移酶，催化脂肪酸酰基和二酰甘油生成三酰甘油。在拟南芥中首先证明过表达该基因提高了含油量，在油菜和玉米等作物中也有相似报道[21-23]。脂肪酸脱氢酶FAD2催化油酸脱氢形成亚油酸，是首先从拟南芥中克隆得到的。转基因技术在棉花和油菜等作物中验证了抑制该基因的表达可以提高油酸含量[24-26]。Liu等利用基因沉默技术在棉花中降低ghSAD-1和ghFAD2-1的表达量，后代中硬脂酸和油酸含量得到了提高[25]。油体相关基因主要有Oleosin[27]、Caleosin[28]和 Steroleosin[29]等。Oleosin 是油体单层磷脂膜上主要的蛋白，Siloto等通过RNA干扰的方法抑制拟南芥中OLEO1基因的表达，结果表明后代胚中的油体增大、种子含油量降低、脂肪酸组成改变[27]。

2 转基因技术提高大豆含油量

转基因技术对含油量的提高主要是通过转基因技术提高油脂合成过程中的相关基因的表达量实现的。Chen等通过RACE技术在未成熟大豆种子中得到转录因子GmWRI1a并将其在大豆中过表达，结果显示转基因后代含油量比对照提高8%以上，油酸和亚油酸的含量也显著提高了[30]。酵母鞘脂补偿基因SLC1有溶血磷酸酯转移酶活性，该基因已经被证实在拟南芥和油菜中都提高了含油量。Rao等将SLC1转入大豆体细胞胚中，后代转基因植株含油量比对照提高了1.5%～3.2%[31]。Wang等将芝麻的SiDGAT1基因转入大豆中，转基因后代含油量提高了1.39%以上。转基因后代的脂肪酸组成没有改变，种子变大[32]。Lardizabal等将土壤拉曼毛霉的二脂酰甘油酰基转移酶基因DGAT2A转入大豆中，将含油量提高了1.5%，并且对蛋白质含量和产量没有影响[33]。

3 转基因技术提高大豆油酸含量

油酸是由硬脂酸脱氢形成，通过再次脱氢过程形成亚油酸。转基因技术提高油酸含量主要是通过抑制催化油酸脱氢过程中的FAD2基因的表达实现的。在提高大豆油酸含量方面，Zhang等通过反义RNA技术抑制GmFad2-1b的表达，使油酸含量提高了51.71%，棕榈酸下降到3%以下[34]。Yang等通过RNAi介导的转录后基因敲除技术抑制Gm-FAD2-1B的表达，转基因大豆的油酸含量提高了60%，亚油酸和亚麻酸含量也相应减少，农艺性状、含油量和蛋白质含量没有改变[35]。孟山都公司在2011年通过抑制FAD2-1和棕榈酰硫酯酶基因FatB的表达得到转基因材料MON 87705，该材料油酸含量高并且饱和脂肪酸的含量低[36]。杜邦公司在2008年利用转基因技术培育出高油酸大豆品种DP-305423-1，该品种的油酸在种子中的含量比普通品种平均提高了56.6%，而且已经商业化生产[36]。杜邦先锋公司2010获准在美国种植转基因高油酸大豆Plenish。该品种油酸含量大于75%，产出的大豆油是健康的食用油[6]。2014年我国农业部也已经批准Plenish进入中国市场。

4 转基因技术降低大豆亚麻酸含量

亚麻酸是多不饱和脂肪酸，性质不稳定，极易氧化。降低亚麻酸含量可以提高油的氧化稳定性，是大豆油脂品质改良的方向之一。FAD3催化亚油酸脱氢形成亚麻酸，通过转基因技术抑制FAD3的表达可以降低亚麻酸的含量。FAD3在大豆基因组中有3个活性拷贝，Flores等利用从FAD3基因家族的保守区域获得的siRNA使的GmFAD3表达量降低。转基因后代亚油酸含量上升，亚麻酸含量降到3.1%以下，而且可以稳定遗传，对萌发、发育和产量没有影响[37]。

我国大豆市场逐渐被国外转基因大豆占领，但是国内的转基因大豆还没有进入商业化生产阶段。随着生物技术的进步，转基因技术验证了油脂合成相关基因的功能，利用转基因手段提高大豆油脂品质已经成为可能。目前转基因技术对油脂合成相关基因进行操作已经被用于提高大豆含油量、提高油酸含量、降低亚麻酸含量等油脂品质性状的研究中，而且已经有高油酸大豆商业化生产的应用。加快转基因技术在大豆油脂性状的遗传改良研究和应用对我国大豆油脂品质育种和生产有重要意义。