植物三酰甘油合成相关基因研究进展

陶芬芳，邢 蔓，岳宁燕，邬贤梦，2*

（1湖南农业大学农学院，长沙410128；2南方粮油作物协同创新中心，长沙410128）

植物三酰甘油合成相关基因研究进展

陶芬芳1，邢 蔓1，岳宁燕1，邬贤梦1，2*

（1湖南农业大学农学院，长沙410128；2南方粮油作物协同创新中心，长沙410128）

三酰甘油是植物油脂的主要组成部分，在植物生长发育过程中发挥着重要作用。提高三酰甘油的含量并改良其品质，是油料作物育种的重要目标之一。系统介绍了与植物脂肪酸及三酰甘油合成相关基因的研究现状，以期为今后进一步深入开展相关研究提供借鉴。

植物；三酰甘油；合成途径；基因

三酰甘油（triacylglycerol，TAG）是由3分子长链脂肪酸和甘油在多种酶的催化下形成的脂肪分子，是植物体脂类的主要组成成分，摸清其合成过程中的关键酶及其控制基因，对于提高植物油脂的产量和改良其品质具有重要意义。随着生物技术的发展，基因工程被广泛运用到植物油脂品质改良中，并已取得了一系列的研究成果［1］。目前，提高植物油脂的含量主要有2条途径：一是对脂肪酸合成途径进行调控，即通过调节其合成过程中重要酶类的活性强弱来控制脂肪酸的积累；二是通过调控TAG的组装过程来调节油脂的积累，在Kennedy途径中，各酰基转移酶依次将脂肪酸组装到甘油上，从而形成三酰甘油，若增加各酰基转移酶：甘油-3-磷酸酰基转移酶（GPAT）、溶血磷脂酸酰基转移酶（LPAT）以及二酰甘油酰基转移酶（DGAT）的含量将有可能增强该途径的代谢作用，有利于提高油脂的含量。

1 植物三酰甘油合成途径

三酰甘油在内质网上由脂肪酸和甘油经多种酶催化而成。在Kennedy合成途径中，酰基CoA的脂肪酸分别被GPAT、LPAT以及DGAT转移到甘油上［2］。

最新研究还发现，除了Kennedy途径中DGAT能催化二酰甘油合成三酰甘油外，还存在着其他两条途径。一条是磷脂二酰甘油酰基转移酶（PDAT）将磷脂酰胆碱（PC）sn-2位的酰基转移到二酰甘油（DAG）上，形成TAG和溶血磷脂酰胆碱［3］。另一条是Stobart等［4］1997年发现的，在未成熟红花种子中，二酰甘油上的一个脂酰基被逆脂酰转移酶（TA）转移到另一个二酰甘油上，从而形成三酰甘油和一酰甘油，且这是一个可逆反应（图1）。

图1 三酰甘油合成途径［5］

在向日葵、拟南芥、蓖麻等高等植物体内，PDAT参与了二酰甘油到三酰甘油的合成过程［3］。在红花中，则这两条新的合成途径同时参与了三酰甘油的合成［4］。这说明二酰甘油到三酰甘油的合成过程在不同的植物中是有差异的，三酰甘油的合成途径具有多样性。

2 与植物三酰甘油合成相关的基因

2.1 调控植物脂肪酸合成的主要基因

植物脂肪酸的合成是一个复杂的过程，在多酶复合体系催化下，乙酰辅酶A经一系列加载、缩合及还原反应释放出不同链长（C8～C18）的脂肪酸，并与酰基载体蛋白（ACP）结合成脂肪酸合成酶复合体。从脂肪酸合成途径来看，有许多基因影响着种子中油酸的合成，其中质体中主要有β-酮脂酰-ACP合成酶Ⅱ（KASⅡ）基因、硬脂酰脱氢酶（SAD）基因、ACP硫脂酶（FAT）基因、酰基辅酶A合成酶（ACS）基因，在内质网中主要有内质网油酸脱氢酶（FAD2）基因、脂肪酸延长酶1（FAE1）基因。

KASⅡ是将16∶0-ACP延长到18∶0-ACP的酰基蛋白合成过程中的关键酶，决定16碳脂肪酸/18碳脂肪酸的比率。很早就有关于油菜中KAS基因家族CDNA被分离和克隆的报道［6］。拟南芥中的研究表明，胚胎发育早期对于提高16∶0 ACP非常敏感，通过RNA干扰KASⅡ表达，胚胎发育后期16∶0 ACP水平高达53%，为野生型的7倍［7］。

SAD是编码18∶0-ACP的Δ9脱氢的脱氢酶基因。利用实时荧光定量PCR检测发现，GhSAD2在脂肪酸合成过程中起到了脱氢酶的作用［8］。通过抑制大豆SAD2基因的表达，其硬脂酸的含量增加［9］。

FAT是负责将ACP水解成相应的游离脂肪酸的重要水解酶。FAT A主要负责不饱和ACP的水解，FAT B主要负责饱和ACP的水解。Moreno-Pérez等［10］发现，敲除拟南芥中的FAT A基因后，成熟种子中油酸含量降低，三酰甘油的含量也有所减少。

ACS能将细胞体内脂肪酸转化成相应的辅酶A硫脂底物，根据其底物的碳链长度可将其分为短链ACS、中链ACS和长链ACS，且该底物可参与细胞内脂肪酸碳链的延长、三脂酰甘油的合成及脂肪酸氧化降解等过程［11～13］。

FAD2基因是植物种子中控制油酸含量的关键基因，催化多不饱和脂肪酸生物合成的第一步反应［14，15］。通过RNAi沉默技术抑制fad2基因的表达，周晓婴等［16］发现种子中多不饱和脂肪酸含量显著降低，获得了无筛选标记高油酸含量的转基因油菜种质；陈苇等［17］也得到了油酸含量显著提高且能稳定遗传的后代材料。

FAE1基因位于内质网上，是第一个被发现的调控芥酸等超长链脂肪酸合成的关键基因［18］。周万平［19］通过抑制FAE1基因，获得了含油量为51.7%、芥酸含量为1.0%的转基因油菜株系；而Mietkiewska等［20］将海甘蓝的FAE1基因转化到埃塞俄比亚芥中，获得了芥酸含量增加40%的转基因植株。

2.2 调控三酰甘油合成的主要基因

2.2.1 甘油-3-磷酸酰基转移酶（GPAT）基因

在Kennedy合成途径中，GPAT是催化三酰甘油生物合成的第一步，通过改变GPAT的含量可能调控该途径的代谢作用，从而调控油脂的积累。现如今，在很多植物中均已克隆出GPAT，如拟南芥、玉米、豌豆等。其中拟南芥中共有9个GPAT，GPAT1在花粉发育过程中起到关键作用，但AtGPAT1的缺失，种子中油的含量无显著变化［21］；GPAT5与根和种皮中木栓质的合成有关［22］；而GPAT4与GPAT8则与角质的形成有关［23］；最近发现的GPAT9跟GPAT8一样定位于内质网（ER）上，但与哺乳动物中的参与脂类合成的GPAT具有很高的同源性，可能在植物中扮演着相同的角色［24］。

2.2.2 溶血磷酸酰基转移酶（LPAT）基因

位于细胞质中的LPAT在磷脂酸（PA）的合成过程中起重要作用，PA是TAG合成过程的关键中间体，可继续进行脱磷酸反应合成TAG。该酶活性的提高可减轻脂类合成过程中的反馈抑制作用。

在拟南芥和油菜中转入酵母的LPAT基因，均可获得种子中长链脂肪酸的比例增加且含油量显著提高的转基因植株［25］。油菜的两种LPAT基因（BAT1.13和BAT1.5）在拟南芥中过表达，可以增加拟南芥种子重量及其脂肪酸含量［26］。目前，在拟南芥、油菜、椰子等多种植物中均已将LPAT的同源基因分离克隆出来［27～29］。研究表明LPAT具有多种异构酶，且其生物学功能不同。以拟南芥为例，拟南芥中至少存在6种异构酶，其中质体中的LPAT1是胚胎发育所必须的［30］。LPAT2在多种组织中表达，定位于内质网上，对雌配子具有致死作用，LPAT3主要在花粉中表达［31］。LPAT4和LPAT5在体外检测不到其活性，可能与心磷脂合成有关［32］。2009年新发现的一个由At4g24160编码的可溶性LPAT，兼具三酰基甘油脂肪酶和磷脂酰胆碱水解酶活性，推测其在维持植物中脂质体内平衡具有重要作用［33］。棉花LPAT家族基因表达分析发现：棉花LPAT家族基因不仅与种子中油分合成有关，还参与棉纤维发育进程［34］。在油菜中克隆的LPAT基因包括BAT2［35］（属于油菜LPAT1的范畴），BAT1.5、BAT1.12、BAT1.13［36］（属于油菜LPAT2的范畴）及LPAT5［37，38］，BnLPAT5为普遍表达型基因，但在根中的表达量是茎和胚中表达量的2倍，表明BnLPAT5在根的生长发育过程中扮演着一定的角色。其余油菜LPAT异构酶基因均未见报道。

2.2.3 二酰甘油酰基转移酶（DGAT）基因

二酰甘油酰基转移酶（DGAT）是Kennedy途径中催化三酰甘油合成的最后一步，是该途径中唯一的限速酶［39］。Gajdoš等利用缺陷型产油酵母Q4菌株（不能积累脂质和形成脂质体）研究发现，单一的二酰甘油酰基转移酶的表达就能恢复TAG积累和LB的形成［40］。在植物中发现了4种不同类型的DGAT基因，分别为DGAT1、DGAT2、DGAT3［41，42］和WS/DGAT。DGAT1首先由Cases等［43］在小鼠中克隆出来，属于酰基辅酶A胆固醇酰基转移酶家族（ACAT），在拟南芥中仅有一个拷贝，且仅在动植物体中存在。DGAT2是Lardizabal等［44］从脂质体中克隆出来的，属于DGAT2超家族，广泛存在于真菌、藻类、植物和动物基因组中。张晓琼等［45］对二倍体棉花和6种模式植物的DGAT2基因结构和蛋白保守基序进行生物信息学分析表明：被子植物的DGAT2蛋白受到严格的功能限制，具有高度相似的生物学功能。DGAT1和DGAT2蛋白均以微粒体的形式存在，并结合在内质网膜上；WS/DGAT是在乙酸钙不动杆菌中鉴定出的一种双功能酶，既有蜡酯合成功能又具DGAT功能；DGAT3基因定位于细胞质中，是Saha等［41］从发育中的花生子叶克隆出的，与DGAT1和DGAT2基因家族的相似性不足10%，与WS/DGAT基因家族相似性达13%，但仅具有高水平的DGAT活性，而无蜡酯合成功能，为区别于其他基因家族，被称为DGAT3基因。

DGAT基因的器官表达具有特异性。大多数双子叶植物例如大豆、斑鸠菊、油菜的DGAT1基因与拟南芥有着相似的表达模式，即在发育中的种子、花瓣以及花芽中高表达，而在叶和茎中却是低表达［46～48］。旱金莲DGAT1只在发育的种子中表达［49］。莲座DGAT1基因随着叶片的衰老其表达量不断提高，直到第六周达最高水平［50］。蓖麻和桐树的DGAT1在各器官中的表达水平几乎没有差异，但DGAT2的表达具有器官差异性，其中蓖麻DGAT2在种子中的表达量比叶中的高18倍，并在种子发育过程中瞬时特异性表达；桐树DGAT2在发育的种子中表达量也极高，能显著增加三酰甘油中桐油酸的积累［51，52］。在花生种子发育过程中，仅能在未成熟的种子中检测到DGAT3的表达，而在种子发育后期以及根和叶中均没有表达［41］。研究表明，DGAT不仅与组织中脂类积累有很大关系，还与植物种子萌发、幼苗发育和叶片衰老等过程中的脂类代谢有关［53，54］。唐桂英等［55］研究发现，AhDGAT3A作为一类二酰甘油酰基转移酶，在花中具有高表达，利用染色体步移技术克隆得到5′上游调控区。通过在线软件分析发现，该基因启动子上游调控区包含多个调控花粉中表达的顺式元件，所以该基因可能与花粉萌发过程中所需脂类的积累有很大关系。房逢立等［56］通过对花生DGAT3的生物信息学分析研究得出，花生DGAT3属于非膜结合蛋白；李书霞等［57］通过对玉米DGAT基因家族的全基因组生物信息学分析也未预测到DGAT3的跨膜结构，可以推测DGAT3发挥功能时并不需要和膜相互作用，这相对于DGAT1、DGAT2来说，在基因工程中DGAT3更方便被利用来提高油料作物的产油量。尚未见其他关于油菜DGAT3的报道，但是Chi等［58］关于花生DGAT功能的研究为油菜分子育种提供了理论依据。

DGAT蛋白的底物选择具有特异性，含特定成分的二酰甘油优先被某一植物DGAT选择。含有长链脂肪酸的DAG在旱金莲［59］和油菜［60］中会被DGAT1优先选择为底物催化TAG的合成，而甘油二油酸酯优先被菠菜［61］DGAT1选择为底物。虽然大量关于DGAT底物特异性与选择性方面的研究得出的结论并不一致，但这也说明了DGAT基因的多样性和重要性。因此关于植物体内DGAT底物选择性和酰基辅酶A偏向性的研究，将有助于对调控植物种子中脂肪酸组成的分子基础进行进一步的了解，为基因工程技术改良种子中脂肪酸组成提供理论指导。

2.2.4 磷脂二酰甘油脂酰转移酶（PDAT）基因

磷脂二酰甘油脂酰转移酶（PDAT）是不依赖于酰基辅酶A合成途径中催化二酰甘油合成三酰甘油的最后一步。穆娇［62］克隆得到的两个白菜型油菜PDAT1虽然重复基因结构上存在差异，但它们均能提高叶片中TAG含量及叶片中不饱和脂肪酸的含量。不同物种中PDAT的功能具有一定的差异。在向日葵、蓖麻中PDAT利用某些含特殊酰基基团的PC作为底物，合成TAG［63］。酵母中，PDAT参与对数期TAG的合成［64］。海甘蓝中，PDAT催化形成的TAGSn-3位没有长链脂肪酸［65］。拟南芥功能型缺失突变体pdat1与PDAT1过表达植株中，TAG含量无明显变化［66，67］。然而，当采用RNA干扰At-DGAT1（pdat1突变体）或PDAT1（dgat1突变体）后，种子中油脂含量减少70%～80%，且花粉管不能正常萌发，胚发育受阻［68］。

3 展望

油脂在人类的生产生活中扮演着重要的角色，对植物油脂的需求也越来越大，这极大地促进了分子生物学的研究。植物三酰甘油合成是一个极其复杂的过程，涉及大量的基因及其编码的酶类，改变其中任何一个关键酶，都有可能改变植物含油量或者油酸成分，所以弄清合成过程中的每一个环节具有重大意义。近年来，利用基因工程技术手段改造植物油脂生物合成与代谢途径中相关基因取得了较大的进展，三酰甘油合成途径越来越清晰，与植物脂肪酸和三酰甘油合成相关的基因多态性位点不断被发现，如在拟南芥中发现了9个GPAT基因［21～24］，且GPAT1～9之间功能存在差异；丁检等获得了8个棉花LPAT家族基因的全序列和染色体定位信息［34］，这为分子育种提高植物含油量、改善油脂品质奠定了基础。

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Research Advances of Genes Related to Plant Triacylglycerol Synthesis

TAO Fen fang1，XING Man1，YUE Ningyan1，WU Xianmeng1，2*
（1 College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128；2 South Cooperative Innovation Center of Food Crops and Oil Crops，Changsha，Hunan 410128，China）

Triacylglycerol（TAG）is themain deposited lipids ofmost plants，and it plays an important role in the process of plant growth and development.To improve oil content and its quality is one of the important goals of oil crop breeding.The research progress about the genes related to plant fatty acid and triacylglycerol synthesis was systematically introduced，hoping to provide reference for the further research in the future.

p lant；TAG；synthetic path way；gene

Q789

A

1001-5280（2017）03-0330-07

10.16848/j.cnki.issn.1001-5280.2017.03.27

2017- 02- 05

陶芬芳（1991-），女，硕士研究生，Email：1453282987＠qq.com。*通信作者，Email：wuxm126＠163.com。

“十三·五”国家重点研发计划项目（2016YFD0101300）；湖南省省长专项（湘财农指［2016］114）。