植物油体合成及功能研究进展*

陈 镇 李秀丽 陈法志

（武汉市农业科学院林业果树研究所，武汉 430075）

脂类是植物生命周期中必不可少的物质，广泛参与了细胞信号转导、能量稳定、膜重塑等多种细胞功能［1］。植物将脂类以甘油三酯（TAG）的形式贮藏在细胞中，为随后的萌发及代谢过程提供能量［2］。TAG分子之间不是彼此聚合而是分散成许多小的相对稳定的亚细胞微滴，称之为油体。油体广泛存在于原始菌类、藻类、裸子和被子植物的各种器官中，参与碳源的分配、供能、抗逆及信号转导等多种生物学路径［3］。本文就近年来对植物油体的组成、结构、生物合成及功能研究进行了整理及总结，为后期深入开展植物油体的相关研究提供理论基础。

1 植物油体的结构、组成及特点

作为一种在高等真核生物中普遍存在的细胞器，植物油体的数量、大小及组成在不同细胞中差异巨大。植物种子中的油体通常呈圆形或卵形，直径在0.5～2.5μm之间，但在豆科植物的种子里，油体直径可达 5～7.5μm［4，5］。在对油菜种子油体3D结构的研究中发现，大多数油体的体积小于 100μm3［6］。

与其他细胞器相比，油体具有特殊的结构，其外有一层磷脂单分子膜，膜上具有决定油体性质（数量、大小和功能）的蛋白（图1），膜的基本单位由13个磷脂分子和1个油体相关蛋白组成［7］。通过分离来自油菜、芝麻、玉米等种子中的油体发现，单分子膜中的磷脂约占油体总脂质含量的1%～2%，主要由磷脂酰胆碱（41%～64%W/W）、磷脂酰丝氨酸（18%～33%W/W）、磷脂酰乙醇胺（3%～18%W/W）和磷脂酰肌醇（7%～21%W/W）组成［4］。大多数植物油体的核心由中性脂质构成，主要为三酰甘油（TAG）和甾醇酯（SEs），另外还可能含有其他类型的疏水性化合物，如类胡萝卜素、蜡质、醚脂及聚萜烯等［8，9］。除了油体核心的组成物质不同外，植物不同器官中油体相关蛋白的组成及含量也存在差异，在被子和裸子植物的种子、花粉及绒毡层中，油体蛋白（Oleosins）是含量最丰富的膜蛋白，此外油体膜蛋白还主要包括油体钙蛋白（Caleosins）、油体固醇蛋白（Steroleosins）、油体协助蛋白（Oil Body Associated Proteins）、类固醇脱氢酶（Hydroxysteroid Dehydrogenase）、双加氧酶（Dioxygenase）、糖依赖蛋白 （Sugar Dependent Protein）等［10］。这些膜蛋白按照合成部位及运输方式的不同可分为两大类，I类膜蛋白主要在内质网上合成，其自身具有疏水的发夹结构，可跨膜从内质网运输到油体表面，维持油体的结构与功能。II类膜蛋白主要在细胞质中合成，形成后以两亲螺旋体结构定向锚定并埋植于油体表面，进而发挥其生物学功能［11］。

图1 油体的结构［11］Fig.1 Lipid Droplet Structure［11］

2 植物油体的生物合成

尽管从结构上看油体是相对简单的细胞器，但其生物合成的分子机制至今仍不清楚。已有研究表明，油体是在内质网上发生的，其形成与中性脂质的生物合成密切相关，主要包含三个生物学步骤：中性脂质的合成与脂质晶状体的形成；油体的初始发生与出芽；油体的生长与成熟。整个油体的分子发生模式见图2。

图2 油体的生物合成［11］Fig.2 Lipid Droplet Biogenesis［11］

2.1 三酰甘油的合成及脂质晶状体的形成

油体形成的第一步是中性脂质的生物合成，主要包括TAG、甾醇及蜡酯类物质。TAG在内质网上由二酰甘油酰基转移酶1（DGAT1）和磷脂二酰甘油酰基转移酶1（PDGAT1）以二酰基甘油（DAG）为底物催化合成而来，DGAT1以脂酰辅酶A为酰基供体而PDGAT1以磷脂酰胆碱为酰基供体。合成的TAG随机分散在内质网双层膜内，这一过程可能受到脂质储存诱导的跨膜蛋白（FIT）影响，FIT蛋白在维持内质网膜结构稳定性方面具有重要作用，稳态的内质网腔环境将有利于TAG的生物合成。随着TAG的不断形成，含量逐渐增加，最终会聚集形成脂质晶状体（Lens）［12］，当TAG浓度达到5mol%～10mol%时，这种转变就会发生，形成的晶状体直径在30～60nm之间［13］。脂质晶状体的形成过程中，是否有蛋白质的直接参与，其在内质网上是否随机形成或者有优先形成的相关位点，目前尚不清楚。甾醇及蜡酯同样是在植物细胞的内质网上合成。拟南芥中的甾醇合成依赖于磷脂甾醇酰基转移酶（PSAT）［14］，霍霍巴种子中油体累积的主要是蜡酯，其形成依赖于蜡酯合成酶的催化［15］。

2.2 油体的初始发生及出芽

脂质晶状体形成后，作为油体发生的“核”会分散于内质网腔中，随后在非酶促作用因子SEIPIN的帮助下，形成初生的油体（图 2）。SEIPIN是一种在真核生物中保守的蛋白质，其名称来源于人类先天性脂肪组织缺乏综合征，该疾病将导致人体严重的营养不良［16］。SEIPIN位于内质网膜上，形成寡聚体结构发挥作用，当其在内质网上“扫描”发现脂质晶状体时，便与后者进行锚定，以脂质晶状体“核”为基础来调控油体的形成、大小与出芽［17］，同时能稳定内质网与油体接触面的外部环境［18，19］。与仅包含单个 SEIPIN基因的酵母、昆虫和人类不同，植物拟南芥中存在三个SEIPIN基因，表明该蛋白家族可能在植物中得到扩展以发挥其特异性功能。在拟南芥中，抑制SEIPIN基因的表达将导致种子和花粉中形成异常的巨型油体，并降低花粉的繁殖力和种子的发芽率［20］，进一步证实SEIPIN基因在植物油体正常形成中发挥着重要作用。

油体不断合成且体积增大到一定程度时，将会从内质网膜上出芽剥离。在这个过程中磷脂和内质网膜表面张力发挥着重要作用［21，22］。磷脂组分通过影响中性脂质的几何构象进而影响油体的出芽效率，例如，呈圆锥形构象的二酰基甘油或磷脂酰乙醇胺不利于油体出芽，而与前两者构象相反的溶血磷脂则促进油体出芽［23，24］。内质网膜表面张力一方面能促进油体圆形形状的形成，最大程度的减少油体核心中性脂质与水溶性细胞质的接触，另一方面油体表面的磷脂和蛋白质分隔了油水界面，其组成上的差异引起膜表面张力的不平衡，最终决定油体出芽的方向［25］。

除了SEIPIN外，植物油体蛋白与油体的形成及出芽也密切相关。油体蛋白是一类分子量较小（15～30 kDa）、在植物种子中大量存在、紧密结合于油体表面以帮助油体维持稳定的碱性蛋白［26］。植物油体蛋白是一个较大的基因家族，迄今为止在不同植物中已发现超过1000个编码油体蛋白的基因，通过研究31种陆地植物的油体蛋白基因家族，可以将油体蛋白划分为M-、L-和H-型三类，其中 M-为原始祖先型［27］。油体蛋白 N端和C端朝向胞浆，具有两亲性，中部由72个氨基酸组成非极性疏水区，其中心一段极保守的“脯氨酸节”（-PX5SPX3P-）结构对油体蛋白定位到油体上至关重要［28，29］。和其他许多膜结合蛋白类似，油体蛋白最初是在内质网上通过共翻译的方式形成，随后被转运到新生的油体中，在油体出芽过程中发挥作用。

2.3 油体的生长与成熟

油体从内质网上出芽剥离后，会逐渐生长增大。其生长方式主要有两种，油体与油体之间融合生长，或者以独立的个体扩大增长（图2）。在第二种方式中，合成TAG所需的酶会从内质网上运输定位到油体表面，在油体表面区域发挥生物学功能，合成TAG并将其堆积在疏水核心中［30］。在油体生长期间，内质网膜会持续为油体提供磷脂单分子层外壳。

酶类物质能否正确靶向定位到油体表面发挥作用将决定油体是否能够正常生长。对于许多亚细胞器而言，一些特定的氨基酸序列调控着相关蛋白酶正确靶向至亚细胞器的结构域。靶向过程通常涉及同源受体蛋白对离散靶向信号的识别以及辅助蛋白质正确穿梭至亚细胞器内部［31］。植物中，对油体蛋白的靶向过程已有一些探索。早期研究表明，体外重组表达的油菜油体蛋白可正常转运至微粒体中，并且在微粒体的存在下，油体蛋白的合成速率提高了约三倍，表明有某些信号识别颗粒参与了油体蛋白的靶向过程［32］。通过在酵母中研究向日葵油体蛋白的表达情况，证明油体蛋白正确靶向至油体表面需要依赖信号识别颗粒和SEC61复合物的共同作用［33］。在烟草中的研究发现，油体外壳蛋白PLANT UBXDOMAIN-CONTAINING PROTEIN 10（PUX10）上的一段疏水结构是油体靶向信号的一部分［34］。除了通过内质网间接靶向至油体外，许多油体相关蛋白可以从细胞质直接靶向至油体［29］。尽管这一过程尚未在植物中普遍发现，但在其他生物中的研究表明，油体相关蛋白通常使用两亲双螺旋来识别油体表面单分子层上的“堆积缺陷“（磷脂分布的不均一性区域）进而实现靶向过程［35］。

为了在植物的生长发育及环境变化过程中调控脂类及油体的生长，一些蛋白质会参与脂质代谢和油体的合成，其丰度也是呈动态变化的。如转录因子 WRINKLED1（WRI1）和 LEAFY COTYLEDON2（LEC2）在拟南芥种子胚发育过程中参与调控TAG的生物合成，抑制其中任一基因的表达都将导致种子中TAG含量的大幅减少［36，37］。另一方面，异位过表达WRl1及LEC2将使细胞内脂肪酸及TAG的合成增加，油体的数量也会增多［38］，尤其是在营养组织器官中，如烟草叶片［39］和马铃薯块茎［40］里，这一变化更加明显。WRI1和LEC2不仅调控与脂肪酸合成有关的基因，还控制种子特异性油体外壳蛋白的表达［37］，包括油体蛋白、油体钙蛋白、油体固醇蛋白及TAG脂肪酶1（OBL1）。近期研究表明，转录因子MYB96在拟南芥叶片中对于干旱胁迫下TAG及油体的积累具有重要作用［41］，这提示除WRI1和LEC2外还有许多转录因子参与TAG及油体的生物合成及调配。

3 植物油体的生物学功能

3.1 种子和幼苗中油体的生物学功能

在植物种子里，以TAG为核心的油体通常作为碳源和能量储藏的“库”存在于子叶、胚乳及胚轴中，为籽粒的发育提供必须的碳骨架和能量［10］。例如在成熟的拟南芥种子中，TAG最多可占干重的40%。其次，油体能参与植物种子抵抗环境胁迫。大多数植物的种子成熟后会脱水干燥，并长期处于次适宜的环境中，如干旱、高温、寒冷等，在这种条件下，植物须保持蛋白质和膜的完整性，以维持细胞及细胞器的功能，确保条件一旦适宜，它们能在种子发芽过程中发挥作用［42］。研究表明，油体蛋白能促进冷胁迫期间油体的完整性，进而提高种子的抗寒力，保证种子在冷胁迫后仍能正常萌发［43］。再次，油体能参与植物内源激素的合成，调控个体的生长发育，如依赖于油体固醇蛋白的油菜素内酯的生物合成［44］。最后，油体能调控其他细胞器的生物合成，如在微管和油体转运蛋白等的作用下，油体能为过氧化物酶体、叶绿体质膜的合成提供中性脂质及磷脂［45］。

3.2 花粉和花粉管中油体的生物学功能

花粉粒含有雄性配子体细胞，在开花植物的受精过程中起着至关重要的作用。与种子类似，花粉粒在成熟过程中会累积油体，这可能是驱动花粉萌发的碳和能量来源，例如在橄榄中，随着花粉的萌发及花粉管的生长，储存在花粉粒中的油体会逐渐消失［46］。SEIPIN蛋白突变缺陷型拟南芥植株的花粉粒中会产生巨型油体，这些油体随着花粉萌发无法进入花粉管，将严重影响雄性的育性［20］。拟南芥花粉中最先响应TAG降解促进花粉管延长的可能是SDP1蛋白［47］。近期在烟草中发现OBL1脂肪酶对于花粉管的生长具有重要作用［48］。在对番茄中OBL1蛋白的研究表明其参与了叶片中脂蛋白衍生挥发物的合成［49］，暗示OBL1可能通过提供游离脂肪酸而在花粉管的形成中发挥作用。有一部分的研究认为，花粉粒中TAG的含量相对较少（占烟草中花粉干重的2%，油菜干重的4%），产生的能量不足以维持花粉萌发及受精的全过程［50］，一个合理的解释是花粉管在萌发后期的生长可能由雌性组织供能，并不完全依赖于它自身的能量储备。

3.3 叶片中油体的生物学功能

叶片中TAG的量和油体的数量通常比种子和花粉中低很多，它们在昼夜周期中含量会呈现有规律的变化，并且在非生物胁迫条件下会剧烈增加［51］。例如热胁迫下拟南芥叶片中TAG的含量是正常状态下的10倍［52］，类似结果在干旱条件下车前草的叶片中也同样存在［53］。胁迫条件下，TAGs可能作为游离脂肪酸的一个储存“库”，这些脂肪酸是由膜破裂和/或重塑释放出来的，所以其含量会剧烈增加。一旦胁迫解除，游离脂肪酸会从TAGs中重新被引导进入膜脂系统，如过氧化物酶体中［54］，继续参与行使正常的生物学功能。除了参与叶片抵抗非生物胁迫，油体及其相关蛋白还能调节植物生长和对生物胁迫的抗性。例如在拟南芥中过表达油体固醇蛋白基因能促进植株的生长发育，同时提升植株对盐胁迫的抗性［55］。定位于油体表面的钙依赖型蛋白激酶1（CPK1）能促进拟南芥植株抵抗枯萎病、灰霉病及细菌性斑点病，CPK1缺陷型植株对上述病菌的侵染更加敏感，而过表达CPK1则能提升植株的抗性［56］。在拟南芥植株抵抗炭疽病侵染时，油体钙蛋白3（CLO3）和 α-双加氧酶 1（α-DOX1）发挥着重要作用，当受到病菌侵害时，α-双加氧酶1以游离的α-亚麻酸为底物产生不稳定的十八碳三烯酸，随后通过CLO3的催化作用迅速转变为稳定的2-羟基十八碳三烯酸（2-HOT），2-HOT作为一种植物抗毒素能抵抗炭疽杆菌的入侵［57］。

4 启示与展望

植物油体作为细胞中一类重要的亚细胞器，近些年来受到了研究者们的极大关注，过去的研究让人们对其结构、组成、发生、生长及在生命活动中行使的生物学功能有了一定的了解，但仍存在许多不足及研究领域的空白。如在植物油体发生机制的研究中，许多实验方法及研究思路都是参照人体、动物及酵母中的模型来进行的，由于物种之间的差异及植物自身的特点，所获得的结果可能无法完全阐释其真实的分子机理。另外，随着研究的不断深入，与植物自身油体密切相关的一些生物学问题涌现出来：植物油体在形成过程中是如何受到精准调控的？植物油体自噬作用的生物学机制？植物油体是如何响应昼夜节律的？受环境胁迫而短暂形成的油体，其产生的目的与功能是什么？油体除存储与分解TAG外在植物生理代谢中还发挥哪些作用等等，这些都是未来基础研究中亟待解决的问题。油体作为脂质的储存单位，运用基因工程方法改进植物油体的合成模式，在提高植物的含油量、增加油脂营养和降低成本方面都是极有利的，在未来的研究工作中可作为重点研发方向加以探索。