陶芬芳，邢 蔓，岳寧燕，鄔賢夢(mèng)，2*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；2南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長(zhǎng)沙410128）

植物三酰甘油合成相關(guān)基因研究進(jìn)展

陶芬芳1，邢 蔓1，岳寧燕1，鄔賢夢(mèng)1，2*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；2南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長(zhǎng)沙410128）

三酰甘油是植物油脂的主要組成部分，在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。提高三酰甘油的含量并改良其品質(zhì)，是油料作物育種的重要目標(biāo)之一。系統(tǒng)介紹了與植物脂肪酸及三酰甘油合成相關(guān)基因的研究現(xiàn)狀，以期為今后進(jìn)一步深入開展相關(guān)研究提供借鑒。

植物；三酰甘油；合成途徑；基因

三酰甘油（triacylglycerol，TAG）是由3分子長(zhǎng)鏈脂肪酸和甘油在多種酶的催化下形成的脂肪分子，是植物體脂類的主要組成成分，摸清其合成過(guò)程中的關(guān)鍵酶及其控制基因，對(duì)于提高植物油脂的產(chǎn)量和改良其品質(zhì)具有重要意義。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，基因工程被廣泛運(yùn)用到植物油脂品質(zhì)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條途徑：一是對(duì)脂肪酸合成途徑進(jìn)行調(diào)控，即通過(guò)調(diào)節(jié)其合成過(guò)程中重要酶類的活性強(qiáng)弱來(lái)控制脂肪酸的積累；二是通過(guò)調(diào)控TAG的組裝過(guò)程來(lái)調(diào)節(jié)油脂的積累，在Kennedy途徑中，各?；D(zhuǎn)移酶依次將脂肪酸組裝到甘油上，從而形成三酰甘油，若增加各?；D(zhuǎn)移酶：甘油-3-磷酸酰基轉(zhuǎn)移酶（GPAT）、溶血磷脂酸?；D(zhuǎn)移酶（LPAT）以及二酰甘油?；D(zhuǎn)移酶（DGAT）的含量將有可能增強(qiáng)該途徑的代謝作用，有利于提高油脂的含量。

1 植物三酰甘油合成途徑

三酰甘油在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上由脂肪酸和甘油經(jīng)多種酶催化而成。在Kennedy合成途徑中，?；鵆oA的脂肪酸分別被GPAT、LPAT以及DGAT轉(zhuǎn)移到甘油上［2］。

最新研究還發(fā)現(xiàn)，除了Kennedy途徑中DGAT能催化二酰甘油合成三酰甘油外，還存在著其他兩條途徑。一條是磷脂二酰甘油?；D(zhuǎn)移酶（PDAT）將磷脂酰膽堿（PC）sn-2位的酰基轉(zhuǎn)移到二酰甘油（DAG）上，形成TAG和溶血磷脂酰膽堿［3］。另一條是Stobart等［4］1997年發(fā)現(xiàn)的，在未成熟紅花種子中，二酰甘油上的一個(gè)脂酰基被逆脂酰轉(zhuǎn)移酶（TA）轉(zhuǎn)移到另一個(gè)二酰甘油上，從而形成三酰甘油和一酰甘油，且這是一個(gè)可逆反應(yīng)（圖1）。

圖1 三酰甘油合成途徑［5］

在向日葵、擬南芥、蓖麻等高等植物體內(nèi)，PDAT參與了二酰甘油到三酰甘油的合成過(guò)程［3］。在紅花中，則這兩條新的合成途徑同時(shí)參與了三酰甘油的合成［4］。這說(shuō)明二酰甘油到三酰甘油的合成過(guò)程在不同的植物中是有差異的，三酰甘油的合成途徑具有多樣性。

2 與植物三酰甘油合成相關(guān)的基因

2.1 調(diào)控植物脂肪酸合成的主要基因

植物脂肪酸的合成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，在多酶復(fù)合體系催化下，乙酰輔酶A經(jīng)一系列加載、縮合及還原反應(yīng)釋放出不同鏈長(zhǎng)（C8～C18）的脂肪酸，并與酰基載體蛋白（ACP）結(jié)合成脂肪酸合成酶復(fù)合體。從脂肪酸合成途徑來(lái)看，有許多基因影響著種子中油酸的合成，其中質(zhì)體中主要有β-酮脂酰-ACP合成酶Ⅱ（KASⅡ）基因、硬脂酰脫氫酶（SAD）基因、ACP硫脂酶（FAT）基因、?；o酶A合成酶（ACS）基因，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中主要有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)油酸脫氫酶（FAD2）基因、脂肪酸延長(zhǎng)酶1（FAE1）基因。

KASⅡ是將16∶0-ACP延長(zhǎng)到18∶0-ACP的酰基蛋白合成過(guò)程中的關(guān)鍵酶，決定16碳脂肪酸/18碳脂肪酸的比率。很早就有關(guān)于油菜中KAS基因家族CDNA被分離和克隆的報(bào)道［6］。擬南芥中的研究表明，胚胎發(fā)育早期對(duì)于提高16∶0 ACP非常敏感，通過(guò)RNA干擾KASⅡ表達(dá)，胚胎發(fā)育后期16∶0 ACP水平高達(dá)53%，為野生型的7倍［7］。

SAD是編碼18∶0-ACP的Δ9脫氫的脫氫酶基因。利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，GhSAD2在脂肪酸合成過(guò)程中起到了脫氫酶的作用［8］。通過(guò)抑制大豆SAD2基因的表達(dá)，其硬脂酸的含量增加［9］。

FAT是負(fù)責(zé)將ACP水解成相應(yīng)的游離脂肪酸的重要水解酶。FAT A主要負(fù)責(zé)不飽和ACP的水解，F(xiàn)AT B主要負(fù)責(zé)飽和ACP的水解。Moreno-Pérez等［10］發(fā)現(xiàn)，敲除擬南芥中的FAT A基因后，成熟種子中油酸含量降低，三酰甘油的含量也有所減少。

ACS能將細(xì)胞體內(nèi)脂肪酸轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的輔酶A硫脂底物，根據(jù)其底物的碳鏈長(zhǎng)度可將其分為短鏈ACS、中鏈ACS和長(zhǎng)鏈ACS，且該底物可參與細(xì)胞內(nèi)脂肪酸碳鏈的延長(zhǎng)、三脂酰甘油的合成及脂肪酸氧化降解等過(guò)程［11～13］。

FAD2基因是植物種子中控制油酸含量的關(guān)鍵基因，催化多不飽和脂肪酸生物合成的第一步反應(yīng)［14，15］。通過(guò)RNAi沉默技術(shù)抑制fad2基因的表達(dá)，周曉嬰等［16］發(fā)現(xiàn)種子中多不飽和脂肪酸含量顯著降低，獲得了無(wú)篩選標(biāo)記高油酸含量的轉(zhuǎn)基因油菜種質(zhì)；陳葦?shù)龋?7］也得到了油酸含量顯著提高且能穩(wěn)定遺傳的后代材料。

FAE1基因位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的調(diào)控芥酸等超長(zhǎng)鏈脂肪酸合成的關(guān)鍵基因［18］。周萬(wàn)平［19］通過(guò)抑制FAE1基因，獲得了含油量為51.7%、芥酸含量為1.0%的轉(zhuǎn)基因油菜株系；而Mietkiewska等［20］將海甘藍(lán)的FAE1基因轉(zhuǎn)化到埃塞俄比亞芥中，獲得了芥酸含量增加40%的轉(zhuǎn)基因植株。

2.2 調(diào)控三酰甘油合成的主要基因

2.2.1 甘油-3-磷酸?；D(zhuǎn)移酶（GPAT）基因

在Kennedy合成途徑中，GPAT是催化三酰甘油生物合成的第一步，通過(guò)改變GPAT的含量可能調(diào)控該途徑的代謝作用，從而調(diào)控油脂的積累?，F(xiàn)如今，在很多植物中均已克隆出GPAT，如擬南芥、玉米、豌豆等。其中擬南芥中共有9個(gè)GPAT，GPAT1在花粉發(fā)育過(guò)程中起到關(guān)鍵作用，但AtGPAT1的缺失，種子中油的含量無(wú)顯著變化［21］；GPAT5與根和種皮中木栓質(zhì)的合成有關(guān)［22］；而GPAT4與GPAT8則與角質(zhì)的形成有關(guān)［23］；最近發(fā)現(xiàn)的GPAT9跟GPAT8一樣定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）上，但與哺乳動(dòng)物中的參與脂類合成的GPAT具有很高的同源性，可能在植物中扮演著相同的角色［24］。

2.2.2 溶血磷酸?；D(zhuǎn)移酶（LPAT）基因

位于細(xì)胞質(zhì)中的LPAT在磷脂酸（PA）的合成過(guò)程中起重要作用，PA是TAG合成過(guò)程的關(guān)鍵中間體，可繼續(xù)進(jìn)行脫磷酸反應(yīng)合成TAG。該酶活性的提高可減輕脂類合成過(guò)程中的反饋抑制作用。

在擬南芥和油菜中轉(zhuǎn)入酵母的LPAT基因，均可獲得種子中長(zhǎng)鏈脂肪酸的比例增加且含油量顯著提高的轉(zhuǎn)基因植株［25］。油菜的兩種LPAT基因（BAT1.13和BAT1.5）在擬南芥中過(guò)表達(dá)，可以增加擬南芥種子重量及其脂肪酸含量［26］。目前，在擬南芥、油菜、椰子等多種植物中均已將LPAT的同源基因分離克隆出來(lái)［27～29］。研究表明LPAT具有多種異構(gòu)酶，且其生物學(xué)功能不同。以擬南芥為例，擬南芥中至少存在6種異構(gòu)酶，其中質(zhì)體中的LPAT1是胚胎發(fā)育所必須的［30］。LPAT2在多種組織中表達(dá)，定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，對(duì)雌配子具有致死作用，LPAT3主要在花粉中表達(dá)［31］。LPAT4和LPAT5在體外檢測(cè)不到其活性，可能與心磷脂合成有關(guān)［32］。2009年新發(fā)現(xiàn)的一個(gè)由At4g24160編碼的可溶性LPAT，兼具三?；视椭久负土字Ｄ憠A水解酶活性，推測(cè)其在維持植物中脂質(zhì)體內(nèi)平衡具有重要作用［33］。棉花LPAT家族基因表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)：棉花LPAT家族基因不僅與種子中油分合成有關(guān)，還參與棉纖維發(fā)育進(jìn)程［34］。在油菜中克隆的LPAT基因包括BAT2［35］（屬于油菜LPAT1的范疇），BAT1.5、BAT1.12、BAT1.13［36］（屬于油菜LPAT2的范疇）及LPAT5［37，38］，BnLPAT5為普遍表達(dá)型基因，但在根中的表達(dá)量是莖和胚中表達(dá)量的2倍，表明BnLPAT5在根的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中扮演著一定的角色。其余油菜LPAT異構(gòu)酶基因均未見報(bào)道。

2.2.3 二酰甘油酰基轉(zhuǎn)移酶（DGAT）基因

二酰甘油?；D(zhuǎn)移酶（DGAT）是Kennedy途徑中催化三酰甘油合成的最后一步，是該途徑中唯一的限速酶［39］。Gajdo?等利用缺陷型產(chǎn)油酵母Q4菌株（不能積累脂質(zhì)和形成脂質(zhì)體）研究發(fā)現(xiàn)，單一的二酰甘油?；D(zhuǎn)移酶的表達(dá)就能恢復(fù)TAG積累和LB的形成［40］。在植物中發(fā)現(xiàn)了4種不同類型的DGAT基因，分別為DGAT1、DGAT2、DGAT3［41，42］和WS/DGAT。DGAT1首先由Cases等［43］在小鼠中克隆出來(lái)，屬于?；o酶A膽固醇酰基轉(zhuǎn)移酶家族（ACAT），在擬南芥中僅有一個(gè)拷貝，且僅在動(dòng)植物體中存在。DGAT2是Lardizabal等［44］從脂質(zhì)體中克隆出來(lái)的，屬于DGAT2超家族，廣泛存在于真菌、藻類、植物和動(dòng)物基因組中。張曉瓊等［45］對(duì)二倍體棉花和6種模式植物的DGAT2基因結(jié)構(gòu)和蛋白保守基序進(jìn)行生物信息學(xué)分析表明：被子植物的DGAT2蛋白受到嚴(yán)格的功能限制，具有高度相似的生物學(xué)功能。DGAT1和DGAT2蛋白均以微粒體的形式存在，并結(jié)合在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上；WS/DGAT是在乙酸鈣不動(dòng)桿菌中鑒定出的一種雙功能酶，既有蠟酯合成功能又具DGAT功能；DGAT3基因定位于細(xì)胞質(zhì)中，是Saha等［41］從發(fā)育中的花生子葉克隆出的，與DGAT1和DGAT2基因家族的相似性不足10%，與WS/DGAT基因家族相似性達(dá)13%，但僅具有高水平的DGAT活性，而無(wú)蠟酯合成功能，為區(qū)別于其他基因家族，被稱為DGAT3基因。

DGAT基因的器官表達(dá)具有特異性。大多數(shù)雙子葉植物例如大豆、斑鳩菊、油菜的DGAT1基因與擬南芥有著相似的表達(dá)模式，即在發(fā)育中的種子、花瓣以及花芽中高表達(dá)，而在葉和莖中卻是低表達(dá)［46～48］。旱金蓮DGAT1只在發(fā)育的種子中表達(dá)［49］。蓮座DGAT1基因隨著葉片的衰老其表達(dá)量不斷提高，直到第六周達(dá)最高水平［50］。蓖麻和桐樹的DGAT1在各器官中的表達(dá)水平幾乎沒有差異，但DGAT2的表達(dá)具有器官差異性，其中蓖麻DGAT2在種子中的表達(dá)量比葉中的高18倍，并在種子發(fā)育過(guò)程中瞬時(shí)特異性表達(dá)；桐樹DGAT2在發(fā)育的種子中表達(dá)量也極高，能顯著增加三酰甘油中桐油酸的積累［51，52］。在花生種子發(fā)育過(guò)程中，僅能在未成熟的種子中檢測(cè)到DGAT3的表達(dá)，而在種子發(fā)育后期以及根和葉中均沒有表達(dá)［41］。研究表明，DGAT不僅與組織中脂類積累有很大關(guān)系，還與植物種子萌發(fā)、幼苗發(fā)育和葉片衰老等過(guò)程中的脂類代謝有關(guān)［53，54］。唐桂英等［55］研究發(fā)現(xiàn)，AhDGAT3A作為一類二酰甘油?；D(zhuǎn)移酶，在花中具有高表達(dá)，利用染色體步移技術(shù)克隆得到5′上游調(diào)控區(qū)。通過(guò)在線軟件分析發(fā)現(xiàn)，該基因啟動(dòng)子上游調(diào)控區(qū)包含多個(gè)調(diào)控花粉中表達(dá)的順式元件，所以該基因可能與花粉萌發(fā)過(guò)程中所需脂類的積累有很大關(guān)系。房逢立等［56］通過(guò)對(duì)花生DGAT3的生物信息學(xué)分析研究得出，花生DGAT3屬于非膜結(jié)合蛋白；李書霞等［57］通過(guò)對(duì)玉米DGAT基因家族的全基因組生物信息學(xué)分析也未預(yù)測(cè)到DGAT3的跨膜結(jié)構(gòu)，可以推測(cè)DGAT3發(fā)揮功能時(shí)并不需要和膜相互作用，這相對(duì)于DGAT1、DGAT2來(lái)說(shuō)，在基因工程中DGAT3更方便被利用來(lái)提高油料作物的產(chǎn)油量。尚未見其他關(guān)于油菜DGAT3的報(bào)道，但是Chi等［58］關(guān)于花生DGAT功能的研究為油菜分子育種提供了理論依據(jù)。

DGAT蛋白的底物選擇具有特異性，含特定成分的二酰甘油優(yōu)先被某一植物DGAT選擇。含有長(zhǎng)鏈脂肪酸的DAG在旱金蓮［59］和油菜［60］中會(huì)被DGAT1優(yōu)先選擇為底物催化TAG的合成，而甘油二油酸酯優(yōu)先被菠菜［61］DGAT1選擇為底物。雖然大量關(guān)于DGAT底物特異性與選擇性方面的研究得出的結(jié)論并不一致，但這也說(shuō)明了DGAT基因的多樣性和重要性。因此關(guān)于植物體內(nèi)DGAT底物選擇性和?；o酶A偏向性的研究，將有助于對(duì)調(diào)控植物種子中脂肪酸組成的分子基礎(chǔ)進(jìn)行進(jìn)一步的了解，為基因工程技術(shù)改良種子中脂肪酸組成提供理論指導(dǎo)。

2.2.4 磷脂二酰甘油脂酰轉(zhuǎn)移酶（PDAT）基因

磷脂二酰甘油脂酰轉(zhuǎn)移酶（PDAT）是不依賴于?；o酶A合成途徑中催化二酰甘油合成三酰甘油的最后一步。穆嬌［62］克隆得到的兩個(gè)白菜型油菜PDAT1雖然重復(fù)基因結(jié)構(gòu)上存在差異，但它們均能提高葉片中TAG含量及葉片中不飽和脂肪酸的含量。不同物種中PDAT的功能具有一定的差異。在向日葵、蓖麻中PDAT利用某些含特殊?；鶊F(tuán)的PC作為底物，合成TAG［63］。酵母中，PDAT參與對(duì)數(shù)期TAG的合成［64］。海甘藍(lán)中，PDAT催化形成的TAGSn-3位沒有長(zhǎng)鏈脂肪酸［65］。擬南芥功能型缺失突變體pdat1與PDAT1過(guò)表達(dá)植株中，TAG含量無(wú)明顯變化［66，67］。然而，當(dāng)采用RNA干擾At-DGAT1（pdat1突變體）或PDAT1（dgat1突變體）后，種子中油脂含量減少70%～80%，且花粉管不能正常萌發(fā)，胚發(fā)育受阻［68］。

3 展望

油脂在人類的生產(chǎn)生活中扮演著重要的角色，對(duì)植物油脂的需求也越來(lái)越大，這極大地促進(jìn)了分子生物學(xué)的研究。植物三酰甘油合成是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，涉及大量的基因及其編碼的酶類，改變其中任何一個(gè)關(guān)鍵酶，都有可能改變植物含油量或者油酸成分，所以弄清合成過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)具有重大意義。近年來(lái)，利用基因工程技術(shù)手段改造植物油脂生物合成與代謝途徑中相關(guān)基因取得了較大的進(jìn)展，三酰甘油合成途徑越來(lái)越清晰，與植物脂肪酸和三酰甘油合成相關(guān)的基因多態(tài)性位點(diǎn)不斷被發(fā)現(xiàn)，如在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了9個(gè)GPAT基因［21～24］，且GPAT1～9之間功能存在差異；丁檢等獲得了8個(gè)棉花LPAT家族基因的全序列和染色體定位信息［34］，這為分子育種提高植物含油量、改善油脂品質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。

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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，碩士研究生，Email：1453282987＠qq.com。*通信作者，Email：wuxm126＠163.com。

“十三·五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0101300）；湖南省省長(zhǎng)專項(xiàng)（湘財(cái)農(nóng)指［2016］114）。