陳 鎮(zhèn) 李秀麗 陳法志

（武漢市農(nóng)業(yè)科學院林業(yè)果樹研究所，武漢 430075）

脂類是植物生命周期中必不可少的物質(zhì)，廣泛參與了細胞信號轉(zhuǎn)導、能量穩(wěn)定、膜重塑等多種細胞功能［1］。植物將脂類以甘油三酯（TAG）的形式貯藏在細胞中，為隨后的萌發(fā)及代謝過程提供能量［2］。TAG分子之間不是彼此聚合而是分散成許多小的相對穩(wěn)定的亞細胞微滴，稱之為油體。油體廣泛存在于原始菌類、藻類、裸子和被子植物的各種器官中，參與碳源的分配、供能、抗逆及信號轉(zhuǎn)導等多種生物學路徑［3］。本文就近年來對植物油體的組成、結(jié)構(gòu)、生物合成及功能研究進行了整理及總結(jié)，為后期深入開展植物油體的相關(guān)研究提供理論基礎(chǔ)。

1 植物油體的結(jié)構(gòu)、組成及特點

作為一種在高等真核生物中普遍存在的細胞器，植物油體的數(shù)量、大小及組成在不同細胞中差異巨大。植物種子中的油體通常呈圓形或卵形，直徑在0.5～2.5μm之間，但在豆科植物的種子里，油體直徑可達 5～7.5μm［4，5］。在對油菜種子油體3D結(jié)構(gòu)的研究中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)油體的體積小于 100μm3［6］。

與其他細胞器相比，油體具有特殊的結(jié)構(gòu)，其外有一層磷脂單分子膜，膜上具有決定油體性質(zhì)（數(shù)量、大小和功能）的蛋白（圖1），膜的基本單位由13個磷脂分子和1個油體相關(guān)蛋白組成［7］。通過分離來自油菜、芝麻、玉米等種子中的油體發(fā)現(xiàn)，單分子膜中的磷脂約占油體總脂質(zhì)含量的1%～2%，主要由磷脂酰膽堿（41%～64%W/W）、磷脂酰絲氨酸（18%～33%W/W）、磷脂酰乙醇胺（3%～18%W/W）和磷脂酰肌醇（7%～21%W/W）組成［4］。大多數(shù)植物油體的核心由中性脂質(zhì)構(gòu)成，主要為三酰甘油（TAG）和甾醇酯（SEs），另外還可能含有其他類型的疏水性化合物，如類胡蘿卜素、蠟質(zhì)、醚脂及聚萜烯等［8，9］。除了油體核心的組成物質(zhì)不同外，植物不同器官中油體相關(guān)蛋白的組成及含量也存在差異，在被子和裸子植物的種子、花粉及絨氈層中，油體蛋白（Oleosins）是含量最豐富的膜蛋白，此外油體膜蛋白還主要包括油體鈣蛋白（Caleosins）、油體固醇蛋白（Steroleosins）、油體協(xié)助蛋白（Oil Body Associated Proteins）、類固醇脫氫酶（Hydroxysteroid Dehydrogenase）、雙加氧酶（Dioxygenase）、糖依賴蛋白 （Sugar Dependent Protein）等［10］。這些膜蛋白按照合成部位及運輸方式的不同可分為兩大類，I類膜蛋白主要在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成，其自身具有疏水的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，可跨膜從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)運輸?shù)接腕w表面，維持油體的結(jié)構(gòu)與功能。II類膜蛋白主要在細胞質(zhì)中合成，形成后以兩親螺旋體結(jié)構(gòu)定向錨定并埋植于油體表面，進而發(fā)揮其生物學功能［11］。

圖1 油體的結(jié)構(gòu)［11］Fig.1 Lipid Droplet Structure［11］

2 植物油體的生物合成

盡管從結(jié)構(gòu)上看油體是相對簡單的細胞器，但其生物合成的分子機制至今仍不清楚。已有研究表明，油體是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上發(fā)生的，其形成與中性脂質(zhì)的生物合成密切相關(guān)，主要包含三個生物學步驟：中性脂質(zhì)的合成與脂質(zhì)晶狀體的形成；油體的初始發(fā)生與出芽；油體的生長與成熟。整個油體的分子發(fā)生模式見圖2。

圖2 油體的生物合成［11］Fig.2 Lipid Droplet Biogenesis［11］

2.1 三酰甘油的合成及脂質(zhì)晶狀體的形成

油體形成的第一步是中性脂質(zhì)的生物合成，主要包括TAG、甾醇及蠟酯類物質(zhì)。TAG在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上由二酰甘油酰基轉(zhuǎn)移酶1（DGAT1）和磷脂二酰甘油?；D(zhuǎn)移酶1（PDGAT1）以二酰基甘油（DAG）為底物催化合成而來，DGAT1以脂酰輔酶A為?；w而PDGAT1以磷脂酰膽堿為?；w。合成的TAG隨機分散在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)雙層膜內(nèi)，這一過程可能受到脂質(zhì)儲存誘導的跨膜蛋白（FIT）影響，F(xiàn)IT蛋白在維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面具有重要作用，穩(wěn)態(tài)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔環(huán)境將有利于TAG的生物合成。隨著TAG的不斷形成，含量逐漸增加，最終會聚集形成脂質(zhì)晶狀體（Lens）［12］，當TAG濃度達到5mol%～10mol%時，這種轉(zhuǎn)變就會發(fā)生，形成的晶狀體直徑在30～60nm之間［13］。脂質(zhì)晶狀體的形成過程中，是否有蛋白質(zhì)的直接參與，其在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上是否隨機形成或者有優(yōu)先形成的相關(guān)位點，目前尚不清楚。甾醇及蠟酯同樣是在植物細胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成。擬南芥中的甾醇合成依賴于磷脂甾醇?；D(zhuǎn)移酶（PSAT）［14］，霍霍巴種子中油體累積的主要是蠟酯，其形成依賴于蠟酯合成酶的催化［15］。

2.2 油體的初始發(fā)生及出芽

脂質(zhì)晶狀體形成后，作為油體發(fā)生的“核”會分散于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中，隨后在非酶促作用因子SEIPIN的幫助下，形成初生的油體（圖 2）。SEIPIN是一種在真核生物中保守的蛋白質(zhì)，其名稱來源于人類先天性脂肪組織缺乏綜合征，該疾病將導致人體嚴重的營養(yǎng)不良［16］。SEIPIN位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，形成寡聚體結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用，當其在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上“掃描”發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)晶狀體時，便與后者進行錨定，以脂質(zhì)晶狀體“核”為基礎(chǔ)來調(diào)控油體的形成、大小與出芽［17］，同時能穩(wěn)定內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與油體接觸面的外部環(huán)境［18，19］。與僅包含單個 SEIPIN基因的酵母、昆蟲和人類不同，植物擬南芥中存在三個SEIPIN基因，表明該蛋白家族可能在植物中得到擴展以發(fā)揮其特異性功能。在擬南芥中，抑制SEIPIN基因的表達將導致種子和花粉中形成異常的巨型油體，并降低花粉的繁殖力和種子的發(fā)芽率［20］，進一步證實SEIPIN基因在植物油體正常形成中發(fā)揮著重要作用。

油體不斷合成且體積增大到一定程度時，將會從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上出芽剝離。在這個過程中磷脂和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜表面張力發(fā)揮著重要作用［21，22］。磷脂組分通過影響中性脂質(zhì)的幾何構(gòu)象進而影響油體的出芽效率，例如，呈圓錐形構(gòu)象的二?；视突蛄字Ｒ掖及凡焕谟腕w出芽，而與前兩者構(gòu)象相反的溶血磷脂則促進油體出芽［23，24］。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜表面張力一方面能促進油體圓形形狀的形成，最大程度的減少油體核心中性脂質(zhì)與水溶性細胞質(zhì)的接觸，另一方面油體表面的磷脂和蛋白質(zhì)分隔了油水界面，其組成上的差異引起膜表面張力的不平衡，最終決定油體出芽的方向［25］。

除了SEIPIN外，植物油體蛋白與油體的形成及出芽也密切相關(guān)。油體蛋白是一類分子量較?。?5～30 kDa）、在植物種子中大量存在、緊密結(jié)合于油體表面以幫助油體維持穩(wěn)定的堿性蛋白［26］。植物油體蛋白是一個較大的基因家族，迄今為止在不同植物中已發(fā)現(xiàn)超過1000個編碼油體蛋白的基因，通過研究31種陸地植物的油體蛋白基因家族，可以將油體蛋白劃分為M-、L-和H-型三類，其中 M-為原始祖先型［27］。油體蛋白 N端和C端朝向胞漿，具有兩親性，中部由72個氨基酸組成非極性疏水區(qū)，其中心一段極保守的“脯氨酸節(jié)”（-PX5SPX3P-）結(jié)構(gòu)對油體蛋白定位到油體上至關(guān)重要［28，29］。和其他許多膜結(jié)合蛋白類似，油體蛋白最初是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上通過共翻譯的方式形成，隨后被轉(zhuǎn)運到新生的油體中，在油體出芽過程中發(fā)揮作用。

2.3 油體的生長與成熟

油體從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上出芽剝離后，會逐漸生長增大。其生長方式主要有兩種，油體與油體之間融合生長，或者以獨立的個體擴大增長（圖2）。在第二種方式中，合成TAG所需的酶會從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上運輸定位到油體表面，在油體表面區(qū)域發(fā)揮生物學功能，合成TAG并將其堆積在疏水核心中［30］。在油體生長期間，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜會持續(xù)為油體提供磷脂單分子層外殼。

酶類物質(zhì)能否正確靶向定位到油體表面發(fā)揮作用將決定油體是否能夠正常生長。對于許多亞細胞器而言，一些特定的氨基酸序列調(diào)控著相關(guān)蛋白酶正確靶向至亞細胞器的結(jié)構(gòu)域。靶向過程通常涉及同源受體蛋白對離散靶向信號的識別以及輔助蛋白質(zhì)正確穿梭至亞細胞器內(nèi)部［31］。植物中，對油體蛋白的靶向過程已有一些探索。早期研究表明，體外重組表達的油菜油體蛋白可正常轉(zhuǎn)運至微粒體中，并且在微粒體的存在下，油體蛋白的合成速率提高了約三倍，表明有某些信號識別顆粒參與了油體蛋白的靶向過程［32］。通過在酵母中研究向日葵油體蛋白的表達情況，證明油體蛋白正確靶向至油體表面需要依賴信號識別顆粒和SEC61復合物的共同作用［33］。在煙草中的研究發(fā)現(xiàn)，油體外殼蛋白PLANT UBXDOMAIN-CONTAINING PROTEIN 10（PUX10）上的一段疏水結(jié)構(gòu)是油體靶向信號的一部分［34］。除了通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)間接靶向至油體外，許多油體相關(guān)蛋白可以從細胞質(zhì)直接靶向至油體［29］。盡管這一過程尚未在植物中普遍發(fā)現(xiàn)，但在其他生物中的研究表明，油體相關(guān)蛋白通常使用兩親雙螺旋來識別油體表面單分子層上的“堆積缺陷“（磷脂分布的不均一性區(qū)域）進而實現(xiàn)靶向過程［35］。

為了在植物的生長發(fā)育及環(huán)境變化過程中調(diào)控脂類及油體的生長，一些蛋白質(zhì)會參與脂質(zhì)代謝和油體的合成，其豐度也是呈動態(tài)變化的。如轉(zhuǎn)錄因子 WRINKLED1（WRI1）和 LEAFY COTYLEDON2（LEC2）在擬南芥種子胚發(fā)育過程中參與調(diào)控TAG的生物合成，抑制其中任一基因的表達都將導致種子中TAG含量的大幅減少［36，37］。另一方面，異位過表達WRl1及LEC2將使細胞內(nèi)脂肪酸及TAG的合成增加，油體的數(shù)量也會增多［38］，尤其是在營養(yǎng)組織器官中，如煙草葉片［39］和馬鈴薯塊莖［40］里，這一變化更加明顯。WRI1和LEC2不僅調(diào)控與脂肪酸合成有關(guān)的基因，還控制種子特異性油體外殼蛋白的表達［37］，包括油體蛋白、油體鈣蛋白、油體固醇蛋白及TAG脂肪酶1（OBL1）。近期研究表明，轉(zhuǎn)錄因子MYB96在擬南芥葉片中對于干旱脅迫下TAG及油體的積累具有重要作用［41］，這提示除WRI1和LEC2外還有許多轉(zhuǎn)錄因子參與TAG及油體的生物合成及調(diào)配。

3 植物油體的生物學功能

3.1 種子和幼苗中油體的生物學功能

在植物種子里，以TAG為核心的油體通常作為碳源和能量儲藏的“庫”存在于子葉、胚乳及胚軸中，為籽粒的發(fā)育提供必須的碳骨架和能量［10］。例如在成熟的擬南芥種子中，TAG最多可占干重的40%。其次，油體能參與植物種子抵抗環(huán)境脅迫。大多數(shù)植物的種子成熟后會脫水干燥，并長期處于次適宜的環(huán)境中，如干旱、高溫、寒冷等，在這種條件下，植物須保持蛋白質(zhì)和膜的完整性，以維持細胞及細胞器的功能，確保條件一旦適宜，它們能在種子發(fā)芽過程中發(fā)揮作用［42］。研究表明，油體蛋白能促進冷脅迫期間油體的完整性，進而提高種子的抗寒力，保證種子在冷脅迫后仍能正常萌發(fā)［43］。再次，油體能參與植物內(nèi)源激素的合成，調(diào)控個體的生長發(fā)育，如依賴于油體固醇蛋白的油菜素內(nèi)酯的生物合成［44］。最后，油體能調(diào)控其他細胞器的生物合成，如在微管和油體轉(zhuǎn)運蛋白等的作用下，油體能為過氧化物酶體、葉綠體質(zhì)膜的合成提供中性脂質(zhì)及磷脂［45］。

3.2 花粉和花粉管中油體的生物學功能

花粉粒含有雄性配子體細胞，在開花植物的受精過程中起著至關(guān)重要的作用。與種子類似，花粉粒在成熟過程中會累積油體，這可能是驅(qū)動花粉萌發(fā)的碳和能量來源，例如在橄欖中，隨著花粉的萌發(fā)及花粉管的生長，儲存在花粉粒中的油體會逐漸消失［46］。SEIPIN蛋白突變?nèi)毕菪蛿M南芥植株的花粉粒中會產(chǎn)生巨型油體，這些油體隨著花粉萌發(fā)無法進入花粉管，將嚴重影響雄性的育性［20］。擬南芥花粉中最先響應TAG降解促進花粉管延長的可能是SDP1蛋白［47］。近期在煙草中發(fā)現(xiàn)OBL1脂肪酶對于花粉管的生長具有重要作用［48］。在對番茄中OBL1蛋白的研究表明其參與了葉片中脂蛋白衍生揮發(fā)物的合成［49］，暗示OBL1可能通過提供游離脂肪酸而在花粉管的形成中發(fā)揮作用。有一部分的研究認為，花粉粒中TAG的含量相對較少（占煙草中花粉干重的2%，油菜干重的4%），產(chǎn)生的能量不足以維持花粉萌發(fā)及受精的全過程［50］，一個合理的解釋是花粉管在萌發(fā)后期的生長可能由雌性組織供能，并不完全依賴于它自身的能量儲備。

3.3 葉片中油體的生物學功能

葉片中TAG的量和油體的數(shù)量通常比種子和花粉中低很多，它們在晝夜周期中含量會呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，并且在非生物脅迫條件下會劇烈增加［51］。例如熱脅迫下擬南芥葉片中TAG的含量是正常狀態(tài)下的10倍［52］，類似結(jié)果在干旱條件下車前草的葉片中也同樣存在［53］。脅迫條件下，TAGs可能作為游離脂肪酸的一個儲存“庫”，這些脂肪酸是由膜破裂和/或重塑釋放出來的，所以其含量會劇烈增加。一旦脅迫解除，游離脂肪酸會從TAGs中重新被引導進入膜脂系統(tǒng)，如過氧化物酶體中［54］，繼續(xù)參與行使正常的生物學功能。除了參與葉片抵抗非生物脅迫，油體及其相關(guān)蛋白還能調(diào)節(jié)植物生長和對生物脅迫的抗性。例如在擬南芥中過表達油體固醇蛋白基因能促進植株的生長發(fā)育，同時提升植株對鹽脅迫的抗性［55］。定位于油體表面的鈣依賴型蛋白激酶1（CPK1）能促進擬南芥植株抵抗枯萎病、灰霉病及細菌性斑點病，CPK1缺陷型植株對上述病菌的侵染更加敏感，而過表達CPK1則能提升植株的抗性［56］。在擬南芥植株抵抗炭疽病侵染時，油體鈣蛋白3（CLO3）和 α-雙加氧酶 1（α-DOX1）發(fā)揮著重要作用，當受到病菌侵害時，α-雙加氧酶1以游離的α-亞麻酸為底物產(chǎn)生不穩(wěn)定的十八碳三烯酸，隨后通過CLO3的催化作用迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的2-羥基十八碳三烯酸（2-HOT），2-HOT作為一種植物抗毒素能抵抗炭疽桿菌的入侵［57］。

4 啟示與展望

植物油體作為細胞中一類重要的亞細胞器，近些年來受到了研究者們的極大關(guān)注，過去的研究讓人們對其結(jié)構(gòu)、組成、發(fā)生、生長及在生命活動中行使的生物學功能有了一定的了解，但仍存在許多不足及研究領(lǐng)域的空白。如在植物油體發(fā)生機制的研究中，許多實驗方法及研究思路都是參照人體、動物及酵母中的模型來進行的，由于物種之間的差異及植物自身的特點，所獲得的結(jié)果可能無法完全闡釋其真實的分子機理。另外，隨著研究的不斷深入，與植物自身油體密切相關(guān)的一些生物學問題涌現(xiàn)出來：植物油體在形成過程中是如何受到精準調(diào)控的？植物油體自噬作用的生物學機制？植物油體是如何響應晝夜節(jié)律的？受環(huán)境脅迫而短暫形成的油體，其產(chǎn)生的目的與功能是什么？油體除存儲與分解TAG外在植物生理代謝中還發(fā)揮哪些作用等等，這些都是未來基礎(chǔ)研究中亟待解決的問題。油體作為脂質(zhì)的儲存單位，運用基因工程方法改進植物油體的合成模式，在提高植物的含油量、增加油脂營養(yǎng)和降低成本方面都是極有利的，在未來的研究工作中可作為重點研發(fā)方向加以探索。