新型植物脂肪酰基转移酶和甘油脂合成途径的探究

Oil-producing plants are the major source of edible oil and represent a potential resource for sustainable production of renewable bioenergy and chemical feedstock. Thus, amelioration of agronomic and quality traits of oilseed plants will help solve the present and future shortages of edible oil and industrial feedstock. It is generally thought that effective manipulation of agronomic and seed quality traits necessitates deep understanding of the glycerolipid biosynthetic pathways in model and non-model plants. However, the major source of precursors for neutral lipid biosynthesis has remained unclear thus far, and two key questions have yet to be answered: (i) which genes encode enzymes responsible for the first and second acylation reactions in the neutral lipid biosynthetic process; (ii) whether the precursors of polar and neutral glycerolipids are synthesized via separate fatty acyl assembly systems. The unresolved questions make it very difficult to manipulate oil biosynthesis in an effective way, thereby hampering agricultural development. To solve these problems, we attempt to isolate and characterize genes encoding novel fatty acyltransferases and explore new glycerolipid biosynthetic pathways in oilseed plants by using a combination of advanced research tools and well-designed experimental systems. The findings of this investigation will help decode the molecular mechanisms underlying glycerolipid biosynthesis and provide the foundations for improving oil production in oilseed crops and for modifying seed oil composition suitable for different applications.

油料植物不仅是食用油的主要来源，而且是可持续地生产生物能源和化工原料的潜在工厂。因而，改善油料植物的农艺和品质性状将有助于缓解目前和将来食用油和化工原油的短缺。普遍认为，这些性状的有效调控有赖于对模式和非模式植物中甘油脂合成途径的深入了解。然而油脂合成前体的主要来源尚不清晰，两个关键的科学问题尚未得到解决。其一，油料种子中油脂合成的初始反应和第二步酰化反应究竟是由哪些基因编码的酶直接控制的？其二，极性和中性甘油脂的合成前体是否分别由不同的脂肪酸组装体系控制？它们的存在使得人们难以有效地操控甘油脂的合成，从而制约了农业经济的发展。为了解决这些问题，我们将结合多种不同的研究手段和实验体系，分离和鉴定油料植物中新型的酰基转移酶以及探索新的甘油脂合成途径。其研究结果将有助于深入了解植物甘油脂合成的分子机理，并为有效提高油料作物中油脂的生产以及改造油的组分使之适应各种不同的用途提供理论基础。

甘油脂在油料作物的农艺和品质性状建成过程中起着重要作用，然而迄今尚不清楚植物中控制甘油脂合成的初始反应的3-磷酸甘油酰基转移酶(GPAT) 究竟由哪些基因编码。在本项目中，我们创建了一个新型、简便、专一、高效的酵母遗传互补法，并利用它从拟南芥中分离与鉴定了20个功能未知的、含有保守酰基转移酶特征序列的功能蛋白，发现其中4个具有GPAT活性。进一步证据表明其中3个基因参与种子中油的合成，AtGPAT1与AtGPAT5（或AtGPAT7）双敲除导致种子中油的含量下降30%。. 同时探明N-末端的亚细胞定位序列对AtGPAT1和ATS1的酶活性产生不同影响，质体转运肽序列的存在严重降低ATS1的酶活性，而亚细胞定位序列对AtGPAT1的活性无明显影响。然而，AtGPAT1中112-115位的氨基酸残基对GPAT酶的活性起着不可缺少的作用。. 运用上述遗传互补法，进而鉴定了30多个花生与油菜中编码GPAT酶的基因， 并比较分析了拟南芥、花生与油菜中GPAT基因的结构与功能。特别地，我们的证据表明植物中GPAT酶的活性受磷酸化与非磷酸化机制调控，这对今后通过基因工程手段提高作物的产油量十分重要。. 另一重要发现是AtGPAT5和AtGPAT7在P与K利用率方面起着十分重要作用。其双敲除导致植物生长延缓、茎秆变细、叶片变小且衰老加速、花青素积累增强。在低磷条件下，其双敲除导致根部游离磷积累大幅增加。在正常生长条件下，K的吸收也受这二个基因的调控。在双敲除突变体叶片中，Rb（K的类似物，用作K吸收的示踪物）的含量不到野生型的五十分之一，而单突变体与野生型相比无很大差异，说明这二个基因在K吸收过程中有着重要的重叠功能。目前尚未见Rb含量变化如此大的拟南芥突变体，因此相信这个突变体的获得与利用将会加速农作物K利用率的研究。. 最后，为了揭示磷酸二羟丙酮途径的生物学意义，我们构建了40多个酵母单、双、三缺突变体或过表达菌株，并在生化、分子水平上对它们进行比较分析，发现这一途径在碳源利用和能量产生等生物学过程中起着重要作用。这些新发现将为动植物脂类代谢研究提供重要理论借鉴。