利用LEAFYCOTYLEDON2轉錄因子提升植物營養器官內油脂含量的研究綜述

薛金嫚 劉華 陳亞東

摘要：近年來，由于傳統油料作物種植耕地受限，在植物營養器官內合成和儲存油脂已成為新的全球研究熱點。研究表明，在植物營養器官中通過基因工程手段調控參與種子中油脂合成的相關基因，會有效提升其甘油三脂含量和脂肪酸組成。LEAFY COTYLEDON 2（LEC2）是具有B3結構域的DNA結合蛋白家族的成員，參與調控胚胎發生、種子儲藏蛋白合成、脂肪酸代謝等重要生物學過程。近年來，許多研究都選擇該轉錄因子作為改造植物營養組織產油的關鍵因子，筆者對上述研究作了簡要的綜述，并探討了目前仍存在的問題和可能的解決對策。本文可為今后利用基因工程手段調控植物營養器官內的油脂含量提供了一定的參考。

關鍵詞：LEC2;植物;營養器官;油脂合成

中圖分類號： S188 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）07-0011-03

隨著全球人口增加，工業化進程加快，全球面臨食用油和化工原油短缺的嚴峻局面[1-2]。植物油脂除了提供人類及動物的營養，也普遍用于肥皂、表面活性劑、化妝品、涂料、潤滑油以及生物柴油的生產。在過去的半個世紀，人們通過各種嘗試來提高和改變油料作物的農藝和品質性狀[3-5]。近年來，由于氣候變化、環境污染、耕地受限，研究者逐漸認識到僅利用油料作物的種子來生產植物油已難以滿足日益增長的市場需求[6]。在自然狀態下，葉片、莖稈等營養器官作為能量合成和運輸的“源”器官，累積的中性油脂含量非常低下。僅在一些逆境脅迫條件下，植物營養組織內會合成少量的油脂，但無法形成大量的累積。由于植物的營養組織具有生物量大、生長周期短、收獲指數高的優點，近年來探索在植物營養組織內合成和儲存油脂，作為傳統植物油生產體系的補充，已成為國外的研究熱點。目前一般從調控葉綠體內脂肪酸合成、加強內質網上甘油三脂的組裝和促進胞質內油滴形成這3個方面進行研究，選擇改造上述過程中的1個（或多個）關鍵酶基因或轉錄因子。如在煙草幼苗中過表達擬南芥中的二酰甘油酰基轉移酶基因（DGAT1），可使甘油三酯（TAG）含量增加至1%干質量[7]，而在轉基因煙草葉片中，TAG含量達到干質量的 1.5%[8]。在擬南芥CGI58脂酶的突變體葉片中，TAG的含量可達到干質量的0.03%～0.22%，同時亞油酸、亞麻酸等多不飽和脂肪酸含量升高[9-10]。而與此類似的是，在煙草內共表達WRI1和DGAT對煙草葉片內TAG的積累有協同作用[11]。而在擬南芥中過表達WRI1和DGAT可使其營養器官中TAG含量達到干質量的2%～3%[12]。Kelly等進一步研究發現，在擬南芥SDP1脂酶突變體中共表達WRI1和DGAT基因，可以使葉片中的TAG含量達到干質量的5%，根中TAG含量達到干質量的8%[12]。上述研究表明，通過調控TAG合成過程中的1個或多個關鍵酶，植物營養器官完全可以作為產油和儲油的“工廠”來生產和累積油脂。

除了選擇油脂合成代謝的關鍵酶基因進行改造以外，眾多研究者還選擇了不同來源的LEC2（LEAFY COTYLEDON2）轉錄因子來進行改造。LEC2是一個具有B3結構域的DNA結合蛋白，它參與調控了種子儲藏蛋白代謝、胚胎形成和脂肪酸代謝等重要生物學過程[13]。2004年，LEC2在擬南芥中被首次報道，過量表達AtLEC2，促進了體細胞胚胎的形成，使轉基因植物營養組織出現了胚性發育現象。基因芯片數據還表明，AtLEC2能夠誘導下游大量參與合成儲藏蛋白、油體和脂肪酸的重要基因表達。最近研究還發現，LEC2對脂肪酸合成的調控作用，極有可能是通過調控AtWRI1轉錄因子來間接完成的[14-16]。通過分析近年來發表的文獻，將利用LEC2來改造植物營養組織含油量的研究分為兩大類，即單獨改變LEC2轉錄因子表達量的研究和組合表達LEC2轉錄因子的研究。

1 單獨過表達LEC2對植物營養組織油脂合成的影響

脂肪酸供應是影響甘油三酯合成的主要因素[17]。在植物中，脂肪酸的合成發生在葉綠體中，其轉錄水平的調控被認為是主要的調控途徑[18-19]。LEC2是參與調節脂肪酸合成的主要轉錄因子之一，近年常被用于提升并優化植物種子內的油脂含量和脂肪酸組成[20]。Mendoza等首次在擬南芥中過表達AtLEC2，發現在葉片內積累了種子特異的mRNA，這些基因與甘油三酯的積累及油滴的形成密切相關;與此同時，在含有蔗糖的培養基中誘導LEC2表達的擬南芥第1個葉片的甘油三酯含量有所增加[21]，說明過表達LEC2可提升營養組織內的油脂含量。有趣的是，Slocombe等分析了3～4周齡、生長在土壤中的過表達AtLEC2擬南芥植株的葉片油脂含量，結果卻發現其甘油三酯含量明顯低于野生型[22]。上述差異可能是由培養基中的碳源供給不同而造成的，暗示著LEC2驅動的營養組織內的油脂合成需要充足和穩定的碳水化合物供給。

另外，由于LEC2參與了植物的胚性發育，而組成型過表達LEC2的轉基因植株，往往出現生長緩慢、葉片卷曲的表型。Kim等在擬南芥中用35S強啟動子驅動過表達來自蓖麻的LEC2轉錄因子，結果發現轉基因擬南芥中的TAG含量分別達到了野生型的2.8倍（283 ng/mg）。但是，與此同時，轉基因植株卻出現了組織扭曲變形的體細胞胚胎發生現象，嚴重影響到了轉基因植株的光合作用和生物量累積[23]。由于35S啟動子是一個組成型表達的強啟動子，因此對于所驅動的基因會非選擇性地進行強行表達，而在自然狀態下，LEC2的表達不可能是組成型的。有趣的是，選擇不同的啟動子，對于LEC2的表達效果和植株表型也會產生截然不同的影響。Andrianov等在煙草葉片中用AIC作為啟動子，在成熟葉片中用乙醛誘導了AtLEC2的表達，結果表明，AtLEC2的表達使煙草葉片中總的脂肪酸含量達到干重的6.8%，但表型卻沒有發生明顯的改變[24]。Nookaraju等在煙草莖稈中以PtdCesA8A為啟動子，過表達擬南芥的AtLEC2，使莖稈中的含油率達到2%，轉基因煙草的表型同樣沒有受到影響[25]。Kim等用衰老誘導啟動子在擬南芥中過表達AtLEC2，結果發現葉片內WRI1表達量上升，轉基因植株TAG含量達到干質量的1.4%，與野生型相比提高了3倍，但是植株表型未發生任何改變，其生長沒有受到明顯的抑制[26]（表1）。上述結果表明，不同的啟動子，對LEC2的表達和功能具有不同的調控作用。

最后，在不同的受體物種中，過表達LEC2轉錄因子，其產生的效果也有差異。如用35S強啟動子驅動擬南芥AtLEC2在小球藻內過表達，發現轉AtLEC2基因藻株的脂肪酸含量比原始藻株提高了1倍以上，且對小球藻的生長及光合作用沒有產生明顯影響[27]。

2 共表達LEC2和其他基因對植物營養組織內油脂含量的影響 ?在種子中，僅通過控制油脂代謝途徑中單一的酶促反應已被證明并不能顯著影響種子內的油脂合成與儲存[28]。單獨過表達LEC2的轉基因策略對植物營養組織或藻類的油脂合成具有促進作用，但是由于植物油脂合成是一個極其復雜的過程，涉及到各種不同功能的酶在代謝途徑中的分工合作，共同調控著油脂的合成與累積，因此組合LEC2與其他基因進行共表達，理論上可以更進一步提升轉基因植株的油脂含量。近年來，越來越多的研究者嘗試將油脂合成（降解）代謝途徑中的多個關鍵酶基因（轉錄因子）進行組合表達（或敲除），以此來提高植物營養器官中的油脂含量。目前的研究主要從以下3個層面入手：（1）在葉綠體內提高光合產物轉化為脂肪酸的效率;（2）增加內質網上脂肪酸組裝成甘油三酯的效率;（3）降低脂酶活性，防止脂肪酸或油體的降解[5-6，29-30]。其中，調控葉綠體內脂肪酸合成的LEC2已被選擇與內質網上甘油三脂組裝、胞質內油滴形成的多個基因進行組合并串聯表達（表1）。Slocombe等在擬南芥中過表達AtLEC2，擬南芥在葉片處于衰老期時甘油三酯積累量達到最大值，為干質量的0.8%，但是脂肪酸降解突變體cts2與過表達AtLEC2植株雜交后代油脂分析顯示，其甘油三酯含量與cts2單突變體相比并沒有明顯增加;類似地在過氧化物酶體pxa1突變體中過表達AtLEC2，結果表明，在葉片進入衰老期時擬南芥葉片中的甘油三酯含量與擬南芥pxa1突變體相比也并沒有明顯增加[22]。這可能是因為當葉片處于衰老期時，二者都能利用膜脂降解過程產生的脂肪酸以避免其進入氧化途徑，因此選擇適當的基因組合也是十分必要的。Londo等在煙草中共表達WRI1、DGAT1及OLEOSIN，結果表明，根、莖中的甘油三酯含量都有所提高，處于衰老時期葉片的TAG含量達到干質量的15%，并且對植株生長沒有產生明顯的影響[31]。Li等又進一步在共表達WRI1、DGAT1及Oleosin的煙草葉片中過表達AtLEC2，使葉片中的TAG含量達到干質量的30%[32]，這個數值已非常接近植物種子內的油脂水平。更重要的是，在上述轉基因植株中，并未表現出明顯的不良生長狀況。值得注意的是，在上述研究中，轉基因植株營養組織內積累的油脂分布并不均勻，呈現出較大的時空差異，即葉齡較大的葉片中的油脂含量高于幼年葉片，這可能是因為油脂的合成和累積需要時間，且衰老葉片內相關酶的表達量也較高。處于植株上部位置的葉片油脂含量高于植株下部位置葉片的油脂含量，這可能與維管束的運輸、淀粉的降解、糖酵解的空間區隔化有關。而筆者前期研究也發現，過表達AtLEC2煙草的植株，成年葉片上會出現比較明顯的葉片斑塊化現象，一些葉片部位呈現出非枯死性的白色斑塊區域，暗示著這些部位的葉綠體發育已受到明顯影響，這可能與過表達AtLEC2會驅動脂肪酸進入內質網參與甘油三酯組裝，而非進入葉綠體參與膜脂重建有關。所以，在對轉基因植物進行油脂含量分析時，取樣時期和取樣部位的選擇至關重要。

3 展望

植物油脂的合成是一個極其復雜的過程，在植物營養組織內合成和儲存油脂，從概念的提出到實驗室獲得30%葉片含油量的轉基因煙草株系，只用了不到10年時間，相關領域的研究已如火如荼。LEC2轉錄因子雖然已被證明可以有效提高植物（藻類）營養器官和種子內的油脂含量，但是，其效果在不同的宿主植物和啟動子之間存在較大的差異，甚至在一些轉基因植株還出現了生長緩慢、葉片扭曲變形的胚性發育現象，嚴重影響了植株的正常生長。因此，選擇哪些宿主植物？選擇什么啟動子和結構基因進行組合？在植物哪些部位進行表達？表達量控制到多少才能平衡油脂產量和植物正常生長？這些問題還有待進一步的研究闡明。對LEC2調控營養組織油脂含量的研究，有助于研發新型的油脂生產體系，因此具有十分重要的理論和實踐意義。

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