全 文 ：植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2007, 24 (1): 105-113, www.chinbullbotany.com
收稿日期: 2006-03-09; 接受日期: 2006-10-30
基金项目: 国家自然科学基金(No. 30471009); 973计划(No. 2006CB101600)
* 通讯作者。E-mail: cmlu@oilcrops.cn
植物脂肪酸去饱和酶及其编码基因研究进展
戴晓峰, 肖玲, 武玉花, 吴刚, 卢长明*
中国农业科学院油料作物研究所, 农业部油料作物遗传改良重点开放实验室, 武汉 430062
摘要 脂肪酸去饱和酶是催化脂肪酸链特定位置形成双键和产生不饱和脂肪酸的酶类。植物脂肪酸去饱和酶主要有5种
(FAD2、FAD3、FAD6、FAD7和FAD8), 可分为ω-3型 (FAD2、FAD6)和ω-6型(FAD3、FAD7、FAD8)两大类。其编码基因
(FAD2、FAD3、FAD6、FAD7和FAD8)在植物中一般有多个拷贝。同种基因在不同植物中拷贝数不同, 同一植物中相同基
因的不同拷贝间在序列特征、表达调控和功能等方面也存在显著差异。本文根据国内外对脂肪酸去饱和酶基因及编码产物的
研究现状, 分别从它们的分类、拷贝数、结构、作用机制、表达调控等方面的研究进展进行了详细的分类阐述。
关键词 脂肪酸去饱和酶, 基因序列特征, 拷贝数, 基因表达调控, 研究进展
戴晓峰, 肖玲, 武玉花, 吴刚, 卢长明 (2007). 植物脂肪酸去饱和酶及其编码基因研究进展. 植物学通报 24, 105-113.
.专题介绍.
不饱和脂肪酸根据双键个数的不同, 分为单不饱和
脂肪酸和多不饱和脂肪酸两种。在食物脂肪中, 单不饱
和脂肪酸有油酸, 多不饱和脂肪酸有亚油酸、亚麻酸和
花生四烯酸等。根据双键的位置及功能又将多不饱和
脂肪酸分为w-6系列和w-3系列。亚油酸和花生四烯酸
属 w-6系列, 亚麻酸、二十二碳六烯酸(sulfonated oil,
DAH)和二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid, EPA)属
w-3系列。不饱和脂肪酸是植物膜脂的主要结构成分
(Shah et al., 1997), 大多数植物组织中不饱和脂肪酸
占脂肪酸总量的 75%以上。不同细胞内膜系统的脂肪
酸组成显著不同, 它们不仅提供了大量保守自由能, 并且
具有影响植物生长发育、应答各种环境信号等多种作
用 (Klaus et al., 2002; 代玉华等, 2004)。植物组织的
脂肪酸组成很大程度上受到脂肪酸去饱和酶种类和数量
的调控, 深入了解脂肪酸去饱和酶的种类、数量及其
编码基因的各种性质对于定向改变植物的脂肪酸组成
具有重要的理论和实际意义。本文对植物脂肪酸去
饱和酶的种类、分布、拷贝数、结构特征和基因调
控研究现状予以综述。
1 不饱和脂肪酸及其甘油脂的合成过程
脂肪酸合成途径是首先在质体基质中产生饱和脂肪酸
(16:0和18:0)。第一步去饱和反应是由硬脂酸(18:0)形
成油酸, 由位于质体基质中的硬脂酰 -ACP去饱和酶
(stearoyl-ACP desaturase, SAD)催化完成 (Ohlrogge
and Browse, 1995)。18:1和 16:0是植物细胞在质体
基质中合成的两种主要脂肪酸, 它们形成甘油脂后, 参与
生物膜的构建。在各种去饱和酶的作用下, 内质网或叶
绿体被膜中的甘油脂部分脂肪酸被还原, 成为含多不饱
和脂肪酸的甘油脂(Ohlrogge and Browse, 1995)。
2 脂肪酸去饱和酶及编码基因的分类
1992和 1994年人们先后从拟南芥突变体中克隆得到
FAD3 (Arondel et al., 1992)和 FAD2 (Okuley et al.,
1994)两个基因。随后发现还有去饱和酶基因FAD6也
能在脂肪酸中引入第二个双键 (Hitz et al., 1994), 证实
了以往关于“存在两种具有底物特异性的去饱和酶能
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够在脂肪酸中引入第二个双键”的假设。1993和1994
年人们相继在拟南芥中发现了FAD7 (Iba et al., 1993)
和FAD8 (Gibson et al., 1994)。目前人们已经从拟南
芥和许多其它植物中发现多种参与脂肪酸去饱和过程的
酶及其编码基因。
脂肪酸去饱和酶有许多种, 可以分为两大类。一类
在脂肪酸形成甘油脂之前引入第一个双键时起作用, 一
类在初步形成甘油脂之后对脂肪酸基团进一步去饱和时
起作用。其中前者仅包括 18:0-ACP去饱和酶, 它是唯
一一个可溶的去饱和酶, 后者包括 FAD2、FAD3、
FAD4、FAD5、FAD6、FAD7和 FAD8, 它们都是膜
整合蛋白。
在负责进一步去饱和的脂肪酸去饱和酶中, 按酶的
分布位置分, FAD2与FAD3位于内质网膜上, 负责除质
体膜内膜膜脂之外所有不饱和甘油脂的合成; FAD4、
FAD5、FAD6、FAD7和 FAD8均分布于质体膜上, 负
责质体膜内膜膜脂的进一步去饱和 (Ohlrogge and
Browse, 1995)。按底物不饱和键数量分, FAD4和
FAD5的底物没有双键; FAD2和FAD6的底物含有1个
双键; FAD3、FAD6、FAD7和 FAD8的底物含有 2个
双键 (Ohlrogge and Browse, 1995)。按底物碳链长
度分, FAD4和 FAD5的底物是 16碳脂肪酸; FAD2、
FAD3、FAD6、FAD7和 FAD8的底物是 C18脂肪酸
(Zhuang et al., 1996)。由于植物中C18不饱和脂肪酸
的组成是决定油脂品质的重要指标之一, 在生产上具有
重要意义, 所以催化C18脂肪酸进一步去饱和的酶及其
编码基因一直受到研究工作者的普遍关注 (研究现状如
表 1所示)。以下仅根据目前国内外在该领域的研究现
状, 着重就催化C18脂肪酸进一步去饱和的5种酶及其
编码基因的性质及特点进行讨论。
催化C18脂肪酸进一步去饱和的5种酶 (或基因)大
体可分为两类, 一类称为w-6 (或12)去饱和酶 (或基因),
包括FAD2 (或FAD2)与FAD6 (或FAD6); 另一类称为
w-3 (或15)去饱和酶 (或基因), 包括FAD3 (或FAD3)、
FAD7 (或 FAD7)和 FAD8 (或 FAD8)。
这两类酶除作用底物不同外, 还存在其它差异。如
O’Neill等 (2003)通过对拟南芥突变体的研究发现, 这些
酶编码基因的显隐性关系不同, w-6去饱和酶基因是隐性
的, 其突变均未造成多不饱和脂肪酸合成量的减少, 而
w-3去饱和酶基因是半显性的, 过量表达会导致亚油酸含
量减少、亚麻酸含量增加。
对于不同的w-6去饱和酶, 除定位不同外电子供体
系统也不同。FAD2系统包括 NADH、NADH : 细胞
色素B5还原酶和细胞色素B5; FAD6系统包括NAD(P)
H、铁氧还蛋白:NAD(P)还原酶和铁氧还蛋白。
对于不同的w-3去饱和酶, 按照定位不同可以将3种
表 1 植物脂肪酸去饱和酶及其基因性质比较
Table 1 Comparison of different fatty acid desaturase genes in plant
类别 基因
蛋白质的亚
编码酶的功能
能否受低温

已分离出相应基因的植物细胞定位 诱导超量表达
w-6 FAD2 内质网 在脂肪酸链中引入 否 拟南芥、油菜、甘蓝、白菜、大豆、烟草、葫芦、
第二个双键 欧芹、花生、芝麻、向日葵、棉花、油桐、菠菜、
橄榄、亚麻、香菇、苦瓜、旱金莲、安石榴、凤仙
花、金盏草、非洲雏菊、灌木中间锦鸡儿、栝楼
w-6 FAD6 叶绿体 在脂肪酸链中引入 否 拟南芥、油菜、甘蓝、大豆、向日葵、菠菜、番茄、
第二个双键 橄榄、火炬松
w-3 FAD3 内质网 在脂肪酸链中引入 否 拟南芥、油菜、大豆、红花菜豆、芝麻、甘蓝、亚
第三个双键 麻、菠菜、白桦、白苏、云杉、油桐、野毛豆
w-3 FAD7 叶绿体 在脂肪酸链中引入 否 拟南芥、油菜、甘蓝、向日葵、玉米、欧芹、蓖麻、
第三个双键 白桦、新疆野苹果
w-3 FAD8 叶绿体 在脂肪酸链中引入 否 拟南芥、玉米、籼稻、白桦
第三个双键
107戴晓峰等: 植物脂肪酸去饱和酶及其编码基因研究进展
去饱和酶分成两类, 其中FAD7与FAD8都定位于质体,
功能十分相似, 其唯一区别在于FAD8可以受低温诱导
超量表达 (Gibson et al., 1994)。
3 脂肪酸去饱和酶基因的拷贝数
目前对去饱和酶基因拷贝数系统研究清楚的十字花科植
物只有拟南芥, 对于w-6和w-3去饱和酶, 除一种w-3酶
外其余酶的编码基因都只有一个拷贝 (Okuley et al.,
1994)。甘蓝型油菜尽管也属于十字花科植物, 但由于
它是种间杂交产生的双二倍体植物, 所以其去饱和酶基
因几乎都是多基因家族, 至少有4个同源的DNA片断。
Scheffler等 (1997)根据Southern杂交带推测甘蓝型油
菜每个单倍体基因组中有4-6个拷贝FAD2, 6-8个拷贝
FAD3、FAD6和 FAD7。
对于非十字花科植物, 其拷贝数研究较多的w-6和
w-3去饱和酶基因是 FAD2。除拟南芥和油菜外, 该基
因目前已在大豆 (Heppard et al., 1996)、欧芹 (Kirsch
et al., 1997)、花生 (Jung et al., 2000)、芝麻 (Jin et
al., 2001)、向日葵 (Martinez-Rivas et al., 2001)、
棉花 (Pirtle et al., 2001)、油桐 (Dyer et al., 2002)和
橄榄 (Banilas et al., 2005)等多种植物中分离得到
(Scheffler et al., 1997)。并且已经在其中一些植物中
对该基因的拷贝数有了较清楚的了解, 如橄榄、芝麻中
各含 1-2个拷贝, 花生、大豆各含 2个, 向日葵、棉
花各 3个, 玉米中至少 3个。
同一植物中的不同去饱和酶基因拷贝具有不同的表
达特性与功能。以FAD2基因为例, 如Martinez-Rivas
等 (2001)从不同发育阶段的向日葵胚中分离得到 3个
FAD2基因, 其编码区同源, 但5和3UTR不同, 酵母表
达结果显示FAD2-1是种子特异表达并控制着胚发育阶
段油酸向亚油酸转变的FAD2拷贝, FAD2-2和FAD2-3
在所有组织中均有表达, 但除FAD2-3在发芽后两天的
子叶及根中表达量较高外, 这两种基因的表达量一致且
均较低, 所以向日葵中的这3个FAD2拷贝在结构和功
能上都有所不同, 其中FAD2-1负责储存脂的去饱和, 而
后两者则负责膜脂的去饱和 (Martinez-Rivas et al.,
2001)。
各种去饱和酶编码基因的多拷贝现象使人们利用突
变筛选调整油酸和亚麻酸比例的设想受到阻碍, 同时也
使人们在分子水平上调控去饱和酶活性的研究受到影
响。目前人们正在努力确定并定位出这些在种子发育
过程中有功能的去饱和酶基因拷贝, 以便更好地利用反
义技术调控油料作物种子的脂肪酸组成。
4 脂肪酸去饱和酶基因的结构
目前已知的植物w-6和w-3脂肪酸去饱和酶基因大多都
有多个拷贝, 并且同一植物内同一基因的不同拷贝也往
往在编码区、内含子、5UTR和 3UTR长度等各种性
质上存在差异。由于拟南芥中的去饱和酶基因几乎都
是单拷贝, 因此目前人们对w-6和w-3去饱和酶基因结构
研究最为清楚的植物是拟南芥。以下首先以拟南芥为
例, 介绍该类去饱和酶基因的结构特点, 然后以棉花中的
FAD2基因为例对比同一植物内同一基因的不同拷贝在
基因结构和产物性质上的异同。
表 2列出了拟南芥中 5个w-6和w-3脂肪酸去饱和
酶基因及其编码蛋白的序列信息。其中 FAD2基因具
有一个位于 5UTR 的大内含子, 这一点可能是所有
F A D 2 基因拷贝的共同特性。w - 3 去饱和酶基因
(FAD3、FAD7、FAD8)都含有 7个内含子, 且均位于
编码区内部 (Iba et al., 1993; Gibson et al., 1994; Liu
et al., 2001)。
目前从棉花中共分离得到 3个FAD2基因拷贝, 分
别是 FAD2-1 (Liu et al., 2001; GenBank X97016)、
FAD2-2 (Liu et al., 1999; GenBank Y10112) 和FAD2-
3 (Pirtle et al., 2001; GenBank AF331163)。其中
FAD2-1在胚发育时期于种子中特异表达, 被认为是负责
种子中油脂进一步去饱和的关键酶, FAD2-2和FAD2-3
在种子发育过程中组成型表达, 并且除种子外还有少量
存在于叶片中, 其序列信息如表3所示。迄今为止发现
的FAD2基因都仅含有一个位于5UTR的内含子, 棉花
也不例外。对比棉花中这3个FAD2基因的核苷酸序列,
发现FAD2-2与FAD2-3的同源性较高, 达85%, 而它们
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与 FAD2-1的同源性均较差, 仅为 74%, 而这种差异主
要体现在位于 5UTR 的内含子的大小和位置上。以
FAD2-1和FAD2-3为例, 前者的内含子长1 133 bp, 位
于起始位点上游9 bp处, 而后者的内含子却长达2 967
bp, 位于起始密码子上游12 bp处, 据此推测不同FAD2
基因拷贝的功能、时空表达调控与其内含子的大小、
位置密切相关。由于 FAD2基因的上游区域含有内含
子, 所以人们一直对其调控序列研究得不够深入, 后来有
人对棉花中 FAD2-3 的上游序列区进行了详细描述
(Pirtle et al., 2001)。以下就以 FAD2-3为例具体介绍
棉花中FAD2基因的序列结构特征。该基因 5 UTR区
帽子位点上游40 bp处有一个TATA框, 109 bp处有一
个螺旋-环-螺旋结构域 (E框基序), 这些都是与基因启
动有关的重要元件, 另外该基因还具有典型的光感元件,
分别是位于 5UTR区帽子位点上游136 bp处的AG框
(CACGTG)和分别位于上游88、121 bp处的同源GT-
1基序 (GRWAAW) (Terzaghi and Cashmore, 1995)。
5 脂肪酸去饱和酶的结构
人们对植物去饱和酶的了解始于对这些酶活性的研究,
然而由于采用传统生化方法纯化这些酶 (除 18:0-ACP
去饱和酶外)比较困难 (Schmidt and Heinz, 1990), 所
以起初对去饱和酶结构的研究一直比较缓慢。后来有
人运用生化筛选手段, 通过研究不同脂肪酸去饱和酶缺
陷的拟南芥突变体鉴别出了各种脂肪酸去饱和酶, 从而
创建出了一条研究这些酶的有效途径, 使人们对脂肪酸
去饱和酶的结构有了深入了解 (Dyer and Mullen,
2001)。
不同去饱和酶、不同植物的同一去饱和酶乃至同
一植物同一去饱和酶的不同拷贝, 它们之间的结构都不
完全相同, 但由于w-6和w-3去饱和酶都属于膜整合蛋
白, 所以其基本结构类似。w-6和 w-3去饱和酶的基本
序列大都含有 a和 b链, 在折叠方式上都属于 a+b酶
(Tanhuanpää et al., 1995), 其中许多保守序列都是重
要的结构和功能区。保守区包括两条长的疏水氨基酸
链, 一般跨膜4次; 3个富含组氨酸的基序, 这些基序被
认为在空间结构上组成了酶的催化活性中心; 以及酶活
性所必需的铁原子结合位点。
对于位于内质网上的w-6和w-3去饱和酶 (FAD2和
FAD3), Dyer和Mullen (2001)根据其功能区与底物和细
胞色素蛋白之间的相互作用以及这些相互作用给酶活带
来的影响, 建立了它们在内质网膜上的拓扑学结构模型
(图 1)。在该模型中, 这两种酶都由 4个跨膜区锚定在
内质网膜上, 其组氨酸基序、N端和C端均暴露在细胞
质一侧, 并且内质网去饱和酶的 N端都具有信号肽。
表 2 拟南芥中脂肪酸去饱和酶基因序列及蛋白信息比较
Table 2 Comparison of different fatty acid desaturases and their genes in Arabidopsis thaliana
基因名称 内含子 编码区 (bp) 5UTR (bp) 3UTR (bp) 编码蛋白
FAD2 1个, 位于 FAD2基因的转录起始位点和 5UTR之间 1 155 156 307 384 aa
FAD6 9个, 位于 5UTR内 1 347 115 303 448 aa
FAD3 7个, 位于 5UTR内 1 161 106 196 386 aa
FAD7 7个, 位于 5UTR内 1 341 158 326 446 aa
FAD8 7个, 位于 5UTR内 1 308 184 545 435 aa
表 3 棉花中 FAD2基因不同拷贝间表达及序列信息比较
Table 3 Comparison of different FAD2 isoforms in cotton
基因名称 表达部位 表达时期 功能 编码区(bp) 5UTR (bp) 3UTR (bp) 编码蛋白
FAD2-1 种子 胚发育时期 储存脂的去饱和 1 155 78 175 384 aa
FAD2-2 除种子外在其它组 种子发育全过程 储存脂和部分膜脂 1 155 97 173 384 aa
织中也有表达 的去饱和
FAD2-3 除种子外在其它组 种子发育全过程 储存脂和部分膜脂 1 155 130 242 384 aa
织中也有表达 的去饱和
109戴晓峰等: 植物脂肪酸去饱和酶及其编码基因研究进展
虽然FAD2和FAD3酶具有同样的拓扑学结构模型,
但它们也都有各自的特点。首先, FAD2酶具有几个不
同于FAD3酶的保守碱基, 如位于模型中b链中部靠近
第2个组氨酸序列框起始端的Leu-131就十分保守, 当
它由Leu突变成Pro时就会发生高油酸表型的突变, 推
测可能由于Pro的环状结构影响到蛋白的正确折叠, 从
而导致该酶的活性丧失, 这种突变被认为是由于蛋白空
间结构变化造成的去饱和酶活性丧失, 至于该空间结构
变化是否影响到酶的催化位点、底物结合位点、协同
作用因子结合位点或其它一些重要的结构和功能位点目
前尚不清楚 (Tanhuanpää et al., 1995)。其次, 虽然
同为内质网膜整合蛋白， 但两种酶的内质网滞留信号不
同, FAD2酶符合Phi-X-X-K/R/D/E-Phi-COOH (其中Phi
代表大的疏水氨基酸)规则 (McCartney et al., 2004), 而
FAD3酶的内质网滞留信号则是 KDEL序列。
对于定位于质体的 w-6和 w-3去饱和酶 (FAD6、
FAD7和FAD8), 其基本结构模型与内质网去饱和酶相
同 (图1), 但有两点不同, 一是N端没有信号肽, 而代之
以不同长度的导肽 (Iba et al., 1993), 很可能属于转录
后插入, 如橄榄中的FAD6在N端有一条由65个氨基酸
组成的导肽 (Banilas et al., 2005); 二是跨膜次数不尽
相同, 仍以橄榄为例, 其FAD2酶有4个跨膜结构域, 而
FAD6酶则只有 3个跨膜结构域。
虽然不同的w-6和w-3去饱和酶具有一些共同特点,
但是具体到某一种植物, 同种酶的许多具体性质都有所
不同, 这些性质包括跨膜结构域个数、保守基序长度
等。如橄榄中的FAD2有 4个跨膜结构域, 分别位于第
55-77、82-104、178-200以及 250-272位, 而棉
花中FAD2-3和FAD2-3的跨膜结构域却各有6个(Liu et
al., 1999; Pirtle et al., 2001), 其中有 2个仅穿过双层
内质网膜中的一层; 另外, 橄榄中的3个组氨酸基序均长
5 bp, 而棉花中 FAD2-3的组氨酸基序分别长 8、9和
8 bp。
6 脂肪酸去饱和酶的作用机制
采用传统生化方法识别去饱和酶不仅受到溶解并纯化膜
蛋白的困扰, 而且溶解膜脂蛋白常会导致酶活丧失, 加上
去饱和产物本身容易发生b氧化, 所以尽管参与甘油脂
代谢的大部分酶及其编码基因都已被识别, 但对脂肪酸
去饱和酶在特定膜系统中的作用机制长久以来一直未能
研究清楚。后来人们对7种分别在某一去饱和步骤中特
定功能缺陷的拟南芥突变体的去饱和酶进行了生化和基
因分析, 在体外研究了酶作用底物的痕量变化给产物带来
的影响, 结果使人们对这些去饱和酶在脂肪酸链中引入双
键的机制有了深入了解, 并为进一步研究这些酶的作用机
制提供了一条简便有效的途径 (Shah et al., 1997)。
在脂肪酸去饱和过程中第一个双键的引入一般发生
在碳链中部, 如植物中最常见的不饱和脂肪酸油酸 (9(2)
C18:1), 其中9代表从羧基或酯基算起双键的位置, 2代
表双键, 18代表碳链中碳原子的个数, 1代表双键的数
目), 其唯一的双键就位于碳链中间。去饱和酶的底物
都是一端为脂基一端为甲基并且不含侧链的碳链, 而去
饱和酶却总能在烃链中部引入第一个双键, 这种底物特
异性的作用机制目前尚不清楚。对于第二个双键的引
入, 人们通过对蓖麻 (Smith et al., 2003)种子的研究推
图 1 FAD2和 FAD3的拓扑学结构示意图
FAD2 和 FAD3蛋白通过 4个跨膜结构域铆定在内质网膜上, 其中
一段包括 N端、C端以及组氨酸活性位点框(矩形表示)暴露于细
胞质一侧
Figure 1 Schematic representation of the predicted topology
of FAD2 and FAD3 in ER membrane (Dyer et al., 2002)
The FAD2 and FAD3 proteins are anchored in the membrane
by four hydrophobic spans, with a portion of the protein, in-
cluding N- and C-termini and active-site histidine boxes ex-
posed on the cytosolic side of the membrane
110 植物学通报 24(1) 2007
测有两种作用方式, 分别由两种酶催化。其中一种酶仅
作用于第一个双键位于D9位的底物, 此时第二个双键常
在D12位加入; 另一种酶对底物没有特殊要求, 只是在引
入第二个双键时通常选择与第一个双键间隔一个亚甲基
的位置引入, 双键排序从甲基或w端算起, 以后在引入更
多双键时都以亚甲基作为间隔。植物中最常见的多不
饱和脂肪酸亚油酸 (9(2)12(2)C18:2)和亚麻酸 (9(2)12(2)
15 (2 )C18 :3)就是按第二种方式引入多个不饱和键
(Bruner et al., 2001)。
7 脂肪酸去饱和酶活性调控
脂肪酸去饱和酶的活性受其基因表达的直接影响, 因此
对去饱和酶基因表达方式的深入研究可以使人们通过
基因工程手段调整植物膜和储油组织的脂肪酸组成, 从
而达到提高植物生活力、育性以及获得含有特定脂肪
酸组成的农产品的目的 (刘立侠等, 2005)。如FAD2
基因对植物抗寒能力的影响非常显著, 对该基因调控机
制的深入研究对于了解高等植物的抗寒、抗旱、抗
热、抗盐以及抗病机制都十分重要 (P i r t le et a l . ,
2001)。
大部分w-3和w-6去饱和酶基因 (FAD8除外)都属
于转录后调控 (Shah et al., 1997)。研究表明, 在低温
诱导下脂肪酸去饱和酶基因的转录速度及转录产物的稳
定性并未随不饱和脂肪酸含量的增加而增加。
其次, 脂肪酸去饱和酶基因的表达在种子发育过程
中受到严格的时空调控。在时间上, 如橄榄中的FAD6
基因在开花后13周表达量几乎为零, 从第16周开始大
量积累, 到第 22周其转录产物在胚和胚乳中积累量最
大; 18:0-ACP去饱和酶基因在开花后13到16周内表达
量上调, 16周以后急剧下降 (Banilas et al., 2005), 从
而使质体中的亚油酸等多不饱和脂肪酸能够在种子发芽
过程中脂消耗的同时及时得到补给。在空间上, 如橄榄
中的FAD6基因在果皮中组成型表达, 以确保橄榄油能
够在中果皮中大量积累。
脂肪酸去饱和酶的活性除受到自身基因的表达调
控外还可能受到一系列环境因子的影响。如人们在
酵母表达系统中表达了FAD3基因, 并用Northern和
Western杂交来分析其mRNA和蛋白质的变化, 结果
发现该基因编码的去饱和酶受到冷诱导的转录后调控,
推测其调控方式如下: 低温导致膜的流动性下降, 从而
使酶结构的稳定性增加, 降解信号被掩盖; 酶由于降解
量减少而导致总量增加, 使多不饱和脂肪酸的合成量
增多, 膜的流动性增大; 而膜流动性的增加又会反过来
作为一种反馈信号导致酶量下调。此外, 该应答过程
还可能涉及磷酸化或泛素化过程 ( D ye r e t a l . ,
2001)。在该模型中, 去饱和酶作为植物的感受器和
效应器快速对周边温度变化做出反应, 使膜脂的流动
性处于动态平衡。
8 脂肪酸去饱和酶基因研究的应用
由于植物种子的脂肪酸组成决定了油的品质和用途, 对
脂肪酸去饱和酶及其编码基因的研究能够极大地推动油
脂的品质改良, 具有很高的经济和实用价值, 因此在该方
面的研究成果已被广泛应用于商业和工业领域。
FAD2酶是控制油酸向亚油酸转化的关键酶, 如果
能够降低FAD2酶活性, 那么就可以培育出种子中油酸
含量增高、多不饱和脂肪酸含量下降的品系, 这样不仅
可以提高食用油的营养价值, 而且可以获得腐败较慢并
兼有橄榄油许多优良特性的高品质油脂, 对制造商业化
植物油来说非常重要 (Bruner et al., 2001)。
采用传统的育种方法人们目前已经获得了许多高油
酸油料作物品系。采用突变方法也已经在花生、向日
葵、大豆以及油菜中获得了成功 (Patel et al., 2004)。
采用转基因技术直接抑制FAD2酶的活性目前已成功地
应用于几个重要的农作物, 如玉米油通常含有25%的油
酸, 通过基因操作可上升到64% (Bruner et al., 2001)。
反义和共抑制技术是一些新兴的转基因技术, 采用这些
技术抑制FAD2酶的活性也已经在一些植物中取得了可
喜成果, 比如采用反义技术可以使甘蓝型油菜和大豆中
的油酸含量提高到85%, 而采用共抑制技术甚至可使之
达到 89% (Patel et al., 2004)。
长链脂肪酸(如: 芥酸)是重要的工业生产原料, 因此
111戴晓峰等: 植物脂肪酸去饱和酶及其编码基因研究进展
高芥酸含量的菜籽油具有重要的工业用途, 被称为21世
纪的化工原料。芥酸可以直接作为柴油机燃料, 也是包
括油漆、化妆品、塑料、医药品及润滑剂等一系列产
品在内的生产原料 (Jadhav et al., 2005)。Jadhav等
(2005)已经成功地利用反义和共抑制(cosuppression)技
术在埃塞俄比亚芥菜中通过抑制内源FAD2基因的表达
实现了提高芥酸含量的目的。
富含不饱和脂肪酸的植物油为工业生产可再生能源
提供了一条广阔途径。目前人们已经培育出了许多可
以产生各种新的或不常见的不饱和脂肪酸的转基因植株,
并且已经可以利用ETS序列快速了解这些脂肪酸的生
物合成途径及进化起源。如果人们对脂肪酸去饱和酶
特别是FAD2家族的结构有更加深入的了解, 那么就可
以根据工业需求人为地改变该酶活性, 生产具有特定工
业用途的植物油 (Jaworski and Cahoon, 2003)。
9 展望
在脂肪酸去饱和过程研究中, 虽然人们目前已经对该过
程有了较系统研究和较深入认识, 但是仍然无法对该过
程涉及的一些细节提出合理解释或给出实验证据, 如质
体中合成的游离脂肪酸是如何穿过质体膜的？在内质网
上进一步去饱和形成的甘油脂如何转运到其它细胞器,
是否存在油脂转运蛋白？内质网膜和质体膜之间是否存
在脂交换等等, 这些都需要人们进行更加深入的研究与
探索。
在对脂肪酸去饱和酶及其基因研究中, 目前人们所
做的工作主要集中于油料作物, 而对储油果实的研究较
少, 因此在储油果实中加强该方面的研究不仅可以扩大
优质油脂的育种资源, 而且对于改良油料作物的脂肪酸
组成和提高含油量也具有一定的参考价值。
植物脂肪酸去饱和酶对于植物油脂的脂肪酸组成具
有十分重要的作用, 对这些酶的编码基因特别是w-6和
w-3去饱和酶基因进行研究对于人为调控油脂组成以满
足商业和工业需求具有十分重要的意义。然而由于大
多数物种中脂肪酸去饱和酶的编码基因都不只1个, 而
且即使同一植物中同一基因的不同拷贝在序列结构乃至
功能和表达调控上都有所不同, 所以对于植物中去饱和
酶的研究和认识一直处于不断探索和更新之中。相信
随着研究手段的不断进步, 人们对不饱和脂肪酸合成过
程的了解会逐步清晰, 会从很多的物种中分离出去饱和
酶基因, 并且随着对这些基因表达规律的认识的进一步
深入, 人们对植物种子脂肪酸组成的定向改良也会更方
便、有效。
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(责任编辑: 孙冬花)
第十八届国际拟南芥研究大会
第十八届国际拟南芥研究大会(18th International Conference on Arabidopsis Research)将于2007年6月19
日至 24日在北京九华山庄举行。本次会议由中国科学院植物研究所、中国科学院遗传与发育生物学研究所、北
京大学、北京生命科学研究所和中国农业大学联合主办。北京生命科学研究所邓兴旺教授担任大会主席。
本次会议主题是拟南芥的植物生物学全方位功能研究及其在农业生产中的开发应用。大会将分为以下各专题:
(1)植物发育; (2)植物信号转导; (3)遗传学; (4)基因组学; (5)植物对环境的应答; (6)植物与微生物的反应; (7)植物细
胞生物学; (8)代谢和生物能源。
欢迎从事拟南芥研究的专家、学者和研究生届时参加。
联系方式: E-mail: arabidopsis2007@nibs.ac.cn
会议信息详见: http://www.arabidopsis2007.com
445-474.
Zhuang H, Hamilton-Kemp TR, Andersen RA, Hildebrand
DF (1996). The impact of alteration of polyunsaturated fatty
acid levels on C6-aldehyde formation of Arabidopsis
thaliana leaves. Plant Physiol 111, 805-812.
An Overview of Plant Fatty Acid Desaturases and the Coding Genes
Xiaofeng Dai, Ling Xiao, Yuhua Wu, Gang Wu, Changming Lu*
Key Laboratory of Oilcrops Genetic Improvement, Oilcrops Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences,
Wuhan 430062, China
Abstract Fatty acid desaturases catalyze the insertion of a double bond at the delta position of fatty acids. At least 5 fatty acid
desaturases exist in plants: FAD2, FAD3, FAD6, FAD7 and FAD8. They are categorized into two classes according to the double-
bond position introduced (i.e., w-3 including FAD3, FAD7 and FAD8, and w-6 including FAD2 and FAD6). Most plant cells contain more
than one copy of each gene — FAD2, FAD3, FAD6, FAD7, FAD8 — for fatty acid desaturase. The copy number of a desaturase
gene varies among plant species. Even for the same gene in the same plant, different copies may vary in sequence, expression
regulation and function. We provide an overview of the research advances into fatty acid desaturases in terms of their classification,
copy number, gene structure, gene function, gene regulation and applications in plants.
Key words fatty acid desaturases, gene structure, copy number, gene regulation, overview
Dai XF, Xiao L, Wu YH, Wu G, Lu CM (2007). An overview of plant fatty acid desaturases and the coding genes. Chin Bull Bot 24,
105-113.
* Author for correspondence. E-mail: cmlu@oilcrops.cn