全 文 ：植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2007, 24 (5): 659-666, www.chinbullbotany.com
收稿日期: 2006-10-24; 接受日期: 2007-04-09
基金项目: 973重大基础研究前期研究专项(No. 2005CCA02400)
* 通讯作者。E-mail: khpan@ouc.edu.cn
缩写词: AA: arachidonic acid; ALA: a-linolenic acid; DGLA: dihomo-g-linolenic acid; DHA: docosapentaenoic acid; EDA: eicosadienoic
acid; EPA: eicosapentaenoic acid; ER: endoplasmic reticulum; ETA: eicosatetraenoic acid; GLA: g-linolenic acid; LA: linoleic acid;
LPCAT: lyso-phosphatidycholine acyltransferase; OA: oleic acid; PC: phosphatidycholine; PDAT: phospholipid diacylglycerol
acyltransferase; PUFAs: polyunsaturated fatty acids; SDA: stearidonic acid; TAG: triacylglycerol; TPA: tetracosapentaenoic acid;
VLCPUFAs: very long-chain polyunsaturated fatty acids
.专题介绍.
转基因植物生产超长链多不饱和脂肪酸研究进展
石娟, 朱葆华, 潘克厚 *
中国海洋大学海水养殖教育部重点实验室, 青岛 266003
摘要 超长链多不饱和脂肪酸(VLCPUFAs)对人类健康非常重要。日常摄入一定量的VLCPUFAs能够补充人体自身合成的
不足, 并对某些疾病起到明显的预防和治疗作用。VLCPUFAs主要源自深海鱼油, 但由于市场需求的迅速增长和海洋可捕捞
鱼类资源的日益减少, 该途径已经远远不能满足市场的需要, 寻找更为持续且稳定的VLCPUFAs来源已经成为当务之急。最
近, 人们已经克隆了VLCPUFAs生物合成相关的去饱和酶和延伸酶基因, 并希望在植物特别是油料作物中共表达这些基因, 使
其成为生产VLCPUFAs的“绿色细胞工厂”。目前已有多个研究小组在进行转基因植物合成VLCPUFAs的探索, 并取得了突
破性的研究成果。本文综述了相关的研究进展, 并对存在的问题和解决策略进行了探讨。
关键词 DHA, EPA, 转基因植物, 超长链多不饱和脂肪酸
石娟, 朱葆华, 潘克厚 (2007). 转基因植物生产超长链多不饱和脂肪酸研究进展. 植物学通报 24, 659-666.
超长链多不饱和脂肪酸(VLCPUFAs)是指含有 20
或22个碳原子及4-6个亚甲基间隔的顺式双键的脂肪
酸链(Abbadi et al., 2004), 包括花生四烯酸(AA, 20:
4n6)、二十碳五烯酸(EPA, 20:5n3)和二十二碳六烯酸
(DHA, 22:6n3)。多不饱和脂肪酸(PUFAs)可分为n6系
列和 n3系列。AA属于 n6 PUFAs; EPA和 DHA属于
n3 PUFAs。研究表明, VLCPUFAs对人类健康非常重
要。AA和EPA是哺乳动物细胞膜的组分, 也是生成前
列腺素、白三烯和血栓素等激素的前体(Funk, 2001)。
EPA在凝血、免疫和抗炎症等各种生理反应中起重要
作用(Simopoulos, 2002)。DHA对胎儿神经系统的形
成至关重要(Uauy et al., 2001), 还影响着视网膜视紫
红质的活性(Giusto et al., 2000), 并与某些疾病如关节
炎、动脉硬化、抑郁症的预防和治疗有关(Horrocks
and Yeo, 1999; Marszalek and Lodish, 2005)。
人体合成EPA和DHA的效率极低, 在日常饮食中
补充足够的EPA和DHA对维持身体健康极为重要。目
前该类脂肪酸的主要来源是深海鱼油, 但是鱼类自身并
不能合成VLCPUFAs, 而是通过摄食富含VLCPUFAs
的海藻等进行有限的积累; 另外, 过度捕捞使海洋鱼类资
源日益减少, 该途径已经远远不能满足迅速增加的市场
需求。此外, 由于环境污染等原因导致鱼油中的重金属
含量越来越高, 寻找更为持续、稳定、安全的 EPA和
DHA来源成为当务之急(Tonon et al., 2002; Domergue
et al., 2005a)。已知某些微生物如真菌和海洋微藻能
够从头合成 VLCPUFAs且含量丰富(Sayanova and
Napier, 2004); 然而现已开发出的商业化的海藻油和真
菌油, 由于其产量低和提取成本高限制了这类资源的大
规模应用。鉴于植物油的提取工艺非常成熟, 许多研究
者已经将目光转向油料作物的代谢工程, 探索如何利用
转基因植物作为 “绿色细胞工厂 ”生产 VLCPUFAs
(Truksa et al., 2006)。近年来国外一些研究小组已在
660 植物学通报 24(5) 2007
该领域取得了突破性的成果, 表明转基因植物的确有望
成为稳定且廉价的 EPA和 DHA来源。本文介绍了相
关的研究进展, 并对存在的问题和解决策略进行了探
讨。迄今为止, 国内这方面的研究报道较少, 而我国作
为世界上人口最多的国家, 今后必将成为VLCPUFAs的
消费大国; 因此, 转基因油料作物的开发将会具有非常广
阔的市场前景, 希望本文能为相关的研究人员提供有价
值的参考。
1 VLCPUFAs合成通路及相关的酶
绝大多数生物是从油酸(OA, 18:1n9)开始合成多不饱和
脂肪酸的, 该过程涉及一系列去饱和及延伸反应。某些
真菌和海洋微藻具有合成VLCPUFAs的所有去饱和酶
和延伸酶, 能够从头合成 VLCPUFAs。其合成途径主
要为经典的 n6和 n3途径, 即由OA生成的亚油酸(LA,
18:2n6）和 a-亚麻酸(ALA, 18:3n3)在 D6去饱和酶作
用下生成g-亚麻酸(GLA, 18:3n6)和十八碳四烯酸(SDA,
18:4n3), 然后经 D6延伸和 D5去饱和生成AA和EPA,
EPA又可经D5延伸和D4去饱和生成DHA(图1A)。在
这个过程中, n6脂肪酸可在D15和D17去饱和酶(这类
去饱和酶又称为w3去饱和酶)作用下生成n3脂肪酸。在
某些微藻如等鞭金藻中, C20-VLCPUFAs的合成还存在
一条“替代通路”, 即 LA先经 D9延伸酶延伸生成二十
碳二烯酸(EDA, 20:2n6), 然后在D8去饱和酶作用下生
成二均-g-亚麻酸(DGLA, 20:3n6), 进而D5去饱和为AA
(图1A)。哺乳动物体内缺乏D12(w6)和D15(w3)去饱和
酶, 不能生成LA和ALA, 必须从食物中补充; 哺乳动物
可将外源LA和ALA经n6和n3途径转化为AA和EPA。
其DHA的合成较为复杂, 首先EPA通过 2次连续的延
伸反应生成二十四碳五烯酸(TPA, 24:5n3), 然后经D6
去饱和及一轮发生于过氧化物酶体的b-氧化生成DHA
(Qiu, 2003) (图 1A)。高等植物(包括油料作物)一般只
能合成油酸和亚油酸, 不能继续合成长链的多不饱和脂
肪酸; 要想在植物中合成VLCPUFAs, 必须转入相关的
去饱和酶和延伸酶基因。关于不同生物合成
VLCPUFAs的详细描述参见文献(Napier et al., 2003;
Sperling et al., 2003; Sayanova and Napier, 2004)。
VLCPUFAs合成过程中涉及的去饱和酶和延伸酶
基因均已被克隆鉴定, 研究表明这些酶都位于细胞内质
网(ER)膜上(Huang et al., 2004)。不同来源的去饱和
酶其作用底物有所不同, 动物中的去饱和酶以酰基-CoA
中的脂肪酸为底物, 植物和微生物中的去饱和酶则以磷
脂特别是磷脂酰胆碱(PC)中的脂肪酸为底物(Los and
Murata, 1998)。目前发现的长链脂肪酸延伸酶均以酰
基-CoA中的脂肪酸为底物, 该类脂肪酸是由4个酶组成
的延伸复合体, 催化包括缩合、酮酰还原、脱水及烯
酰还原等一系列反应, 其中缩合酶(即延伸酶)决定着底物
专一性(Leonard et al., 2004)。由于植物和微生物中
的去饱和酶和延伸酶作用底物不同, 其VLCPUFAs的合
成比较复杂, 涉及脂肪酸在酰基-CoA库和PC库间的转
移; 相关的酰基转移酶(LPCAT)也起着非常重要的作用
(Domergue et al., 2003)。
2 转基因植物中VLCPUFAs的合成
2.1 “替代通路”的构建和C20-VLCPUFAs的生成
Qi等(2004)将等鞭金藻的C18D9延伸酶、眼虫的D8去
饱和酶和高山被孢霉的D5去饱和酶基因转入模式植物
拟南芥中, 构建了合成 VLCPUFAs的“替代通路”, 成
功实现了 C20-VLCPUFAs的合成。他们(Qi et al.,
2004)之所以没有构建经典途径是因为拟南芥酰基-CoA
库中 LA-CoA和ALA-CoA含量较高, 可以被C18D9延
伸酶直接利用, 减少了脂肪酸在PC库和CoA库之间的
转移,有利于 VLCPUFAs合成的起始。转基因拟南芥
叶片的脂质分析结果显示, 新生成的 C20-VLCPUFAs
占总脂肪酸的18.8%, 其中AA和EPA的含量分别为6.
6%和 3.0%(表 1)。除此之外还检测到了一些由 D5去
饱和酶催化生成的副产物, 包括 20:3D5,11,12和 20:
4D5,11,14,17, 说明转入的D5去饱和酶的底物专一性不
强。虽然有研究表明 , 这些脂肪酸可能对人体有益
(Nakane et al., 2000), 但是其具体作用并不明确。尽
管如此, 该小组在本领域取得了突破性成果, 首次证明了
高等植物通过转基因合成 VLCPUFAs是可行的。
661石娟等: 转基因植物生产超长链多不饱和脂肪酸研究进展
2.2 经典通路的构建和C20-VLCPUFAs的生成
上述研究仅在拟南芥叶片中实现了C20-VLCPUFAs的
合成,考虑到脂肪酸必须被转化为三酰甘油(TAG)才能被
有效存贮和利用, Abbadi等(2004)进行了转基因植物种
子合成 C20-VLCPUFAs的探索。
他们以烟草和亚麻作为目标植物, 所转基因均由种
子特异的启动子控制, 包括小立碗藓、琉璃苣和三角褐
指藻的D6去饱和酶基因, 小立碗藓和线虫的C18D6延
伸酶以及高山被孢霉和三角褐指藻的D5去饱和酶基因,
通过这些基因的不同组合, 构建了经典的n6和n3途径
(Abbadi et al., 2004)。结果只有 1种组合在亚麻中成
功实现了 C20-VLCPUFAs的生成(表 1)。脂质分析表
明, GLA和SDA能够在亚麻种子中大量积累(>25%), 但
AA和 EPA含量极低, 分别为 1.0%和 0.8%(表 1)。由
于DGLA和ETA的含量也非常低, 分别为1.2%和0.9%,
所以推断C18D6延伸一步为整个合成通路的“瓶颈”。
为此作者又进行了一系列实验来寻找延伸效率低的原因:
RT-PCR及体外酶活分析显示, 发育种子中D6延伸酶基
因转录活跃, 所表达的蛋白具有很高的延伸酶活性; 而对
发育种子酰基-CoA库的分析显示, D6延伸酶的适宜底
物GLA-CoA和 SDA-CoA含量很少。因此, 作者推测
不是延伸酶的催化活性而是底物的适用性限制了C18的
延伸效率。如前所述, 植物中去饱和酶的底物为PC库
中的脂肪酸, 而延伸酶的底物为酰基 -CoA库中的脂肪
酸, 如果D6去饱和产物不能有效的从PC库转入酰基 -
CoA库, 就不能被延伸酶所催化。作者分析影响脂肪酸
进入酰基-CoA库的可能原因主要有两点: 一是负责脂肪
酸在PC库和酰基-CoA库之间转移的LPCAT不能有效
识别并转移非植物自身的脂肪酸; 二是由于SDA可经不
表 1 不同转基因植物中 VLCPUFAs的生成
Table 1 The synthesis of VLCPUFAs in different transgenic plants
Host plant Heterologous enzymes AA(%) EPA(%) DHA(%) Reference
Arabidopsis leaves IgD9Elo+EgD8Des+MaD5Des 6.6 3.0 0.0 Qi et al., 2004
Linseed seeds PtD6Des+PpD6Elo+PtD5Des 1.0 0.8 0.0 Abbadi et al., 2004
Soybean seeds SdD6Des+MaD6Elo+MaD5Des and 2.2 19.6 0.0 Kinney et al., 2004
AtD15Des+SdD17Des
Soybean somatic SdD6Des+MaD6Elo+MaD5Des and 5.2 6.1 3.1 Knney et al., 2004
embryos PavD5Elo+SaD4Des+SdD17Des
Arabidopsis seeds DrD6/D5Des+CeD6Elo+MaD5Des 1.2 2.5 0.5 Robert et al., 2005
Brassica juncea seeds PiD6Des+TcD5Des+PpD6Elo 7.3 0.8 0.0 Wu et al., 2005
PiD6Des+TcD5Des+PpD6Elo
+CoD12Des 12.0 1.3 0.0
PiD6Des+TcD5Des+PpD6Elo
+CoD12Des+TcD6Elo 13.7 1.4 0.0
PiD6Des+TcD5Des+PpD6Elo
+CoD12Des+TcD6Elo+Pinw3Des 5.4 8.1 0.0
PiD6Des+TcD5Des+PpD6Elo
+CoD12Des+TcD6Elo+Pinw3Des and 4.0 8.1 0.2
TcD4Des+TcAT+OmD5Elo
VLCPUFA: 超长链多不饱和脂肪酸; AA: 花生四烯酸; EPA: 二十碳五烯酸; DHA: 二十二碳六烯酸; Des: 去饱和酶; Elo: 延伸酶; At: 拟南
芥; Ce: 秀丽线虫; Co: 金盏菊; Dr: 斑马鱼; Eg: 纤细裸藻; Ig: 球等鞭金藻; Ma: 高山被孢霉; Om: 虹鳟; Pav: 巴夫藻; Pi: 拉曼被孢霉; Pin:
一种霉菌; Pp: 小立碗藓; Ps: 盐生巴夫藻; Pt: 三角褐指藻; Sa: 裂殖壶菌; Sd: 异枝水霉; Th: 一种海洋真菌
VLCPUFA: very-long-chain polyunsaturated fatty acid; AA: arachidonic acid; EPA: eicosapentaenoic acid; DHA: docosahexaenoic
acid; Des: desaturases; Elo: elongase; At: Arabidopsis thaliana; Ce: Caenorhabditis elegans; Co: Calendula officinalis; Dr: Danio
rerio; Eg: Euglena gracilis; Ig: Isochrysis galbana; Ma: Mortierella alpina; Om: Onchorhynchus mykiss; Pav: Pavlova sp.; Pi:
Pythium irregulare; Pin: Phythophtora infestans; Pp: Physcomitrella patens; Ps: Pavlova salina; Pt: Phaeodactylum tricornutum;
Sa: Schizochytrium aggregatum; Sd: Saprolegnia diclina; Th: Thraustochytrium sp.
662 植物学通报 24(5) 2007
依赖于酰基-CoA的途径直接整合入三酰甘油, 而且植物
中催化该反应的酶(如磷脂二酰甘油酰基转移酶(PDAT))
活性很高, 所以影响了 SDA转移到酰基 -CoA库(图
1 B )。
2.3 经典通路的构建和DHA的生成
实现了C20-VLCPUFAs在转基因植物种子中的合成后,
研究者又将目标转向高等植物 DHA合成通路的构建。
Kinney等(2004)以专利的形式报道了在转基因大豆种子
和体细胞胚中合成 EPA和 DHA的方法。他们首先在
大豆种子中表达了5个外源基因, 包括真菌Saprolegnia
diclina的D6去饱和酶、高山被孢霉的D6延伸酶和D5
去饱和酶、拟南芥的D15(w3)去饱和酶和Saprolegnia
diclina的D17(w3)去饱和酶基因, 结果种子中EPA含量
达到了总脂肪酸的19.6%, 明显高于Abbadi等(2004)在
亚麻种子中得到的结果, 推测D15和D17去饱和酶的转
入增加了 n6脂肪酸向 n3脂肪酸的转化, 从而提高了
EPA的产量。接着, Kinney等(2004)又在体细胞胚中
表达了除D15去饱和酶以外的上述其它4个酶基因。另
又 增 加 了 盐 生 巴 夫 藻 的 D 5 延 伸 酶 和 真 菌
Schizochytrium aggregatum的D4去饱和酶, 结果生成
了6.1%的EPA 和3.1%的DHA, 这是目前报道的DHA
产量最高的转基因植物(表 1)。
Robert等(2005)将斑马鱼的 D6/D5双功能去饱和
酶、线虫的 D6延伸酶、盐生巴夫藻的 D5延伸酶和 D4
去饱和酶基因分 2步转入拟南芥, 最终生成了 2.5%的
EPA和 0.5%的DHA(表 1)。斑马鱼的D6/D5去饱和酶
是典型的动物来源的去饱和酶, 以酰基-CoA中的脂肪酸
为底物, 其产物可直接被D6延伸酶利用, 从而大大提高
了延伸效率, 使 86%的 GLA和 67%的 SDA被延伸。
但是VLCPUFAs的产量仍然很低, 分析表明这可能是由
于动物来源的去饱和酶在植物中活性不高, 致使D6去饱
和反应成为了整个合成途径的限速步骤造成的。
近期, Wu等(2005)通过五步转基因操作在芥菜种子
中成功构建了 DHA合成通路。他们首先将 Pythium
irregulare的D6去饱和酶、Thraustochytrium sp.的D5
去饱和酶和Physcomitrella patens的D6延伸酶基因转
入芥菜种子, 种子中AA和EPA的产量分别为 7.3%和
0.8%(表 1)。然后将金盏菊的 D12去饱和酶基因转入,
更多的OA转化为 LA, 使 AA的产量上升到 12.0%(表
1)。当第2个D6延伸酶基因(来源于Thraustochytrium
sp.)被转入后, AA的生成又有少量增加(13.7%)(表 1),
其中最高的一株达到 2 5 %。由于种子中 G L A 产量
(28.6%)明显高于SDA(2.2%)的产量, 作者又转入了1个
Phytophtora infestans的w3(D17)去饱和酶基因, 使超
过50%的AA转化为EPA, EPA的平均产量达到 8.1%
(表 1), 最高达 15%, 明显高于Abbadi等(2004)在亚麻
中得到的结果。继续转入虹鳟的 D 5 延伸酶、
Thraustochytrium sp.的D4去饱和酶和LPCAT基因后,
仅生成了少量的DHA(表1), 最高为1.5%, 说明由EPA
合成 DHA的过程中存在“瓶颈 ”。实验显示, EPA的
D5延伸一步效率很低, 只有4%, 这与转基因亚麻D6延
伸效率低的原因类似。此外, 作者还提出另一种可能的
原因, 即外源转入的延伸酶如果与植物内源性延伸复合
体的其它3个组分不能很好地协作, 也会降低延伸反应
效率。至于本实验转入的 LPCAT在 DHA合成中是否
起到了促进作用还不清楚 , 但是理论上它能够帮助
VLCPUFAs在酰基 -CoA库和 PC库间进行转移。
3 增强转基因植物合成和积累VLCP-
UFAs的策略
3.1 选择适宜的目标植物
不同种类的植物脂肪酸代谢途径不完全相同, 相关酶的
催化能力也存在差异, 因此在不同植物中构建相同的脂
肪酸合成通路, VLCPUFAs 的合成效率却有所不同
(Singh et al., 2005)。这可能与不同植物的内源性
LPCAT活性不同有关, 需要进一步深入研究。
3.2 选择适宜的去饱和酶和延伸酶基因
目前发现的去饱和酶和延伸酶大多对脂肪酸底物的链
长、双键数目和位置不具有严格的专一性, 除了目标产
物外, 还会生成某些非特异脂肪酸。考虑到这些脂肪
酸的作用还不清楚, 它们的出现不利于转基因植物的商
663石娟等: 转基因植物生产超长链多不饱和脂肪酸研究进展
图 1 VLCPUFAs的生物合成途径(A)和脂肪酸在磷脂酰胆碱与酰基 -CoA间的酰基交换(B)
VLCPUFA: 超长链多不饱和脂肪酸; OA: 油酸; LA: 亚油酸; ALA: a-亚麻酸; GLA: g-亚麻酸; SDA: 十八碳四烯酸; EDA: 二十碳二烯酸;
DGLA: 二均 -g-亚麻酸; ETA: 二十碳四烯酸; AA: 花生四烯酸; EPA: 二十碳五烯酸; DPA: 二十二碳五烯酸; TPA: 二十四碳五烯酸; THA:
二十四碳六烯酸; DHA: 二十二碳六烯酸; TAG: 三酰甘油; LPCAT: 溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶; DGAT: 二酰甘油酰基转移酶; PDAT: 磷
脂二酰甘油酰基转移酶; Des: 去不饱和酶; Elo: 延伸酶
Figure 1 Biosynthesis pathway of VLCPUFAs (A) and acyl-exchange between PC and acyl-CoA (B)
VLCPUFA: very-long-chain polyunsaturated fatty acid; OA: oleic acid; LA: linoleic acid; ALA: a-linolenic acid; GLA: g-linolenic acid;
SDA: stearidonic acid; EDA: eicosadienoic acid; DGLA: dihomo-g-linolenic acid; ETA: eicosatetraenoic acid; AA: arachidonic acid;
EPA: eicosapentaenoic acid; DPA: docosapentaenoic acid; TPA: tetracosapentaenoic acid; THA: tetracosahexaenoic acid; DHA:
docosahexaenoic acid; TAG: triacylglycerol; LPCAT: lyso-phosphatidycholine acyltransferase; DGAT: diacylglycerol acyltransferase;
PDAT: phospholipid diacylglycerol acyltransferase; Des: desaturase; Elo: elongase
664 植物学通报 24(5) 2007
业化应用, 因此需要继续筛选具有高底物特异性的去饱
和酶和延伸酶。已知许多海洋微藻能够从头合成并积
累大量的VLCPUFAs, 本实验室以高产EPA和DHA的
藻株为对象, 正在进行相关基因的克隆鉴定工作。
此外, 以前的研究表明, 有些酶虽然在转基因酵母中
表现出较高活性, 但是转入植物后却发生了变化(Robert
et al., 2005)。因此, 需要将各种去饱和酶和延伸酶基
因转入目标植物, 进一步确定这些酶是否具有较强的底
物专一性和催化活性。
3.3 选择目标植物种子特异的启动子
种子是TAG大量存贮的部位。转基因植物合成VLCP-
UFAs后, 必须将其转化为TAG后才能被有效存贮、提
取和被人体利用, 这首先就需要选择种子特异的强启动
子以实现外源基因在发育种子中的大量表达(Singh et
al., 2005)。此外, TAG合成存在多条途径, 深入研究
TAG合成相关的酶, 进而提高TAG的合成效率对开发有
商业价值的转基因植物也具有重要意义。
3 .4 解决脂肪酸在磷脂库和酰基CoA库间的转
运“瓶颈”
上述研究表明, 去饱和产物不能有效地从PC库转入酰
基-CoA库是其进一步延伸的“瓶颈”, 也是VLCPUFAs
合成的主要限制因素 , 这可能是由于植物内源性的
L P C A T 不能有效识别并转运 V L C P U F A s 造成的
(Napier et al., 2006)。解决这一问题主要有两条途径:
一是研究在海洋微藻等能够自身合成EPA和DHA的生
物中该类脂肪酸在PC库和酰基-CoA库间的交换机制,
寻找能高效转移VLCPUFAs的LPCAT; 二是转入以酰
基-CoA为底物的去饱和酶基因, 减少脂肪酸在PC库和
酰基 -CoA库间的转移, 提高延伸效率。已知动物体内
的去饱和酶为酰基-CoA去饱和酶, 但是将动物来源的基
因转入植物体可能会使消费者难以接受, 从而影响其商
业化应用(Truksa et al., 2006)。虽然在某些高等植物
中也发现了酰基 -CoA去饱和酶, 如一种欧洲小白花
Limnanthes alba的酰基-CoA D5去饱和酶(Moreau et
al., 1981; Cahoon et al., 2000)和白色云杉(white
spruce)的酰基-CoA D9去饱和酶(Marillia et al., 2002),
但是它们只能催化饱和脂肪酸链的第 1个去饱和反应,
不能在单不饱和及多不饱和脂肪酸中继续引入双键
(Sperling et al., 2003)。最近, 一个来自海洋微藻
Ostreococcus tauri的酰基 -CoA D6去饱和酶被鉴定,
将其与D6延伸酶在酵母中共表达, 发现几乎所有的D6
去饱和产物都能被有效延伸, 关于该酶能否提高转基因
植物的 D6延伸效率还有待进一步研究(Domergue et
al., 2005b)。此外, 由于目前转基因植物中 DHA的生
成量很低, 而D5延伸反应是DHA合成最为重要的限速
步骤, 因此如果能够克隆出以二十碳四烯酸(ETA, 20:
4n3)为底物的酰基-CoA D5去饱和酶, 就有可能大大提
高 DHA的合成效率(Truksa et al., 2006)。
3.5 提高外源酶与内源酶的重组及协作效率
延伸反应实际是由 4 个酶组成的多酶复合体催化的
(Leonard et al., 2004)。因为催化缩合反应的酶(即延
伸酶)决定着底物特异性, 所以先前所有转基因实验仅转
入了以长链多不饱和脂肪酸为底物的缩合酶, 该酶与植
物延伸复合体的其它3个组分能否协调一致将直接影响
延伸反应效率, 将内源缩合酶突变或沉默掉是否有利于
外源缩合酶的重组值得进一步探索(Wu et al., 2005;
Truksa et al., 2006)。
此外, 由OA合成VLCPUFAs的所有去饱和酶和延
伸酶均为ER膜蛋白, ER膜并不是均一的, 而是由许多
负责不同生物功能的微结构域构成。在转基因植物中
表达的外源蛋白如果不能准确进入ER膜与脂肪酸合成
的相关区域, 就会导致底物在这些酶之间传递的障碍
(Truksa et al., 2006)。因此, 研究外源酶蛋白在ER膜
上的整合部位将有利于了解这些酶的空间协作; 如果能
使这些酶集中位于ER的同一功能域内, 就会使底物的
流动更加顺畅, 从而提高合成效率。
综上所述, 几个研究小组的研究证明, 在植物中转基
因生产 VLCPUFAs是可行的, 而且 AA和 EPA的产量
可以达到相当高的水平。虽然目前在转基因植物种子
中大量合成DHA还存在一些限制性因素, 但是相信随着
对脂肪酸合成、转运及存贮途径的深入研究和各种相
665石娟等: 转基因植物生产超长链多不饱和脂肪酸研究进展
关酶基因的克隆鉴定, 这些问题将会被逐步解决。如果
植物油中AA、EPA和DHA的含量各占总脂肪酸的5%,
10 g这样的油脂就能满足1个人 1天对VLCPUFAs的
需求量(Domergue et al., 2005a); 转基因植物就有可能
作为鱼油的良好替代资源应用于生产, 为更多的人提供
廉价且高品质的食用油, 从而大大增进人类健康。
参考文献
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Juan Shi, Baohua Zhu, Kehou Pan*
Key Laboratory of Mariculture of Ministry of Education of China, Ocean University of China, Qingdao 266003, China
Abstract Very long-chain polyunsaturated fatty acids (VLCPUFAs) play important roles in human health. Dietary supplementation
with VLCPUFAs can significantly alleviate the symptoms of many diseases. Currently, VLCPUFAs are mainly obtained from the oil
of deep-sea fish. However, this source is considered insufficient and endangered because of the expanding market and environ-
mental pollution. Exploiting sustainable and continuable alternative sources of fish oil is urgently needed. Because the biosynthetic
pathway of VLCPUFAs has been elucidated and the genes of desaturases and elongases involved have been cloned, many
researchers co-express such genes in plants to produce VLCPUFAs. This field is becoming cutting edge in metabolic engineering
of oilseed plants. This review focuses on the latest progress in this area. The bottleneck in the biosynthetic pathway and methods
of increasing the accumulation of VLCPUFAs are also discussed.
Key words docosapentaenoic acid, eicosapentaenoic acid, transgenic plant, very long-chain polyunsaturated fatty acids
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(责任编辑: 孙冬花)
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* Author for correspondence. E-mail: khpan@ouc.edu.cn