全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (8): 1204~1216　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.01931204
收稿 2015-03-31　　修定 2015-07-22
资助 国家自然科学基金(30971806、31201266和31401430)、国
家“948”项目(2014-Z39)和山西省煤基重点科技攻关项目
(FT-2014-01)。
* 通讯作者(E-mail: rli2001@hotmail.com; Tel: 0354-6288374)。
新型工业油料作物亚麻荠: 从基因组到代谢工程
苑丽霞1,2, 毛雪1, 高昌勇1, 张莉1, 薛金爱1, 李润植1,*
1山西农业大学分子农业与生物能源研究所, 山西太谷030801; 2晋中学院生物科学与技术学院, 山西晋中030600
摘要: 亚麻荠是一种新发掘的重要工业油料作物, 具有低耗、广适和多抗等优异农艺性状。因生育短和已建立简易高效遗
传转化体系, 亚麻荠正发展成为理想的新型模式植物。本文重点介绍亚麻荠基因组、转录组、蛋白组以及遗传图谱的最
新研究进展, 深入论述亚麻荠种子代谢工程策略及所取得成就, 特别是乙酰甘油脂、羟化脂肪酸、中链脂肪酸、长链ω-3
多聚不饱和脂肪酸和棕榈油酸等高值油脂生物合成途径的代谢组装, 分析和讨论未来亚麻荠前沿研究动向及其产业发展
前景。
关键词: 亚麻荠; 基因组; 遗传图谱; 转录组; 高值油脂; 生物燃油; 代谢工程
New Type of Industrial Oilseed Crop Camelina sativa: from Genome to Meta-
bolic Engineering
YUAN Li-Xia1,2, MAO Xue1, GAO Chang-Yong1, ZHANG Li1, XUE Jin-Ai1, LI Run-Zhi1,*
1Institute of Molecular Agriculture and Bioenergy, Shanxi Agricultural University, Taigu, Shanxi 030801, China; 2College of Bio-
logical Science and Technology, Jinzhong University, Jinzhong, Shanxi 030600, China
Abstract: Camelina sativa is newly re-embraced as an important industrial oilseed crop with several excellent
agronomic traits of low-input, broad adaptation and multiple resistance. With the short life cycle and an estab-
lished system of a simple and effective genetic transformation, camelina is currently being developed as an ide-
al model crop. In the paper, we mainly highlight the latest advance in genomics, transcriptomics, proteomics
and genetic mapping. Moreover, we deeply analysis camelina seed metabolic engineering strategy and its prom-
ising achievements. Particularly, it is described regarding the metabolic assembly of biosynthesis pathway for
acetyl glycerides, hydroxylated fatty acids, medium-chain fatty acids, ω-3 long-chain polyunsaturated fatty ac-
ids, palmitoleic acid (ω-7) and other high-value oils. At last, we discuss the cutting-edge research directions in
camelina such as genome editing application and future outlook for camelina industry development.
Key words: Camelina sativa; genome; genetic map; transcriptome; high-valued oil; biofuel oil; metabolic en-
gineering
全球石油基能源的过度消耗不仅加剧能源危
机, 而且造成环境污染, 严重制约着人类社会和经
济的可持续发展。为破解这一瓶颈, 近二十年来
全世界有关太阳能、风能和水能等绿色能源, 特
别是可再生的生物能源的开发及应用迅猛发展,
已成为当今科技革命和经济发展的一个重大领
域。大田油料作物如大豆、油菜和棉花等种子油
用于生物燃油工业化生产日益增多, 这势必影响
到这些商业化的大田作物用于粮食和食品的供应
量, 诱发粮食安全问题。因此, 迫切需要寻找和开
发新的具有优异性状的非粮能源作物。
原产于欧洲东南部和亚洲西南部、现广泛种
植于北美、欧洲、大洋洲及亚洲等地区的一种十
字花科油料作物亚麻荠[Camelina sativa (L.) Crantz],
其种子油脂独特和具有诸多优良农艺性状, 近十
多年来被重新发掘出来作为一种替代性优质工业
油料作物, 引起科学界和工业界的广泛关注(Singh
等2015; Betancor等2015; Ruiz-Lopez等2015a; Li等
2014; Petrie等2014; Park等2014; Haslam等2013)。
亚麻荠生育期短(80~100 d), 易与其它作物轮作, 不
占用主粮作物耕地。亚麻荠种子含油量高(34%~
45%), 单位油产量(450~900 kg·ha-1)高于大豆, 与油
菜(Brassica juncea和B. rapa)相当(Blackshaw等
苑丽霞等: 新型工业油料作物亚麻荠: 从基因组到代谢工程 1205
2011)。亚麻荠生产消耗低, 合理N和P肥需求分别
为80~100 kg·ha-1和50 kg·ha-1 (Urbaniak等2008), 水
肥等生产投入较油菜等作物少1/2。此外、亚麻荠
耐干旱、盐碱等逆境(Wysocki等2013; Hunsaker等
2011), 高抗一些常见的病虫草害, 防虫治病除草的
化学药剂用量很少(Gugel和Falk 2006), 有利于环
境保护。与石油基柴油生产和以其它油料作物为
原料制取生物柴油相比, 用种植于不同环境条件
下的亚麻荠生产生物柴油所消耗的能源和温室气
体排放均较少(Krohn和Fripp 2012; Li和Mupondwa
2014)。因此, 亚麻荠是适于“低碳、高效、环保”
可持续现代农业的高值作物。更为突出的是, 随
着亚麻荠简易高效遗传转化体系的建立 (Lu和
Kang 2008)和基因组序列的公布(Kagale等2014),
以及种子油脂代谢工程卓有成效的开展(Nguyen
等2013), 亚麻荠日渐成为油料作物生物学和分子
改良研究的理想模式物种。亚麻荠种子油也已广
泛应用于炼制航空燃油、生物柴油、营养保健品
和其他高值油脂产品(刘广瑞等2012; Manca等
2013; 钱伯章2010; 谢光辉等2012)。
本文结合作者课题组近年来对亚麻荠遗传育
种和油脂代谢调控的研究(苑丽霞等2015a, b), 重
点论述国内外有关亚麻荠基因组、转录组、蛋白
组等组学最新研究进展, 尤其是种子油脂营养品
质改良(ω-3长链多聚不饱和油脂等)和工业油脂代
谢工程(ω-7脂肪酸、羟化脂肪酸和乙酰基油脂等
合成途径组装)。同时, 分析和讨论亚麻荠相关生
理生化研究及应用研发的未来发展前景。
1 亚麻荠基因组具有高度未分化的六倍体基因组
结构
遗传分析显示亚麻荠染色体数目n=20, 在进
化上与模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)亲缘
关系近, 而与同科的重要油料作物油菜(B. rapa和
B. oleracea)亲缘关系较远。Kagale等(2014)应用二
代高通量测序技术, 以亚麻荠双二倍体DH55为试
材, 进行亚麻荠全基因组测序和组装, 获得了亚麻
荠高质量的染色体水平全基因组物理图谱。所绘
制的参考基因组大小为641.45 Mb, 覆盖所预测基
因组大小(750 Mb)的82%, 其中92%所测序列组装
到20条染色体上。共注释了89 418个编码蛋白的
基因, 基因数量约为拟南芥的3倍, 而与普通小麦
预测的基因数目相近(小麦基因组大小是亚麻荠的
22倍)。组装的亚麻荠基因组序列中, 28% (180.12
Mb)为TE序列, 与拟南芥(24%)和A. lyrata (30%)的
基因组中TE序列数量相当(Hu等2011)。重复序列
主体是反转座子(占基因组19%), DNA转座子仅占
基因组的3%。基因组重复序列所占比例小于油菜
(39%) (Kumar和Bennetzen 1999)以及相近大小基
因组的马铃薯(62%) (Xu等2011)、大豆(59%)
(Schmutz等2010)和高粱(62%) (Paterson等2009)。
显然, 与油菜等其他重要作物不同, 亚麻荠基因组
的扩张不是源于重复序列的扩增。
与拟南芥及其他已测序十字花科植物基因组
比较分析发现, 亚麻荠全基因组经历三倍化事件,
拟南芥和A. lyrata的每条染色体或染色体区域都能
在亚麻荠基因组3个独立的染色体中找到。因此,
亚麻荠基因组由3个尚未分化完全的亚基因组
(sub-genome)构成, 亚基因组I (Cs-G1)含6个染色
体, 亚基因组II (Cs-G2)和亚基因组III (Cs-G3)各含
7条染色体。3个亚基因组分别含有28 274、27 218
和29 207个基因, 每个亚基因组基因数量与拟南芥
基因组的基因数相当, 与双二倍体小麦(Brenchley
等2012)、棉花和重要的芸苔属作物相似, 亚麻荠
基因组具有保守的六倍体基因组结构。
依据十字花科植物已建立的同源基因编码区
同义碱基替代率模型推算(Beilstein等2010), 亚麻
荠3个亚基因组大约在5.41百万年以前分歧。尽管
亚麻荠3个亚基因组未发生较明显的重排, 编码序
列仍存在2%~2.5%的核酸序列变异。与芸苔属异
源多倍体作物相似, 亚麻荠3个亚基因组间杂化过
程发生的相当晚, 以至于没有足够时间完成基因
分化。基因组大、基因数目多的亚麻荠, 可能是
由类似于A. lyrata的一个祖先基因组经过两次多倍
化事件而形成(Mandakova等2010)。
进一步表达分析揭示, 绝大多数3倍化基因
(约78%)在表达丰度和组织特异性方面无显著差
异, 这将影响到该种作物遗传修饰的有效性。预
测亚麻荠参与油脂合成、积累和降解的非丰余基
因约736个, 其中80%基因具有3个拷贝。拟南芥基
因组中超过90%油脂代谢相关基因均在亚麻荠基
因组中检测到同源基因。与拟南芥相比, 亚麻荠
参与油脂代谢的基因扩张了约217%, 而大豆仅扩
植物生理学报1206
张了63% (Schmutz等2010)。亚麻荠具有较大数量
的油脂代谢基因, 然而多数不具显著表达差异和
功能分化, 这预示着亚麻荠油脂代谢具有复杂的
调控机制以确保基因剂量的平衡。
2 亚麻荠遗传图谱与分子标记的研究
与油菜等农作物相比, 有关亚麻荠遗传图谱
和分子标记研究起步晚。早期研究多关注亚麻荠
种内遗传多样性。Vollmann等(2005)用RAPD技术,
检测41个亚麻荠种质, 发现所检测种质遗传多样
性低。接着用AFLP标记技术, 分析53个来自不同
地理生态区的亚麻荠种质, 则检测到较高的遗传
变异, 进一步研究鉴定了一些具优异农艺特征的
种质, 可进一步用于品种改良。以2个农艺性状差
异较大的品种‘Lindo’和‘Licalla’创建的一个重组
近交系群体为作图群体, Gehringer等(2006)用AFLP
和SSR标记(其中包括来自油菜的3个SSR标记)构
建了一个连锁遗传图(总图距1 385.6 cM)。进一步
结合连续3年的大田表型观察分析, 定位了一些控
制亚麻荠含油量、千粒重和株高等农艺性状的
QTLs。
为精细组装亚麻荠物理图谱, Kagale等(2014)
构建了来自亚麻荠品种‘Lindo’和‘Licalla’杂交组
合近等基因系群体(F6代, 96个株系), 以此为作图
群体, 结合应用Illumina GoldenGate基因型检测和
RAD (restriction site associated DNA)分析技术, 共
检测到3 575个多态性标记(含SNPs和插入/缺失多
态性); 应用这3 575个多态性标记, 成功构建了一
个高密度的亚麻荠遗传图谱。最近, Singh等(2015)
以4个农艺性状有明显差异的亚麻荠品系(31471-
03、33708-06、‘Lindo’及‘Licalla’品种的2个高代
近交系)为试验材料, 采用高通量RNA-seq和基因
组消减文库及简化测序技术, 检测这些亚麻荠种
质的SNP, 并进一步用另外178个不同品系群体作
验证群体, 构建了一张高密度的亚麻荠SNP图谱。
该图谱含有分布于20条连锁群的579位点, 总图
距1 808.7 cM, 平均SNP标记间距为3.4 cM。据此,
作者还制作了由768个SNP组成的亚麻荠SNP芯片,
并建立了相应的检测方法。这些开拓性工作为建
立亚麻荠重要农艺性状的分子标记和QTL, 以及分
子遗传研究奠定了基础, 将推进亚麻荠这一新型
工业油料作物的遗传改良和新品种选育。
3 亚麻荠转录组、蛋白组及MicroRNA的研究
应用Illumina RNA-Seq技术, 以幼叶和成熟叶
片为试材, Liang等(2013)构建了亚麻荠转录组。组
装得到83 493 unigenes, 利用NR、Swiss-Prot、
COG和KEGG等4个数据库信息, 功能注释了67 791
unigenes, 其中非丰余序列25 329条。亚麻荠表达
序列包含拟南芥绝大多数油脂代谢相关基因的同
源基因, 其中少数参与油脂代谢基因在亚麻荠叶
片中仅检测到部分同源基因表达。例如, 拟南芥
基因组有7个硬酯酰-ACP脱氢酶(stearoyl-ACP de-
saturase)基因, 即FAB2和DES1-6 (Kachroo等2007),
只有4个亚麻荠同源基因检测到表达。理论上, 亚
麻荠与拟南芥的亲缘关系较近, 而与其他十字花
科植物种的亲缘关系较远。与之相反的是, 一些
抗病基因[编码NBS-LRR (nucleotide binding site-
leucine-rich repeats)基因]与其他十字花科物种同
源基因序列相似性较高, 而与拟南芥相似性低。
这些基因包括油菜(B. rapa)的BrCN、BrCNL、
BrNL、BrTN和BrTNL等, 预示着在自然进化过程
中, 亚麻荠和油菜(B. rapa)可能遭受到相近病原菌
的侵染。另外, 拟南芥和亚麻荠参与一些KEGG
(Kyoto encyclopedia of genes and genomes)通路的
基因亦存在种间差异。
Nguyen等(2013)报道了亚麻荠发育种子(花后
15~20 d)转录组及基因表达谱。结合2 047个
Sanger ESTs和200多万个454测序的Reads, 鉴定组
装了6万多个转录本、涵盖22 597个预测基因的
亚麻荠种子转录组。这些表达基因几乎包含绝大
多数参与种子发育、蛋白和油脂等贮藏物合成积
累的基因。约80%表达的亚麻荠油脂代谢相关基
因与拟南芥直向同源基因的一致性高于80%。与
拟南芥和油菜一样, 亚麻荠种子贮藏蛋白包括12S
球蛋白和2S清蛋白(含有过敏感蛋白成分)。拟南
芥和亚麻荠分别有4和7个基因编码12S球蛋白。
编码2S清蛋白的基因, 拟南芥有5个, 而亚麻荠有
8个 , 且这8个表达基因的蛋白序列相似性达
71%~98%。应用RNAi技术沉默所有亚麻荠8个2S
蛋白编码序列表达, 获得了种子2S贮藏蛋白缺失
的突变体。该2S蛋白缺失显著改良了亚麻荠种子
蛋白营养品质和食品加工品质。
亚麻荠种子油含有大于50%的多聚不饱和脂
苑丽霞等: 新型工业油料作物亚麻荠: 从基因组到代谢工程 1207
肪酸(18:2和18:3), 用其制取的生物柴油抗氧化性
差。而富含单不饱和脂肪酸(18:1)的油脂制取的生
物柴油不仅抗氧化性稳定, 而且耐低温性能高。
在发育种子中, 脱氢酶FAD2负责催化油酸(18:1)生
成亚油酸(18:2); 脂肪酸延伸酶FAE1控制18:1添加
2个碳原子生成长链脂肪酸(20:1)。种子转录组分
析显示, 亚麻荠有3个CsFAD2和3个CsFAE1同源基
因, 这正是亚麻荠基因组三倍化的典型特征。应
用RNAi分别沉默这两个基因所有拷贝的表达, 阻
断亚油酸(18:2)的合成及碳链延长反应, 导致种子
油脂中油酸(18:1)含量由野生型的15%增加到
70%。有趣的是, 以拟南芥AtFAD2和AtFAE1表达
序列为模板设计RNAi, 也能使亚麻荠CsFAD2和
CsFAE1沉默, 从而显著提高亚麻荠种子油中油酸
(18:1)含量。这说明亚麻荠是一个很好的平台作
物, 非常适合将模式植物拟南芥的研究发现转移
应用到已商业化的作物, 开展基因功能和遗传改
良研究。亚麻荠转录组等信息的获得为之奠定了
坚实的基础。
为鉴定参与亚麻荠多聚不饱和脂肪酸合成积
累及调控机制, Wang等(2015)亦选取亚麻荠花后10
和20 d的发育种子为样品, 采用454测序技术, 检测
分析亚麻荠种子转录组及其在不同发育时期的差
异表达谱。共获得了831 632高质量reads, 从头组
装了32 759个unigene。花后20 d种子与10 d种子相
比, 上调和下调表达的unigene分别为12 476和
12 390。进一步功能注释显示, 220个参与脂肪酸
生物合成的基因在花后20 d亚麻荠种子中上调表
达, 其中47个候选基因被鉴定为控制多聚不饱和
脂肪酸的合成 , 59个unigene分别编码FAD2、
FAD3、PDAT、DGAT和ACSL。Mudalkar等(2014)
则报道了亚麻荠全株转录组分析结果。以种子、
幼苗、根、茎和叶等器官为材料, 作者利用Illumina
GAIIX测序平台, 共获得10.83百万高质量reads和
功能注释的53 854个contigs。检测出一系列参与
油脂代谢的基因和转录因子。此外还鉴定发现了
9 379个简单重复序列。这些已有转录组数据的获
得有助于全面解析亚麻荠种子发育, 特别是油脂
合成调控机制, 以及遗传改良和新品种培育。
有关亚麻荠蛋白组学的研究较少。最近 ,
Alvarez等(2015)应用标记基于LC的定量蛋白组分
析技术, 解析亚麻荠种子蛋白表达谱, 共检测到
1 532个蛋白质。此外, 还分析了过表达拟南芥G
蛋白γ亚基3 (AGG3)对亚麻荠种子蛋白表达的影
响, 以揭示AGG3促进种子增大和提高胁迫耐性的
蛋白组学基础。研究发现显著高表达的蛋白大多
参与初级和次生代谢, 核酸和蛋白代谢, 以及脱落
酸相关的反应。蛋白组数据还显示AGG3蛋白参
与氧化胁迫和重金属耐性反应的调控。AGG3过
表达导致亚麻荠通过依赖于谷胱甘肽的通路抵御
外源施加镉的胁迫。过表达AGG3蛋白的亚麻荠
发育种子中, 多种调节氧化还原的酶, 其酶活性明
显升高。这些蛋白组分析数据为深入认识AGG3
介导的氧化还原通路在调控种子相关性状表达中
的作用提供了关键证据。
MicroRNA是一类调控基因表达的重要非编
码小RNA分子, 参与多种生命过程的调控。Poudel
等(2015)报道了亚麻荠MicroRNA研究结果, 以亚
麻荠叶片、花蕾和2个不同发育阶段的种子为样
品, 采用RNA深度测序技术, 共检测到已知63个家
族的207个MicroRNA和5种新MicroRNA。这些
MicroRNA在不同组织和不同发育时期种子中的
表达丰度有明显差异。生物信息学工具预测已知
MicroRNA的靶基因总数为4 378个, 含转录因子和
广泛参与蛋白结合、DNA结合、多种发育过程及
信号通道的蛋白。5个新MicroRNA的靶基因为28
个, 主要参与发育和抗病性反应。更为重要的是,
预测出133个靶基因与油脂代谢相关。我们课题
组最近通过RNA深度测序和降解组分析, 获得了
一组参与亚麻荠种子发育和种子贮藏物质合成积
累调控的关键MicroRNA及其靶基因(未发表数
据)。这有助于进一步探知MicroRNA调控种子油
脂代谢机理和为油料作物高值工业油脂的遗传改
良提供了分子靶标。
我们课题组应用Lu和Kang (2008)建立亚麻荠
遗传转化方法, 对参与油脂合成调控的一些转绿
因子进行基因修饰 (岳爱琴等2007; 吴永美等
2011), 现已获得种子含油量明显提高、且其他
农艺性状良好的亚麻荠基因工程株系。卵磷脂的
分解在三酰甘油酯(triacylglycerol, TAG)合成中起
重要作用, 种子特异表达磷脂酶 AIIIδ (pPLAIIIδ)
以促进卵磷脂分解, 结果导致亚麻荠种子油含量
植物生理学报1208
提高(Li等2014)。pPLAIIIδ超表达引起纤维素的降
解, 进而促使更多的碳源用于油脂合成, 最终油脂
积累增多。Malik等(2014)建立了在亚麻荠质体内
表达外源基因的转化体系。质体特异表达催化合
成羟基丁酸(poly-3-hydroxybutyrate, PHB)酶, 转基
因亚麻荠T4种子中合成了高达13.7% PHB。这是迄
今在种子中转基因合成积累PHB多聚物的最高水
平。这种转基因亚麻荠种子含油量减低, 但蛋白质
含量不变, 种子萌发受影响, 进一步改造可应用转
基因油料植物种子商业化生产PHB。Park等(2014)
克隆和分析了亚麻荠重金属ATP酶(heavy metal
P1B-ATPase, CsHMA3), 超表达CsHMA3导致亚麻
荠根部从土壤中吸收积累Pb和Zn, 与对照相比, 不
但耐重金属胁迫, 而且种子产量提高。此类基因
改造的亚麻荠未来可用于清除土壤重金属污染。
4 亚麻荠油脂代谢工程
4.1 组装乙酰甘油脂合成途径
乙酰甘油脂, 即3-乙酰-1,2-二酰甘油脂(3-ace-
tyl-1,2-diacyl-sn-glycerols, acTAGs)是一种具有重
要工业价值的珍稀油脂, 其分子特征是2个长链脂
肪酸酰基分别结合在甘油分子的sn-1和sn-2位置,
1个乙酰基连接在甘油分子的sn-3位置(Durrett等
2010)。普通的TAG则是在甘油分子3个碳原子上
均结合长链脂肪酸酰基。与普通TAG不同, acTAGs
具有独特的理化性质。例如, 它的运动粘度(kine-
matic viscosity)比一般TAG低40%。因此, acTAGs
是制取低粘度生物燃油的优良油脂, 所制成的生
物柴油是轮船、火车和发电机等所需的优质燃
油。acTAGs另一个优点是低温耐性高, 由它所制
成的生物柴油在低温气候下不易发生结块和燃烧
障碍。acTAGs也可用于生产可生物降解的优质润
滑油(Liu等2015a)。
这类高值工业油脂在普通大田油料作物种子
中不能合成, 而在一些野生植物则能高水平合成
积累。一种卫矛科植物紫卫矛(Euonymus alatus)
种子油中98%为acTAGs (Milcamps等2005)。研究
表明紫卫矛二酰甘油乙酰基转移酶(Euonymus ala-
tus diacylglycerol acetyltransferase, EaDAcT)催化二
酰甘油酯(diacylglycerol, DAG)在sn-3位置结合1个
乙酰基而形成acTAGs。在普通油料作物发育种子
中, DGAT (diacylglycerol acyltransferase)或PDAT
(phosphatidylcholine: diacylglycerol acyltransferase)
催化DAG结合1个长链脂肪酸酰基生成TAG, 但不
能催化形成acTAGs。将编码EaDAcT的基因在亚
麻荠种子中超表达 , 导致种子油中acTAGs达
55%。EaDAcT和DGAT或PDAT共用相同底物
DAG, 如果能沉默内源DGAT或PDAT的活性, 更多
DAG就可为EaDAcT所用而生成acTAGs。应用
RNAi技术沉默3个亚麻荠DGAT1基因表达, 同时超
表达EaDAcT, 转基因亚麻荠种子油中acTAGs增加
到85%, 而且稳定遗传(Liu等2015a)。连续大田试
验显示与野生型相比, 此种转基因亚麻荠种子重
量、油脂及蛋白含量无明显差异, 而且种子萌发
正常。在种子萌发过程中, AcTAGs也能像TAG一
样被分解供幼苗生长所用(Liu等2015b)。
对普通油料作物种子油脂代谢进行遗传修饰,
以生产原本不能合成的特异脂肪酸如环氧化及羟
化脂肪酸等, 常发现这些特异脂肪酸的积累产生
许多负效应(Li等2012; Singh等2001; Bates等2014;
岳爱琴和李润植2009)。其原因是这些特异脂肪酸
合成后, 与磷脂酰胆碱(phosphotidylcholine, PC)
结合在一起, 不能及时从PC库转移到TAG库, 因而
影响细胞正常生命活动。AcTAGs的合成仅需要
一步反应, 即乙酰基在EaDAcT作用下直接连接到
DAG的sn-3位置而进入TAG库贮存起来, 不会影响
细胞其它活动。
为进一步改良acTAGs的理化特性, 拓展其工
业用途, 一些研究试图用其它长链脂肪酸酰基替
换acTAGs分子sn-1和sn-2位置上的长链多聚不饱
和脂肪酸酰基。如能在acTAGs分子sn-1和sn-2位
置上结合单不饱和的油酸(18:1)酰基, 就可提高
acTAGs的抗氧化性能。以前文论及的RNAi沉默
GsFAD2和GsFAE1获得高含油酸的亚麻荠株系为
受体, 导入超表达EaDAcT和RNAi沉默GsDGAT和
GsPDAT载体, 转基因亚麻荠种子油中acTAGs含量
高达70%, 其中47%为3-乙酰基-1,2-二油酰甘油酯
(3-acetyl-1,2-dioleoyl-sn-glycerol) (Liu等2015a), 此
种油脂抗氧化性显著提高。再如, 在acTAGs分子
sn-1和sn-2位置上结合中链脂肪酸酰基, 可进一步
减低acTAGs油脂的粘度(Durrett等2010)。这说明改
换sn-1和sn-2位置上脂肪酸酰基种类, 可使acTAGs
具有更理想的特性和更广阔的工业应用领域。
苑丽霞等: 新型工业油料作物亚麻荠: 从基因组到代谢工程 1209
4.2 组装羟化脂肪酸合成途径
亚麻荠种子油含有约45%的多聚不饱和脂肪
酸, 即亚油酸(18:2Δ9,12)和亚麻酸(18:1Δ9,12,15),
而单不饱和的油酸(18:1Δ9)含量仅为17%。这种高
含多聚不饱和脂肪酸的种子油极易氧化。前文论
及采用RNAi技术特异沉默亚麻荠FAD2、FAD3和
FAE1, 获得亚油酸和亚麻酸含量明显减低和高积
累油酸(由野生型18%提高到65%)的转基因亚麻荠
种子油(Cahoon等2007), 抗氧化性能显著改善。除
此之外, 另一条策略是在亚麻荠发育种子中表达
催化形成单不饱和羟化脂肪酸的酶, 促进新合成
并高积累羟化脂肪酸。由于这种脂肪酸极不易氧
化, 可提高种子油的抗氧化性。羟化脂肪酸已广
泛应用于树脂、蜡、尼龙、塑料、润滑油和化妆
品等工业生产。
蓖麻种子油含有高达90%的蓖麻酸(18:1Δ9,
12OH) (一种单不饱和的羟化脂肪酸)。这种脂肪
酸是以结合于PC的油酸分子(18:1Δ9)为底物, 经脂
肪酸羟化酶(fatty acid Δ12 hydroxylase, FAH12)催
化, 在Δ12碳原子处产生一个羟基而形成。种子特
异表达源于蓖麻的RcFAH12基因, 导致亚麻荠种子
新合成积累蓖麻酸达6% (Lu和Kang 2008), 相应地
抗氧化性比非转基因亚麻荠油明显提高。羟基廿
碳烯酸(lesquerelic acid)是一种类似于蓖麻酸的羟
化脂肪酸, 高积累于十字花科Physaria属植物种子
中。源于Physaria fendleri的一种脂肪酸缩合酶
LfKCS (a fatty acid condensing enzyme)能特异催化
蓖麻酸延长为羟基廿碳烯酸。在亚麻荠种子中协
同表达RcFAH12和LfKCS, 不仅使蓖麻酸由仅表达
RcFAH12亚麻荠的14%提高到19%, 而且新合成积
累了8%的羟基廿碳烯酸, 羟化脂肪酸总量达27%,
极大改进了亚麻荠油的抗氧化性, 而且种子活力
未受影响(Snapp等2014)。显然, LfKCS表达加快了
羟化脂肪酸从合成地PC库中移出 , 进入酰基－
CoA库, 最终整合入TAG。
以模式植物拟南芥为受体, 将源于蓖麻的控
制TAG合成最后一步酰化反应的RcDGAT2和RcP-
DAT与RcFAH12共表达, 可使种子油中羟化脂肪
酸含量进一步升高达29% (van Erp等2011; Burgal
等2008)。RcFAH12和RcPDCT (phosphatidylcho-
line: diacylglycerol cholinephosphotransferase)共表
达使拟南芥种子羟化脂肪酸积累由仅表达Rc-
FAH12的10%增加到约20% (Hu等2012)。与常规
的DGAT、PDAT和PDCT不同, RcDGAT2、RcP-
DAT以及RcPDCT均对羟化脂肪酸底物有特异性,
能加速羟化脂肪酸从PC库和CoA库转出, 进而整
合到DAG形成羟化TAG。可以预见, 这三个酶基
因与RcFAH12在亚麻荠发育种子中共表达, 可使
羟化TAG合成积累量达到可商业化利用的水平。
Rodríguez-Rodríguez等(2014)近来有关亚麻荠质体
内FatA (fatty acid thioesterase A)和FatB (fatty acid
thioesterase B)硫酯化酶的研究, 证明FatA对油
酰-ACP有选择性, 而FatB对棕榈油酸-ACP有特异
性。未来以这两个酶为靶标进行分子操作, 可使
细胞选择性地积累油酸 ( 1 8 : 1 Δ 9 )或棕榈油酸
(16:1Δ9), 亦能提高亚麻荠油的抗氧化性。
4.3 组装中链脂肪酸合成途径
航空燃油(Jet A和Jet-A1 fuels)主要由C8–C16
烷烃和芳香烃碳氢化合物组成(Kallio等2014)。亚
麻荠等多数普通油料作物种子油的主要脂肪酸为
18C脂肪酸, 直接用于加工航空燃油质量欠佳和工
序繁长。富含辛酸(8:0) (caprylic acid)、发酸(10:0)
(capric acid)、月桂酸(12:0) (lauric acid)和豆蔻酸
(14:0) (myristic acid)等中链脂肪酸(medium-chain
fatty acids, MCFAs), 以及棕榈酸(16:0)植物油脂使
制取航空生物燃油的优异资源(Dyer等2008), 这些
中链脂肪酸也广泛用于生产去垢剂、肥皂、化妆
品、表面活性剂和润滑油等。
热带植物棕榈(Elaeis guineensis)的棕仁和椰
子(Cocos nucifers)的椰肉富含月桂酸(46%~52%)
和豆蔻酸 ( 1 6 % ~ 1 9 % ) , 是目前商业化植物基
MCFAs的主要来源。一些千屈菜科(Lythraceae)萼
距花属(Cuphea)植物可富集>90%的MCFAs。例
如, Cuphea viscosissima的种子含有约25%的辛酸
和约64%的发酸; Cuphea pulcherrima的种子富集
约95%的辛酸(Knothe 2014)。这些萼距花属植物
具有无限花序、落粒和种子休眠等不良农艺性状,
难以商业化生产种子油, 但可用作分离控制MCFAs
生物合成的优异基因源(Filichkin等2006)。
植物脂肪酸从头合成发生在质体内。乙
酰-CoA和丙二酰-ACP经β-酮酯酰-ACP合酶(β-ke-
toacyl-ACP synthase III, KASIII)催化生成4C的β-酮
植物生理学报1210
酯酰-ACP。接着在脂肪酸合成酶(fatty acid syn-
thase, FAS)复合体的作用下, 每次循环增加2个碳
原子 , 直至形成16个碳的棕榈酸 -ACP (16:0-
ACP)。16:0-ACP可在KASII作用下进一步延长为
硬脂酸-ACP (18:0-ACP), 也可在酰基-ACP硫酯酶
FatB (FatB thioesterase)的催化下, 16:0从ACP上解
离, 使脂肪酸碳链延长终止。在质体内合成的18C
脂肪酸即硬脂酸(18:0)和油酸(18:1)则由FatA硫酯
酶(FatA thioesterase)催化从ACP上解离。因此, 酰
基-ACP硫酯酶是质体内合成脂肪酸碳链长度的主
要决定者(Li-Beisson等2013)。
MCFAs和棕榈酸(16:0)从质体转出后, 先与
CoA结合, 再进入细胞质内质网, 经一系列反应, 最
终结合于甘油碳骨架的sn-1 ,2 ,3位置 , 酯化为
TAG。甘油-3-磷酸酰基转移酶(glycerol-3-phos-
phate acyltransferase, GPAT)、溶血磷脂酸酰基转
移酶(lysophosphatidic acid acyltransferase, LPAT)和
DGAT依次催化MCFAs-CoA以及16:0-CoA酯化进
入TAG分子, 是高积累MCFAs和16:0的关键酶类
(Lu等2011)。已发现多数油料作物的LPAT对不饱
和脂肪酸-CoA (如油酸-CoA)有底物选择性, 而对
MCFAs-CoA无选择性(Nlandu Mputu等2009)。源
于椰子的CnLPAT对12:0-CoA有较强的底物特异性
(Kim等2015)。
迄今, 已从高含MCFAs的萼距花属植物以及
加州月桂(Umbellularia californica)发育种子中分
离到一些编码对小于16C的脂肪酸-ACP有底物特
异性的FatB酶基因。异源超表达这些FatB, 导致油
菜(Brasicca napus)和拟南芥种子中合成积累MC-
FAs (Tjellstrom等2013)。RNAi沉默KASII, 阻断由
16:0-ACP生成18:0-ACP反应, 获得16:0-ACP高积
累的转基因种子(Pidkowich等2007)。以亚麻荠为
受体, 种子特异表达源于萼距花属植物C. palustris
的CpFatB2基因, 转基因亚麻荠种子积累豆蔻酸
(14:0)达25%。在亚麻荠种子中特异共表达加州月
桂的UcFatB1基因和椰子CnLPAT基因, 导致亚麻
荠种子积累高达30% 的月桂酸(12:0) (Collins-Silva
和Cahoon 2011)。
Kim等(2015)详尽报道了来自萼距花属植物
Cuphea viscosissima和C. pulcherrima的FatB功能鉴
定及用于在亚麻荠种子中组装MCFAs合成途径的
研究结果。他们通过分析这两种植物发育种子转
录组及表达谱, 检测到3个FatB cDNAs, 即Cpu-
FatB3、CvFatB1和CpuFatB4在发育种子中大量表
达 , 与MCFAs合成积累密切相关。分别超表达
CpFatB2、UcFatB1和ChFatB2 (C. hookeriana
FatB3)的亚麻荠种子合成积累豆蔻酸(14:0) 24%、
月桂酸(12:0) 18%和发酸(10:0) 10%。CpuFatB4对
12;0-ACP、14:0-ACP和16:0-ACP均有选择性, 超
表达CpuFatB4的亚麻荠种子中16:0含量上升到
43.5% (比野生型提高了5倍), 14:0含量达8%。与
CpuFatB4相似, CpuFatB3对各种MCFA-ACP有广
谱底物特异性, 超表达CpuFatB3的亚麻荠种子中
10:0积累量达1.2%, 其他MCFAs (8:0、12:0、14:0)
仅少量合成。过量表达CvFatB1的亚麻荠种子合
成积累10:0和16:0分别达9%和16%, 其他MCFAs
(8:0、12:0、14:0)含量亦较低。共表达2个或3个
FatB酶基因, 导致转基因亚麻荠种子积累C8–C16
等各种MCFAs, 但每种脂肪酸含量低于仅表达1个
FatB酶基因亚麻荠种子中相应脂肪酸的含量。进
一步将CpFatB2或者UcFatB1与椰子CnLPAT在亚
麻荠种子中超表达 , 导致合成积累更多的MC-
FAs。更为重要的是, 共表达MCFA特异的FatB和
CnLPAT不仅提高MCFAs含量, 而且对总油脂含量
无负影响。上述经代谢修饰获得富集MCFAs的亚
麻荠工程株系均可直接用于生产高抗低温的优质
航空燃油。
4.4 组装长链ω-3脂肪酸合成途径
ω-3脂肪酸是指碳链氨基端第3个碳原子处
形成第一个双键的脂肪酸, 包括a-亚麻酸(ALA,
18:3Δ9,12,15)、二十碳五烯酸(EPA, 20:5Δ5,8,
11,14,17)和二十二碳六烯酸(DHA; 22:6 Δ4,7,10,
13,16,19)。尤其是来源于鱼油的超长链(≥C20)多
聚不饱和脂肪酸(long-chain polyunsaturated fatty
acids, ω-3-LC-PUFAs)的EPA和DHA, 对人类健
康、饮食营养和大脑发育极为重要。为建立能替
代鱼油生产EPA和DHA的可再生资源, 近年来不少
研究致力于在普通油料作物发育种子中组装EPA
和DHA生物合成途径, 以期实现“工厂化”生产EPA
和DHA, 满足日益增长的市场需求(Betancor等
2015; Xue等2013; Ruiz-Lopez等2015b; Malik等
2014)。在大豆等油料作物种子中已组装EPA和
苑丽霞等: 新型工业油料作物亚麻荠: 从基因组到代谢工程 1211
DHA途径, 但是EPA和DHA积累量较低, 难以商业
化利用。亚麻荠种子含有>30%的EPA和DHA合成
所需的起始底物即ALA, 是组装ω-3-LC-PUFA合
成途径的良好平台。
研究发现ω-3-LC-PUFA生物合成有两条途径
(图1) , 即常规的Δ6途径和非常规的的Δ8途径
(Ruiz-Lopez等2015b)。Δ6途径由α-亚麻酸(ALA)
开始合成EPA需要Δ6和Δ5脱氢酶各1个(Δ6 Des 和
Δ5 Des)和1个ELO型的Δ6碳链延伸酶(Δ6Elo); 由
EPA进一步合成DHA又需要1个ELO型的Δ5碳链
延伸酶(Δ5Elo)和1个Δ4脱氢酶(Δ4Des)催化。
用来自真核微藻Ostrococcus tauri的OtΔ6脱氢
酶、海洋真菌Thraustochytrium sp.的TcΔ5脱氢
酶、致病疫霉菌Phytophthora infestans的Pi ω-3脱
氢酶和大豆疫霉菌Phytophthora sojae的PsΔ12脱氢
酶以及小立碗藓Physcomitrella patens的Δ6脂肪酸
碳链延伸酶PSE1, 构建这5个基因的种子特异共表
达载体, 导入亚麻荠以在发育种子中组装EPA合成
途径。这5个基因共表达, 导致亚麻荠油中EPA积
累量达31%, 而EPA平均含量为24% (Ruiz-Lopez等
2014)。在上述这5个基因共表达载体中再插入来
自海洋球石藻Emiliania huxleyi的EhΔ4脱氢酶和真
核微藻O. tauri的Δ5延伸酶OtElo5, 构建7个基因共
表达载体, 并对亚麻荠进行遗传转化, 在发育种子
中成功组装了DHA合成途径。共表达这7个基因
的亚麻荠种子合成积累高达14%的DHA (平均为
8%) (Ruiz-Lopez等2014)。这种转基因亚麻荠种子
油中EPA和DHA含量已达鱼油中的水平, 这是现今
在已商业化的油料作物种子成功组装并表达EPA
和DHA生物合成途径获得积累EPA和DHA最高水
平。更为重要的是这种表达EPA和DHA合成途径
的亚麻荠种子油中无其它有害中间代谢产物的积
累, 而且EPA和DHA积累也没有对其它农艺性状构
成负影响, 转基因植株生长发育正常。这些代谢
工程所培育的亚麻荠新种质作为EPA和DHA优质
可再生资源, 未来经进一步深入研发可用于富含
长链ω-3脂肪酸EPA和DHA的系列医药和营养保健
品的商业化生产。
非常规合成EPA的Δ8途径, 实质上是一个旁
路途经, 大多存在于一些微藻(如Pavlova salina和
图1 ω-3-LC-PUFA生物合成示意图
Fig.1 Biosynthetic pathway of the ω-3- LC-PUFA
Δ6-Pathway: Δ6途径; Δ8-Pathway: Δ8途径; Δ6 Des: Δ6脱氢酶;Δ5 Des: Δ5脱氢酶; Δ4 Des: Δ4脱氢酶; Δ6 Elo: Δ6 延伸酶;Δ5 Elo: Δ5延伸酶;
LA: 十八碳二烯酸; ALA: 十八碳三烯酸; SDA: 十八碳四烯酸; EDA: 二十碳二烯酸; DGLA: 二十碳三烯酸; ETA: 二十碳四烯酸; EPA: 二十
碳五烯酸; DTA: 二十二碳四烯酸; DPA: 二十二碳五烯酸; DHA: 二十二碳六烯酸; TAG: 三酰甘油。
植物生理学报1212
Isochrysis galbana)细胞内(Ruiz-Lopez等2015)。Δ8
途径的起始底物也是ALA, 经ELO型的Δ9碳链延
伸酶(Δ9Elo) 催化, ALA加上2个碳原子, 生成二十
碳三烯酸(20:3Δ11,14,17; ω-3, ERA)。接着, Δ8脱
氢酶催化ERA生成二十碳四烯酸(20:4Δ8,11,14,17;
ω-3, ETA)。最后, ETA经Δ5 Des催化转化成EPA
(20:5Δ5,8,11,14,17; ω-3)。现已在亚麻荠发育中成
功组装和表达了该Δ8途径, 长链ω-3脂肪酸(EPA和
ETA)在转基因亚麻荠种子油中积累高达26.4%
(Ruiz-Lopez等2015)。此外, 亚油酸(18:2Δ9,12,
LA)也是延长酶Δ9Elo的作用底物。Δ9Elo催化LA
加上2个碳原子, 延伸生成二十碳二烯酸(20:2Δ11,14;
ω-6, EDA)。在Δ8脱氢酶作用下, EDA生成二十碳
三烯酸(20:3Δ8,11,14; ω-6, DGLA)。最后, Δ5脱氢
酶催化DGLA转化成二十碳四烯酸(20:4Δ5,8,11,14;
ω-6, ARA), 再经Δ5Elo、Δ4Des和ω-3Des依次作用,
生成DHA。表达Δ8途径的亚麻荠还需要精细代谢
修饰, 以期减少DGLA和ARA这两种ω-6脂肪酸的
合成, 促使合成积累更多EPA和DHA。
4.5 棕榈油酸等高值脂肪酸的代谢工程
单不饱和的棕榈油酸(16:1Δ9)及其碳链延伸
的11-十八碳烯酸 (18:1Δ11)和13-二十碳烯酸
(20:1Δ13)等ω-7脂肪酸, 具有独特的营养、医药和
工业价值(吴永美等2011)。富含这类脂肪酸的植
物油脂是制取优质生物柴油(抗氧化性高、耐低
温、极少NO排放)和生产市场需求量极大的1-辛
稀化工品的最佳原材料。应用代谢工程技术, 在
拟南芥和大豆等油料作物种子中组装和表达棕榈
油酸生物合成途径, 均导致ω-7脂肪酸合成积累显
著增加(Wu等2012; 吴永美等2011; Xue等2013; 薛
金爱等2013)。
棕榈油酸等ω-7脂肪酸合成的起始底物是在
质体内从头合成的棕榈酰(16:0)-ACP。普通油料
作物质体内生成的16:0-ACP有两条下游酶促反应
路径。其一是, 在KASII作用下, 16:0-ACP加上2个
碳原子, 延伸生成硬脂酰(18:0)-ACP。18:0-ACP既
可直接从质体转出, 以18:0-CoA进入细胞质内质
网, 也可在质体内经ACP型∆9脱氢酶(ACP-∆9Des)
催化生成单不饱和油酰(18:1∆9) -ACP, 接着从质体
转出并与CoA结合(18:1∆9 -CoA), 进入细胞质内质
网。其二是, 16:0-ACP在FatB作用下, 16:0与ACP
解离, 16:0从质体转出并结合CoA, 以16:0-CoA进
入细胞质内质网。在一些富含ω-7脂肪酸的野生
植物种子中, 16:0-ACP在质体内先在对16:0-ACP
有底物特异性的ACP-∆9Des 作用下, 转化为棕榈
油酰(16:1∆9)-ACP (ω-7), 接着经延伸酶FAE催化
生成11-＋八碳烯酰(18:1∆11)-ACP (ω-7)。最后, 在
FatA作用下, 16:1∆9和18:1∆11分别与ACP解离, 从
质体转出并结合CoA, 以16:1∆9-CoA和18:1∆11-
CoA进入细胞质内质网。
目前在亚麻荠种子成功组装棕榈油酸等ω-7
脂肪酸策略是 : 表达一个能在质体内特异催化
16:0-ACP生成16:1∆9-ACP的ACP-∆9Des, 以提高
质体内16:1∆9-ACP合成量; 同时表达一个或两个
能在细胞质内质网上特异催化16:0-CoA生成
16:1∆9-CoA的CoA型∆9脱氢酶(CoA-∆9Des), 以使
进入细胞质的16:0-CoA更多地生成16:1∆9-CoA。
采用RNAi技术沉默FatB以减少16:0-ACP从质体转
出量和沉默KASII以阻断16:0-ACP 生成18:0-ACP,
从而使质体内16:0-ACP更多地被16:0-ACP特异性
ACP-∆9Des催化生成16:1∆9-ACP。
Nguyen等(2015)应用这一策略在亚麻荠组装
ω-7脂肪酸生物合成途径, 获得了高积累ω-7脂肪
酸的工程株系。种子特异共表达一个16:0-ACP特
异性较强的ACP-∆9Des和两个16:0-CoA特异性较
强的CoA-∆9Des, 导致转基因亚麻荠种子中ω-7脂
肪酸积累量从野生型的0.6%增加到17%。在此基
础上, 再同步RNAi沉默内源CsKASII和CsFatB,
ω-7脂肪酸含量进一步提高, 平均达总油脂的60%,
而且饱和脂肪酸含量相应地从野生型的12%减少
到转基因种子中的5%。这种高积累ω-7脂肪酸的
亚麻荠工程系未显不良农艺性状, 种子重量、蛋
白和油脂含量与野生相比无差异, 种子萌发及幼
苗生长发育正常。我们实验室共表达16:0特异性
高的∆9Des和对16:0-CoA有选择性的DGAT, 亦获
得富集ω-7脂肪酸的亚麻荠转基因株系。应用此
类富含高值ω-7脂肪酸的亚麻荠油, 可更高效地加
工各种医药和功能性保健品及食品。理化等功能
性试验检测表明, 与野生型亚麻荠油相比, 这些
ω-7亚麻荠油的热力学特性大幅改善, 进一步可用
于生产优质生物柴油和聚亚胺酯等高附加值工业
产品。
苑丽霞等: 新型工业油料作物亚麻荠: 从基因组到代谢工程 1213
蜡酯(wax ester) (20-22C)是另一类高值油脂,
已广泛用作高温润滑油。蜡酯分子结构为一个长
链脂肪酸通过酯键连接于一个脂肪醇分子(fatty
alcohol), 其生物合成只需两步酶促反应。脂肪醇
还原酶FAR (fatty alcohol reductase)催化脂肪酰
基-CoA转化成脂肪醇, 再在蜡酯合酶(wax syn-
thase, WS), 脂肪醇与酰基-CoA缩合(Heilman等
2012)。亚麻荠种子本身含有约19% 20C以上的脂
肪酸。为使在亚麻荠种子中组装蜡酯合成途径,
可先应用RNAi沉默FAD2, 阻断由18:1∆9生成
18:2∆9,12和18:3∆9,12,15的酶促反应, 积累更多的
18:1∆9。再超表达脂肪酸延长酶FAE1, 催化
18:1∆9延长至20C以上的单不饱和脂肪酸。
Cahoon实验室在RNAi沉默内源CsFAD2的同
时, 超表达源于Lunaria alba的LaFAE1, 转基因亚
麻荠株系种子中蜡酯积累量达30%。以这种转基
因株系为受体, 导入共表达WS和羟化酶基因的载
体, 不仅蜡酯合成进一步增多, 而且新合成积累了
大量羟化蜡酯。这种富含羟化蜡酯的种子油, 具
有更优的生物润滑油性能(Lu等2011)。最近, Iven
等(2015)将来自小鼠(Mus musculus)的MmWS, 或
来自希蒙得木(Simmondsia chinensis)的ScWS, 与
MmFAR1或一种能降解石油细菌(Marinobacter
aquaeolei)的MaFAR在亚麻荠种子中共表达, 以构
建蜡酯生物合成途径。研究发现, 不同组合所产
生的蜡酯含量不同。其中共表达MaFAR和ScWS,
导致亚麻荠种子积累21%的蜡酯。这些研究为进
一步利用亚麻荠为平台可持续生产高值液体蜡酯
以及环境友好的生物润滑油奠定了基础。
5 前景与展望
长期以来, 拟南芥被用作模式植物, 在基因
组、分子遗传、基因工程、表观遗传、代谢调控
等研究领域引领着植物生物学研究方向, 许多基
础研究成果广泛应用于农、林、果、蔬等粮食和
经济作物的相关研究。然而, 拟南芥毕竟是“野生
的草”, 不是栽培化的农业植物, 以拟南芥研究获得
的知识难以全面解析众多已商业化农作物的复杂
性, 研究获得的拟南芥优良表型和种质也无法直
接转化为生产力。与拟南芥同科已栽培化的亚麻
荠, 由于生育期短和已建立了简易高效的遗传转
化技术, 以及全基因组序列的公布和近年来相关
研究的蓬勃开展, 作为农业植物特别是油料作物
的一个新模式植物已显端倪。与之相关的功能基
因组学、代谢组学等组学研究, 以及分子设计育
种和生物技术研究是未来主攻方向, 将为油料作
物研究提供可应用的范例。
此外, 随着全球对绿色生物能源研发的高度
关注和强力推进, 栽培历史悠久的亚麻荠被重新
发掘作为一种潜力巨大的燃油型非粮能源植物和
优质工业原料作物, 在世界各国开始了新一轮商
业化种植及研发热潮。以亚麻荠为“平台作物”和
种子为“生物反应器”, 应用基因修饰技术组装目标
天然化合物生物合成途径的种子代谢工程, 亦是
未来一个重大研究领域。这将极大推动基于亚麻
荠的食品、营养保健品、化妆品、饲料添加剂、
高值化工品以及能源产品研发及其商业化生产。
例如, Ruiz-Lopez等(2014)和Nguyen等(2015)论及
的代谢工程组装富集ω-3长链脂肪酸和ω-7脂肪酸
的亚麻荠研制成功, 目标产物含量达到可商业化
利用的水平, 为下游工业开发奠定了种质基础。
再如, 磷脂酶能分解卵磷脂, 在TAG合成中起重要
作用, 种子特异表达磷脂酶 AIIIδ (pPLAIIIδ)既能
促进卵磷脂分解, 又可引起纤维素降解, 进而促使
更多的碳源用于油脂合成, 最终油脂积累显著增
多(Li等2014), 这为进一步代谢工程提高种子油含
量提供了借鉴。Malik等(2014)应用质体遗传转化
技术, 在亚麻荠质体内特异表达催化合成羟基丁
酸酶, 获得了PHB合成积累高达13.7% (迄今在种
子中转基因合成积累PHB多聚物的最高水平)的转
基因亚麻荠株系。这种其他农艺性状未受明显负
影响的转基因亚麻荠经优化修饰后可应用于种子
商业化生产PHB。
需要指出的是, 基因组分析表明, 亚麻荠为未
完全分化的异源六倍体基因组结构。绝大多数编
码蛋白的基因都有至少三个高度同源序列, 这对
亚麻荠基因修饰和代谢改造带来不便 , 也使得
EMS诱变产生的单基因突变体不易通过表型分析
获得。欣喜的是RNAi技术的应用可沉默某些基因
多个拷贝以及基因家族多个成员, 有助于基因功
能鉴定和遗传改良研究。例如, 前文介绍的RNAi
同时沉默CsFAD2三个同源拷贝, 培育获得高值油
酸富集的亚麻荠转基因株系。近年来建立的基因
植物生理学报1214
组高效精准编辑技术如CRISP/Case9等, 已成功用
于拟南芥、水稻等植物靶基因突变体的创建(Bel-
haj等2013; Feng等2013; Shan等2014)。我们实验
室利用该技术构建亚麻荠参与种子油脂代谢的相
关基因突变体库, 获得一些单个基因拷贝发生突
变的突变体, 显示了CRISP/Case9这一新技术在克
服亚麻荠三倍化同源基因干扰、解析基因功能和
有效培育优异突变体等方面的应用价值。与油
菜、大豆等其他农作物相比, 亚麻荠种质资源创
育及优异基因发掘、高密遗传图谱构建及常规育
种改进等仍是未来研究的重点。新一代基因测
序、基因型鉴定、分子标记技术及全基因组关联
分析等将迅速应用于亚麻荠(Desta和Ortiz 2014),
推动亚麻荠基于基因组选择的遗传改良实施。可
以预见, 尽管我国亚麻荠研发还处于起步阶段, 随
着持续培育、引进亚麻荠优良品种和建立环境友
好的亚麻荠规模化种植技术体系及诸多高值工业
产品研发, 一个低耗高效的亚麻荠产业链将很快
形成、并惠及经济可持续绿色发展。
参考文献
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