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课题组解析了LPAT2和LPAT5差异性调控甘蓝型油菜油脂积累的机理

已有 730 次阅读 2022-8-16 20:34 |系统分类:论文交流

近日,课题组在Biotechnology for Biofuels and Bioproducts(原Biotechnology for Biofuels,中科院分区工程技术1区期刊,IF 7.67)在线发表了题为Lysophosphatidic acid acyltransferase 2 and 5 commonly, but differently, promote seed oil accumulation in Brassica napus的研究论文。该研究揭示了Kennedy通路中的关键酶——溶血磷脂酸酰基转移酶25lysophosphatidic acid acyltransferase, LPAT2 & 5)可共同促进种子油脂合成,但二者对油脂积累的机理具有差异性,本研究为甘蓝型油菜的种子油脂积累的提供了新的思路。

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甘蓝型油菜(Brassica napus)是我国最为重要的油料作物之一,其产油量占国产植物油的一半左右。当前,我国植物油对外具有很大的依存度,故提高植物产油量是育种家关注的重要农艺目标之一。解析甘蓝型油菜的油脂合成与代谢机理,对培育高含油量品种具有重要指导意义。

LPATKennedy通路中的关键酶之一,是通过调控磷脂酸合成而发挥重要的分子功能。磷脂酸也是合成膜脂和储存脂质的关键中间体。本研究首先对甘蓝型油菜BnLPAT2BnLPAT5CRISPR-Cas9T3株系进行了鉴定,并对其基因表达情况进行了分析(图1)。

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图1 BnLPAT2BnLPAT5的T3转基因株系的分子鉴定。(a) CRISPR-Cas9介导的T3代Bnlpat2Bnlpat5基因敲除株系靶基因变化分析。(b) BnLPAT2BnLPAT5在超表达、RNAi和CRISPR-Cas9株系中的表达变化。

含油量分析显示,超表达BnLPAT2BnLPAT5可使含油量显著升高,而RNAi和CRISPR-Cas9分别敲除后的株系含油量则显著降低。以T3株系来说,BnLPAT2BnLPAT5超表达系较野生型分别平均提高了16.9%和13.2%,Bnlpat2Bnlpat5的RNAi系分别平均降低了15.6%和5.4%,Bnlpat2Bnlpat5的敲除系分别平均降低了13.8%和15.4%(图2)。进一步对T2和T3株系细胞学观察发现,BnLPAT2BnLPAT5超表达株系的种子中脂滴和油体较对照相比具有积累明显增加,而Bnlpat2Bnlpat5突变株系种子中则是糖和蛋白含量增加(图2)。

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图2 甘蓝型油菜BnLPAT2BnLPAT5转基因株系中成熟种子含油量分析。(a-b) BnLPAT2BnLPAT5转基因株系T2和T3后代的含油量分析。(c) BnLPAT2BnLPAT5转基因株系成熟种子的子叶显微观察。

BnLPAT2BnLPAT5的超表达、RNAiCRISPR-Cas9转基因T3株系的不同发育阶段中种子进行了转录组分析,发现超表达株系种子发育中、后期的大部分差异表达基因(differentially expressed genes, DEGs)分别富集在光合作用和脂质代谢中,而参与脂肪酸和脂类生物合成的DEGs在超表达系中显著上调,在RNAiCRISPR-Cas9系中呈下调趋势。进一步分析发现BnLPAT2可偏向于促进二酰基甘油合成以促进种子贮存脂质的积累,而BnLPAT5倾向于促进PA合成以产生膜脂(图3)。此外,相较于BnLPAT5超表达株系,脂肪酸/脂类合成代谢和碳水化合物代谢相关的生物学通路在BnLPAT2超表达系中特异性富集。其中,有两个基因在BnLPAT2基因和BnLPAT5基因介导的油脂调控中起主要作用:一是编码类赤霉素刺激(Gibberellic Acid-Stimulated-like, GAST1-like)蛋白的拟南芥赤霉素刺激(Gibberellic Acid Stimulated Arabidopsis, GASA10)基因,它主要在种子发育中期起显著调节作用;另一个是ABI3转录因子,主要在种子发育成熟期起主要调控作用。在种子发育中期,GASA10基因在突变株系中显著上调,刺激GA信号增强,使得DELLA受到抑制,而DELLA会进一步抑制GDSL基因的表达,从而加快了GDSL基因对油脂的水解过程。在种子发育后期,ABI3基因在超表达株系中显著提高,其作为转录因子结合油脂合成相关的目的基因的RY结构域以促进脂肪酸合成;另一方面,ABI3基因在敲除和干扰株系中显著降低,它可以通过抑制种子内源ABA的积累,使得突变株系中ABA的含量上调从而促进种子提前成熟,进一步促进次级代谢产物和抗胁迫相关物质的合成(图3)。本研究揭示了BnLPAT2BnLPAT5能共同并差异性促进甘蓝型油菜籽粒油脂积累。

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3 甘蓝型油菜中BnLPAT2BnLPAT5对油脂积累的调控模型。(a) BnLPAT2BnLPAT5超表达系在种子不同发育阶段中涉及TAG生物合成的基因差异表达。(b) 甘蓝型油菜中BnLPAT2BnLPAT5对油脂积累的拟建调控模型。




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1 杨正瓴

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