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植物脂肪酸的生物合成及其生理功能的研究进展


湖南林业科技  2009 年第 36 卷第 6 期

专题探讨

植物脂肪酸的生物合成及其生理功能的研究进展
李昌珠
1, 2

, 李正茂

1

( 1. 湖南省林业科学院 , 湖南 长沙  410004;  2. 湖南省生物柴油工程技术研究中心 , 湖南

长沙  410004)

   植物脂肪酸是带有高度还原烃链的羧酸 。作为细胞 基本成分之一的脂肪酸 , 在生物体中普遍存在 , 与人类 生活息息相关 , 多年来一直受到研究者的高度重视 。近 年来 , 随着对脂肪酸生物功能的深入了解和工业应用的 增加 , 一些脂肪酸 , 特别是一些多聚不饱和脂肪酸已成 [1] 为高值物质 。脂肪酸生物合成是机体基本代谢 活动之 一 , 合成途径及其调节研究不仅具有重要的理论意义 , 还有广泛的应用前景 。如利用基因工程技术生产有用脂 肪酸 、改善油和脂肪的品质 、增加机体的抗逆性及设计 除草剂等 。从而使脂肪酸生物合成的遗传和分子生物学 研究成为热点 , 每年有大量相关报道问世 。我们就近年 来植物脂肪酸的生物合成与脂肪酸生理功能的研究进展 作简要综述 。

1  脂肪酸种类及其重要性
111   脂肪酸的种类

至今从生物体中分离的脂肪酸已有百种以上 。在组 织和细胞中 , 它们绝大部分为结合形式 , 极少数以游离 形式存在 。所有的脂肪酸都有 1 个长的烃链和 1 个羧基 末端 。烃链以线性的为主 , 分枝或环状的为数甚少 。不 同脂肪酸之间的区别主要在于烃链的长短 、饱和与否及 双键的数目和位置等 。根据烃链的饱和程度 , 可将脂肪 酸分为 : ①饱和脂肪酸 ( SFA ) , 其烃链是饱和的 , 没有 双键 ; ②单不饱和脂肪酸 (MUFA ) , 含有 1 个双键 ; ③ 多聚不饱和脂肪酸 ( PUFA ) , 含有 2 个以上双键 。其中
收稿日期 : 2009 — 09 — 22 修订日期 : 2009 — 10 — 29 基金项目 : 国家高新技术研究发展计划 《能源植物及液体燃料 利用新技术研究示范 》 ( 2001AA514090 ) 、植物油脂绿色转化 关键技术与产品 2007AA100703 项目资助 。 作者简介 : 李昌珠 ( 1963 — ) , 男 , 博士 , 研究方向为生物柴油 和能源植物 。

摘   : 植物脂肪酸既具重要生理功能 , 又有巨大食用和工业价值 。其生物合成途径较为复杂 , 涉及乙酰 — CoA 羧 要 化酶 、脂肪酸合成酶 、脂肪酸去饱和酶和脂肪酸延长酶等一系列酶 。近年来 , 国内外对脂肪酸生物合成途径进行 了大量研究 , 克隆出许多相关基因 , 初步阐明了脂肪酸合成规律 , 并在此基础上开展了利用基因工程技术调控脂 肪酸合成研究 , 取得可喜进展 。本文详细介绍了植物饱和脂肪酸 、不饱和脂肪酸和超长链脂肪酸的生物合成与基 因工程研究的新结果 。 关键词 : 植物代谢 ; 脂肪酸 ; 基因工程 ; 生物合成 中图分类号 : Q 94614     文献标识码 : B     文章编号 : 1003 — 5710 (2009) 06 — 0045 — 05
[2]

MUFA 和 PUFA 又统称为不饱和脂肪酸 ( UFA ) 。根据烃

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链的长短 , 可将脂肪酸分为 : ①短链脂肪酸 , 指链长为 4 ~7 个碳的脂肪酸 ; ②中长链脂肪酸 , 指链长为 8 ~18 个碳的脂肪酸 ; ③ 超长链脂肪酸 , 指链长为 20 个或 20 个以上碳的脂肪酸 。 112   植物脂肪酸的生理功能 脂肪酸是生物体基本组成之一 , 具重要生理功能 。 它们既是细胞膜脂的主要成分 , 又是重要的能源物质 , 还是一些信号分子的前体 。可与其它物质一起 , 分布于 机体表面 , 防止机械损伤和热量散发等 。此外它还与细 胞识别 、特异性和组织免疫等有密切关系 。 11211   脂肪酸与植物抗寒性   甘油脂中的不饱和脂肪酸 是生物膜功能所必需的 。在生理温度下 , 仅含饱和脂肪 酸的极性甘油脂不能在生物膜中形成双分子层排列 。在 饱和脂肪酸的适当位置引入一定数目的双键 , 可增加膜 的流动性 , 这对激活一些结合在膜上的酶是非常重要的 , 反映了不同温度下生物膜流动性的维持能力 。当催化不 饱和脂肪酸合成的酶发生突变时 , 植物体内不饱和脂肪 酸减少 , 抗寒性减弱 。如拟南芥叶绿体 sn— 2 — 棕榈酰去 饱和酶和 △12—去饱和酶基因的突变体 fad5 和 fad6, 在低 温下叶片黄化 、生长变缓 、叶绿体形成也发生改变 。同 样 , 其微粒体 △12— 去饱和酶基因突变体 fad2 的耐低温 能力也减弱 。 11212   脂肪酸与植物抗病性   脂肪酸去饱和作用是植物 防御反应中的一个重要组成部分 。如真菌感染和二十五 肽激发子 Pep25 可诱导微粒体 △12—脂肪酸去饱和酶和质 体 ω3—去饱和酶基因快速和短暂表达 , 催化 α—亚麻酸形 成 。这些 α—亚麻酸作为细胞信号分子茉莉酮酸的一个重
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要前体 , 引起茉莉酮酸累积 。又如超长链脂肪酸主要 存在于某些种子油中或位于植物表面 , 是蜡 、角质 、木 栓质的组成部分并参与其它组分如碳水化合物 、乙醇 、 乙醛的合成 。其中植物体表面的蜡是植物防御体系的重

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李昌珠 , 等 : 植物脂肪酸的生物合成及其生理功能的研究进展
同工酶 : 大麦有 3 个 , 分别为 ACP— Ⅰ、ACP— Ⅱ ACP— 和 Ⅲ, 由 Acl1、Acl2 和 Acl3 基因编码 。Acl3 为组成型表 达 , Acl1 在叶片中特异表达 , Acl2 编码的 ACP— Ⅱ位于 质体 。拟南芥也至少有 3 个 ACP, 除编码 ACP— Ⅰ ACP 和 —Ⅱ 的基因外 , 人们还克隆出 1 个与牛心肌线粒体 ACP 高度同源的 ACP。菠菜 ACP— Ⅰ ACP— Ⅱ 和 的编码基因已 克隆 , 多肽的三维结构也已详细研究 。此外 , 还有研究 表明 , 植物 ACP 受光调节 , 在种子发育时表达 。 β 21212   - 酮脂酰 - ACP 合酶 ( KAS)  目前共发现 3 种 KAS, 分别为 KASⅠ、 KASⅡ KASⅢ。 KASⅠ 和 对硫乳 霉素不太敏感 , 但对浅蓝菌素敏感 , 催化 4 碳至 14 碳脂 酰 — ACP 的缩合 ; KASⅡ 对浅蓝菌素不太敏感 , 但对硫乳 霉素敏感 , 催化 14 碳和 16 碳脂酰 —ACP的缩合 , 决定 16 碳脂肪酸 /18 碳脂肪酸的比率 ; KASⅢ 对硫乳霉素敏感 , 对浅蓝菌素不敏感 , 催化丙二酰 — ACP 与乙酰 — ACP 的缩 合和 (或 ) 随后的 1 ~2 轮循环 。缩合反应启始的底物乙 酰 — ACP 的合成可由单独的乙酰 — CoA: ACP 转酰基酶 (ACAT) 催化 , 也可由 KASⅢ 催化 。另一个底物丙二酰 - ACP 由丙二酰 - CoA: ACP 转酰基酶 (MCAT) 催化产 生 。 KASⅠ 已从油菜种子和大麦中纯化 , 其编码基因也 已从大麦中克隆 。 KASⅡ 已从油菜种子中纯化 , 一些 c DNA 已被克隆 。 KASⅢ 已从菠菜中纯化 , 编码基因也从 菠菜和红藻中克隆 。此外 , 植物体内单独的 ACAT 已被 发现 。一些植物的 MCAT 也已纯化 。将大肠杆菌 MCAT 的编码基因 FabD 转入烟草和油菜 , 发现该基因可在转基 因植物中表达 , 但不引起脂类成分和含量改变 , 表明 MCAT催化的反应不是植物脂肪酸合成的限速步骤 。 β 21213   - 酮脂酰 - ACP 还原酶  植物 β— 酮脂酰 — ACP 还原酶有 2 个等位形式 , 已从菠菜 、鳄梨和油菜中纯化 。 其中从鳄梨 、油菜中分离的还原酶是 NADPH 特异的 , 它的 N—端具有细胞色素 f结构域 , 内部有 1 个类似 NodG 基因的产物 。其编码基因已从油菜 、拟南芥中克隆 , 基 因的 N - 端编码区编码 1 个可将多肽定位于质体基质的 转运肽 。另一种等位形式有待进一步研究 。 β 21214   - 羟脂酰 - ACP脱水酶   植物 β - 羟脂酰 - ACP 脱水酶于 1982 年从菠菜中纯化 , 但未见进一步研究 。 21215   烯脂酰 - ACP还原酶   植物烯脂酰 — ACP 还原酶 有 2 种等位形式 , 一种为 NADH 特异的烯脂酰 — ACP 还 原酶 , 已 从 油 菜 中 纯 化 , 具 α4 结 构 , 每 个 亚 基 为 35 Kd, 编码基因也已克隆 , 另一种为 NADPH 特异的烯 脂酰 — ACP还原酶 。 21216   脂酰 - ACP 硫酯酶   脂酰 — ACP 硫酯酶催化 FAS 循环的终止 , 已从多种植物中纯化 , 编码基因也已从红 花 、油菜和拟南芥菜等多种植物中克隆 。脂酰 —ACP 硫酯 酶具有底物特异性 , 不同的脂酰 —ACP 需要不同的酶 , 如 红花中克隆的硫酯酶对油酰 —ACP特异 , 而拟南芥中克隆 的硫酯酶对 14 ~18 碳饱和底物具特异性 。 213   饱和脂肪酸生物合成的基因调控
http://www.cnki.net 21211   酰基载体蛋白 (ACP)   植物体内存在多个 ACP

要组成部分 , 在防止病原物侵染 、草食性昆虫侵食及抵 御环境胁迫如干旱 、紫外线破坏和霜冻中发挥重要作用 。 113   植物脂肪酸的食用及工业价值 人体内可合成某些饱和与单不饱和脂肪酸 , 但不能 合成维持机体正常生长所需的一些脂肪酸 (称为必需脂 肪酸 ) , 如亚油酸和亚麻酸等 。它们只能从食物中获得 。 此外 , 随着生活水平的提高 , 人们对食品的营养要求越 来越高 。由于长期摄入大量饱和脂肪酸会导致高血压 、 冠心病 , 而植物油的饱和脂肪酸含量较动物脂肪少 40% ~50% , 使人们对脂肪的摄入由动物脂肪逐渐转向植物 油 。进而对饱和脂肪酸含量低 、不饱和脂肪酸含量高的 植物油的需求逐渐提高 。植物油脂肪酸的合成目前已有 [3 - 4] 不少研究 。除食用外 , 脂肪酸还是生产生物柴油 、 油漆 、润滑剂 、尼龙等化工产品的重要原料 。生物柴油 是全球生物燃料油的主导产品 , 原料缺口巨大 。

2  饱和脂肪酸的生物合成与基因工程

脂肪酸合成的前体为乙酰 — CoA , 它首先在乙酰 — CoA 羧化酶的作用下合成丙二酰 — CoA。然后脂肪酸合成酶以 丙二酰 — CoA 为底物进行连续的聚合反应 , 以每次循环增 加两个碳的频率合成酰基碳链 , 进一步合成 16 至 18 碳 的饱和脂肪酸 。高等植物中饱和脂肪酸的合成在叶绿体 基质中进行 。 211   乙酰 - CoA 羧化酶 ( ACC ) ACC 是脂肪酸生物合成的关键酶之一 , 自然界中有 两种存在形式 : 一种为多功能酶 , 另一种为多酶复合体 。 前者在一条多肽链中含有三个功能结构域 , 催化多个反 应进行 , 被称为真核形式的 ACC; 后者可解离成多个功 能蛋白 , 如生物素羧化酶 ( BC ) 、生物素羧基载体蛋白 (BCCP ) 、羧基转移酶 ( CT) 及另一个功能未知的酶 , 被称为原核形式的 ACC。单子叶植物中的禾本科植物 , [5] 如玉米 、小麦和水稻叶绿体 ACC 为真核形式 , 它们对 除草剂如 aryloxy phenoxy p rop ionates和 cyclo hexane diones 非常敏感 。植物中还发现另一个不位于叶片叶绿体 、对 除草剂不敏感 、真核形式的 ACC, 其功能有待进一步研 究 。禾本科植物以外的单子叶植物 ACC 的情况还不清 [6] 楚 。但双子叶植物如豌豆 、烟草等叶绿体 ACC 为原核 形式 。双子叶植物细胞质 ACC 则可能是真核形式 。目前 [5] 已从硅藻 、拟南芥 、苜蓿 、小麦 、玉米 和油菜等多种 生物中克隆了 ACC 基因 。植物 ACC 受光和脂酰 — CoA 调 节 。光可能通过改变基质 pH、ATP、ADP 和镁离子等参 数来调节酶活性 , 增加叶片脂类形成 , 从而影响脂肪酸 合成 。脂酰 — CoA 对 ACC 起抑制作用 , 很可能是通过抑 制基因表达来实现 。 212   脂肪酸合成酶 ( FAS) 植物 FAS为原核形式的多酶复合体 ( type Ⅱ FAS) , β β 由酰基载体蛋白 、 —酮脂酰 — ACP合酶 、 —酮脂酰 — ACP β 还原酶 、 —羟脂酰 — ACP 脱水酶 、烯脂酰 — ACP 还原酶 、 脂酰 — ACP硫酯酶等部分构成 。

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利用基因工程技术调控 ACC 基因表达已在生产 PHB 的研究中得以应用 。在一些微生物中作为碳源和能量贮 存物质的 PHB 是一种羟基丁酸聚合物 , 可作为生产生物 可降解塑料的原料 。微生物中 PHB 主要由乙酰 - CoA 在 β - 酮硫裂解酶 、乙酰 — CoA 还原酶和 PHB 合酶的催化下 合成 。将乙酰 — CoA 还原酶和 PHB 合酶基因转入拟南芥 和油菜 , 转基因植物的叶片中累积少量的 PHB。遗憾的 是多数转基因植物的生长严重受阻 , 这可能是与其它途 径争夺乙酰 — CoA 所致 , 为此需要用种子特异启动子
[7]



定位于质体的导肽序列将 PHB 产物定位于富含乙酰 — CoA 的种子质体中 。由于植物种子中三酰甘油酯的水平高 , 意味着内源乙酰 — CoA 羧化酶有较高的活性 , 它可能争夺 乙酰 — CoA , 进而抑制 PHB 的形成 , 因此需要利用反义乙 酰 — CoA 羧化酶基因来控制细胞内乙酰 — CoA 羧化酶的活 性 。植物体存在 2 种 ACC, 其中一种的分子量为 220 ~ 240 kDa, 与动物和真菌的多功能酶类似 , 它们只是 ACC 的微量形式 , 其活性占叶片总 ACC 活性的 20% , 且主要 位于表皮组织
[6]

。另外一种主要形式的 ACC 位于质体 ,

类似于原核生物的多酶复合体 。因此 , 若要改变种子中
ACC 活性 , 不仅要利用反义 DNA 调控真核形式的 ACC

多功能酶 , 更重要的是调控原核形式的 ACC 多酶复合 体。 脂肪酸中有些可作为重要的化工原料 。通过基因工 程技术生产某些特定脂肪酸 , 可为工业生产提供廉价原 料 。大多数植物合成的脂肪酸终产物为 16 ~18 碳酸 , 而 有的植物却能在其种子中富集中链 ( 8 ∶ ~14 ∶ ) 脂肪 0 0 酸 , 如椰子和棕榈油中富含月桂酸 。据统计 , 每年都有 几百万吨的该类脂肪酸从这些植物中提取出来用于洗涤 剂的加工生产 。如能在一般的油料作物中生产大量的中 链脂肪酸 , 其经济价值将十分巨大
[8]

。因此 , 人们克隆

了月桂树和椰子 12 ∶ ACP 硫酯酶基因 , 并将它们转入 0— 油菜 , 发现转基因油菜内可产生大量月桂酸 。此外 , 将 萼距花的两个硫酯酶基因 ( ChFatB 1 和 ChFatB 2 ) 分别转 入油菜 , 发现转 ChFatB 1 基因的油菜内富集 16 碳酸 , 转 ChFatB 2 基因的油菜内富集 8 ∶和 10 ∶脂肪酸 。 0 0

3  不饱和脂肪酸的生物合成与基因工


   植物体内饱和脂肪酸可在去饱和酶
[ 9 - 10 ]

的作用下形

成不饱和脂肪酸 , 包括棕榈油酸和油酸等单不饱和脂肪 酸及亚油酸和亚麻酸等长链多聚不饱和脂肪酸 。棕榈油 酸和油酸分别由软脂酸和硬脂酸在 △9— 脂肪酸去饱和酶 的催化下在碳链的第 9 和第 10 位碳之间引入双键而形 成 。△9 - 脂肪酸去饱和酶是脱饱和途径的关键酶 。单不 饱和脂肪酸可进一步形成多聚不饱和脂肪酸 , 如油酸在 ω6 - 、 3—和 (或 ) △6— 脂肪酸脱饱和酶的催化下可分 ω 别形成亚油酸 、α — 亚麻酸和 (或 ) γ — 亚麻酸 。多数高 等植物只合成 α — 亚麻酸 , 只有少数植物产生 γ — 亚麻

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酸 。虽然高等植物合成多种不饱和脂肪酸 , 但膜脂中大 多数不饱和脂肪酸的双键位于十八碳脂酰链的 △9、 △12 和 △15 位及对应的十六碳脂酰链的 △7、 △10 和 △13 位 。 植物脂肪酸脱饱和作用在叶绿体或内质网上进行 。根据 底物特异性 , 植物脂肪酸去饱和酶可分为脂酰 — ACP 去饱 和酶 ( acyl— ACP desaturase ) 和脂酰 - 脂去饱和酶 ( acyl - lip id desaturase ) 两类 。脂酰 — ACP 去饱和酶存在于植 物细胞质体的基质中 , 以脂酰 — ACP 为底物 , 催化与 ACP 结合的饱和脂肪酸形成单不饱和脂肪酸 。酰基 - 脂去饱 和酶存在于植物细胞的内质网和叶绿体膜上 , 以甘油酯 中酯化的脂肪酸为底物 。每个去饱和酶都在特定部位引 入双键 , 如 △9、△12 或 △6 位 。一些脂酰 - 脂去饱和酶 可识别特异的极性头基团和甘油主链的 sn—位置 , 而大多 数的脂酰 —脂去饱和酶对极性头基团和 sn— 位置是不敏感 的 。脂酰 — ACP 去饱和酶 、质体中的脂酰 — 脂去饱和酶由 铁氧还蛋白提供电子 , 而细胞质脂酰 —脂去饱和酶以由细 胞色素 b5 和 NADH ∶ 细胞色素 b5 氧化还原酶组成的系统 为电子供体 。 311   植物脂酰 - 脂去饱和酶 大多数脂酰 - 脂去饱和酶由 300 ~350 个氨基酸残基 组成 , 是一个可跨膜 4 次的疏水蛋白 , 含 3 个位置保守 3+ 的组氨酸簇并与 Fe 组成活性中心 。 △9 — 脂酰 — 脂去饱 和酶基因已从玫瑰花瓣 、拟南芥 、红藻中分离出来 。其 中红藻 △9— 脂肪酸去饱和酶基因 ( CmFAD9 ) 与动物和 真菌的脂酰 — CoA 去饱和酶有同源性 。与其它植物 △9—脂 肪酸去饱和酶不同 , CmFAD9 编码的蛋白的 C - 端含有 细胞色素 b5 结构域 。它很可能在内质网而不在质体中起 作用 。 △6—脂酰 —脂去饱和酶基因已从琉璃苣 、向日葵和 藓类植物中克隆 , 推导的氨基酸序列的 N—端含细胞色素 b5 结构域 。其中藓类植物 △6 — 脂肪酸去饱和酶的 N — 端 约 100 个氨基酸与已知序列没有同源性 , 接着有一个细 胞色素 b5 结构域 , C - 端与其它脂酰 —脂去饱和酶相似性 很低 。敲除基因组中的相应基因 , 细胞不能合成 γ— 亚麻 酸和花生四烯酸 。这是首次报道敲除多细胞的植物基因 。 这一基因可在酵母中表达 , 产生 △6 位含双键的不饱和 脂肪酸 。最近又从紫苏种子克隆出催化亚油酸形成 α— 亚 麻酸的 ω3—脂肪酸去饱和酶基因 。 312   植物脂酰 - ACP 去饱和酶 植物硬脂酰 — ACP 去饱和酶位于叶绿体 (或质体 ) 基质 , 是水溶性酶 , 催化形成的油酸运到类囊体或细胞 质膜上进一步以结合脂的形式去饱和 。现已从包括大豆 和鳄梨在内的多种植物中纯化 。 c— DNA 也从蓖麻子 、黄 瓜 、红花 、大豆 、菠菜和翼叶山牵牛 ( Thunberg iaa la ta ) 中克隆 。翼叶山牵牛种子胚乳含 △6 — 脂酰 — ACP 去饱和 酶 , 其氨基酸序列与从菠菜 、拟南芥和稻中的 △9—脂酰 — ACP去饱和酶 ( 18 ∶ ) 及芫荽 ( Coriand rum sa tivum ) 的 0 △4—脂酰去饱和酶 ( 16 ∶) 有同源性 , 意味着脂肪酸的 0 第一个双键可能在 △4、 △6 和 △9 位产生 。每个脂酰 ACP 去饱和酶结合 2 个铁原子 , 它们和氧原子形成反应
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40% , 叶片中增加 10% 。这些研究为进一步调控不饱和 脂肪酸合成提供基础 。

复合物 , 将 C— C 单键转化成 C = C。晶体学分析蓖麻种 子硬脂酰 —ACP去饱和酶发现它形成一个二铁原子的活性 中心 。其晶体结构上有一个很深的沟 , 从酶的表面延伸 到内部 , 很可能是结合脂酰链的部位 。改变 △6—软脂酰 — ACP去饱和酶或 △9— 硬脂酰 — ACP 去饱和酶上的几个氨 基酸残基 , 就可使它们的功能发生相互转变 , 因此研究 者认为去饱和酶识别的链的长度由位于腔底部的氨基酸 特性决定 。 植物脂肪酸去饱和酶基因的表达受 ABA 等植物激 素 、温度 、光照 、盐浓度和伤害刺激等多种因子调节 , 表达具有组织特异性 。如玉米的 2 个质体 ω3 — 脂肪酸去 饱和酶基因 ( ZmFAD7 和 ZmFAD8 ) 的表达受温度和盐 [ 11 ] 浓度的调节 ; 油菜硬脂酰 - ACP 去饱和酶基因表达受 ABA 激活 ; 拟南芥叶绿体 ω3—去饱和酶基因 fad7 的表达 受光和伤害刺激诱导 ; 荷兰芹质体 ω3 — 去饱和酶基因则 受真菌感染和肽激发子 Pep25 诱导 。 313   不饱和脂肪酸生物合成的基因调控 不饱和脂肪酸在增加膜的流动性中发挥重要作用 。 通过改变脂肪酸去饱和酶的活性 , 调节膜脂的不饱和程 度 , 可增加生物体抗盐和耐寒能力 。如将蓝细菌 △9— 去 饱和酶基因在 CaMV35S启动子的作用下转入烟草 , 利用 豌豆 RuB isCO 小亚基信号肽将酶定位于质体 , 结果发现 转基因烟草中大多数膜脂饱和脂肪酸显著减少 , 耐低温 能力明显增加 。此外 , 随着人们对高品质植物油的迫切 需求 , 利用基因工程手段降低饱和脂肪酸含量的研究受 [ 8, 12 ] 到越来越多的关注 。概括起来有三种方式 : 第一种 方式是提高催化聚合反应的酶基因的表达水平 , 制约软 脂酰硫酯酶的活性 , 从而提高硬脂酰 —ACP含量 。如通过 β—酮脂酰 — ACP 合酶基因 ( KAS Ⅱ) 在油菜种子中超量 表达来抑制软脂酸合成 、降低软脂酸含量 。另一种方式 是通过竞争抑制的方法降低饱和脂肪酸酰基硫酯酶的活 性 , 即将另一种活性更强的酰基硫酯酶基因转化到植物 中 , 以抑制软脂酰或硬脂酰硫酯酶活性 , 从而降低饱和 脂肪酸含量 。第三种方式则是通过提高去饱和酶基因的 表达水平 , 促使饱和脂肪酸向不饱和脂肪酸转变 。如将 酵母和小鼠硬脂酰 - CoA 去饱和酶基因转化烟草 , 转基 因植物的饱和脂肪酸含量明显降低 , 不饱和脂肪酸含量 则大大提高 。在提高不饱和脂肪酸含量的同时 , 人们发 现亚麻酸在贮存过程中极易氧化 , 严重影响油的品质 , 需要降低多聚不饱和脂肪酸的合成 、提高单不饱和脂肪 酸的含量 。用基因工程技术抑制油酸去饱和酶基因 , 现 已培养出油酸含量高达 85% 、多聚不饱和脂肪酸含量极 低的大豆和油菜品种 。另一方面 , 亚麻酸又是哺乳动物 的必需脂肪酸及油漆 、上光剂和包埋剂的重要原料 , 利 用基因工程技术生产亚麻酸显得非常重要 , 目前已有一 些探索性研究工作 。如在水稻中转入烟草 N tFAD 3 基因 , 在 CaMV35S启动子的控制下表达 , 植株亚油酸含量减 少 , 亚麻酸含量增加 。在烟草中转入微粒体 ω3 - 脂肪酸 去饱和酶基因也可增加 α—亚麻酸的含量 , 其中根中增加

4  超长链脂肪酸的生物合成与基因工


   脂肪酸从头合成只形成软脂酸 , 要合成链长为 20 ~ 30 碳或更长的饱和或不饱和超长链脂肪酸 , 必须由膜结 合的脂肪酸延长酶系统继续把碳链延伸 。对超长链脂肪 酸生物合成的研究是近几年随着对其生理功能的了解 , 才逐渐受到重视的 , 研究尚不深入 , 只有一些零星报 [ 13 ] 道 。 411   脂肪酸延长酶 脂肪酸延长酶是膜结合的多酶复合体 。在一个细胞 中含有多个延长酶系统 , 包括 β 酮脂酰合酶 、β 酮脂酰 — — 还原酶 、脱水酶和烯脂酰还原酶等 , 分别催化缩合 、还 原 、脱水和再还原四步 , 功能与 FAS类似 , 只是将乙酰 - CoA 用中链或长链酰基 — CoA 代替 , 反应过程中各种酰 基均以酰基 — CoA 形式参与反应 , 而不是以酰基 — ACP 形 式参与反应 。由于膜结合酶的纯化较为困难 , 延长酶复 [ 14 ] 合物尚未很好地鉴定 , 只从一些植物中部分纯化 。至 今已从希蒙德木 ( KCS) 、拟南芥 ( FAE1 和 KCS1 ) 、油 [ 15 ] 菜 (油菜 FAE1 ) 中克隆出编码合成超长链脂肪酸的缩 合酶基因 , 每一个缩合酶只催化延长反应的 2 ~3 个循 环 。 KCS、 FAE1、油菜 FAE1 基因在种子中特异表达 , 参与种子内超长链脂肪酸的合成 ; KCS 1 编码酮脂酰 CoA 合酶 , 既参与营养组织内超长链脂肪酸合成 , 也在 蜡的形成中发挥作用 ; FAE1 与其它 3 个缩合酶基因 : 苯 基苯乙烯酮合酶 ( CHS) 、 1, 2 - 二苯乙烯合酶 ( STS ) 及大肠杆菌 KASⅢ、菠菜 KAS Ⅲ 基因有同源性 , 编码超 长链脂肪酸特异的缩合酶 。 FAE1 蛋白参与催化由 18 碳 合成 20 碳及由 20 碳合成 22 碳脂肪酸 , 其突变体内超长 链脂肪酸急骤降低 , 不能合成 20 碳和 22 碳脂肪酸 。玉 米中 参 与 超 长 链 脂 肪 酸 合 成 的 酮 脂 酰 还 原 酶 基 因 ( GLOSSY8 ) 也已克隆 。对超长链脂肪酸合成调节的研究 不多 , 只有一些零星报道 , 如油菜中 ABA 通过增加 β 酮 — 脂酰 — CoA 合酶基因的表达来促进超长键单不饱和脂肪酸 的合成 。 412   超长链脂肪酸生物合成的基因调控 植物油中的芥酸不利于身体健康 , 长期食用含芥酸 的植物油极易导致冠心病 、脂肪肝等 , 利用基因工程技 术降低芥酸含量将是培育低芥酸或零芥酸油菜品种的有 [8] 效手段之一 ; 另一方面 , 芥酸又是生产润滑剂和尼龙 的重要原料 , 利用基因工程技术生产芥酸具巨大的经济 价值 。目前已有一些相关的研究 , 如将拟南芥 FAE1 基 因转入烟草和油菜 , 均发现芥酸积累 , 芥酸含量与基因 的拷贝数呈正相关 。同样将希蒙德木 KCS1 基因转入油 菜可导致芥酸含量明显增加 。此外 , 利用遗传工程手段 改变植物种子中脂肪酸成分 , 还可生产其它化工原料 , 如岩芹酸 ( 18 ∶ △6 ) 、蜡等 。 1,
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5  展望
综上所述 , 植物脂肪酸生物合成途径较为复杂 , 合 成过程中有大量相关基因参与 。对相关基因及其表达调 控的研究 , 不仅可揭示脂肪酸的生理功能 , 还使利用基 因工程技术调控脂肪酸合成成为可能 。预计最近一段时 间内 , 脂肪酸生理功能 、相关基因及其表达和利用基因 工程技术生产有用脂肪酸还将是研究的热点 。 至今相关研究已取得重要进展 。目前 , 对脂肪酸脱 饱和酶基因的研究已取得了较大进展 , 对改善油料作物 油脂品质的基因工程研究具有重要的借鉴意义 , 在植物 抗寒 、抗病工程 , 生物能源等领域的广阔前景也不容置 疑 。脂肪酸代谢途径虽然已有研究 , 但与合成过程相关 酶的作用机理还不是很清楚 。要在植物脂肪酸生物合成 上实现更大突破 , 在以下几个方面还需要不断的努力和 改进 。 ( 1 ) 在构建表达载体时 , 应该根据遗传修饰目的将 启动子进行改良 , 转抗性基因时最好选择胁迫诱导型启 动子 , 要求在某一部位特异表达某个基因时宜选用组织 特异型启动子 , 这样才能更好地实现外源基因在工程植 株中正确地 、时空特异性表达 。 ( 2 ) 可以将正义表达的硬脂酸脱饱和酶基因和反义 的油酸脱饱和酶基因同时导入植物中 , 有望得到高油酸 、 低硬脂酸种子的转基因植株 。 ( 3 ) 在进行转基因操作时 , 一定要选择合适的受体 系统 , 对受体的遗传背景和成分要尽可能清楚 , 以便更 好地评价转基因的效果 。 另外 , 众多的研究结果已经证实 : 膜脂中不饱和脂 肪酸在植物抗寒过程中具有重要的作用 , 但起关键作用 [ 16 ] 的还是碳链中含有 3 个不饱和键的 TA 脂肪酸 。这为 科研工作者通过基因工程手段来提高植物本身的抗寒性 奠定了很好的基础 。 参考文献 :
[ 1 ] 丁昕 , 刁文一 , 彭昕琴 , 等 . 植物脂肪酸代谢途径遗传调控

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