BFBB｜华中科技大学栗茂腾教授课题组解析了LPAT2和LPAT5差异性调控甘蓝型油菜油脂积累的机理

近日，华中科技大学栗茂腾教授课题组在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2和5（lysophosphatidic 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。

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。

LPAT是Kennedy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BnLPAT2和BnLPAT5的CRISPR-Cas9的T3株系进行了鉴定，并对其基因表达情况进行了分析（图1）。含油量分析显示，超表达BnLPAT2和BnLPAT5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，BnLPAT2和BnLPAT5超表达系较野生型分别平均提高了16.9%和13.2%，Bnlpat2和Bnlpat5的RNAi系分别平均降低了15.6%和5.4%，Bnlpat2和Bnlpat5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，BnLPAT2和BnLPAT5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Bnlpat2和Bnlpat5突变株系种子中则是糖和蛋白含量增加（图2）。对BnLPAT2和BnLPAT5的超表达、RNAi和CRISPR-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RNAi和CRISPR-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BnLPAT2和BnLPAT5能共同并差异性促进甘蓝型油菜籽粒油脂积累。

本论文的通讯作者为华中科技大学栗茂腾教授，第一作者为张凯博士，来自华中科技大学的尹永泰博士、何坚杰博士、陈康博士，以及大学生创新创业训练计划项目小组成员们也参加了相关研究工作。

原文链接：

https://biotechnologyforbiofuels.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13068-022-02182-2

转自：植物生物技术Pbj

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