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分子植物育种
(
网络版
), 2012
年
,
第
10
卷
,
第
1038
-
1048
页
Fenzi Zhiwu Yuzhong (Online), 2012, Vol.10, 1038
-
1048
http://mpb.5th.sophiapublisher.com
1041
4
棉籽油份合成及其含量、脂肪酸成分改良
4.1
植物油脂生物合成途径
植物脂类合成代谢分三个阶段，即在质体中脂
肪酸及脂肪酰
-CoA
的生物合成、在细胞质中生成
3-
磷酸甘油以及这两种产物在内质网中的脱水缩合
(Nikolau et al., 2003;
张垚等
, 2007)
。
植物质体中，乙酰辅酶
A
羧化酶
(acetyl-CoA
carboxylase, ACCase)
催化脂肪酸合成前体乙酰辅酶
A(acetyl-CoA)
形 成 丙 二 酸 单 酰 辅 酶
A(malonyl
CoA)
，丙二酸单酰
CoA
在脂肪酸合成酶复合体
(fatty
acid synthase complex, FAS)
的作用下每次循环增加
2
个碳，聚合合成酰基碳链，并与酰基载体蛋白
(acyl-carried proteins ACP)
结合，保护其在延伸过程
中不被其他酶 降解；然 后酰基
-ACP
硫 酯酶
(acy1-ACP thioesterase)
终止其聚合反应，形成酰基
ACP
；最后酰基辅酶
A
合成酶
(acyl-CoA synthetase)
作用于不同碳链长度的酰基
ACP
，生成酰基辅酶
A
并被贮存于胞质
(
王彦霞等
, 2011)
。与此同时，胞质
中
3-
磷 酸 甘 油 脱 氢 酶
(glycerol-3-phosphate
dehydrogenase, GPDH)
催化糖酵解的中间产物磷酸
二羟丙酮
(dihydroxyacetone phosphate, DHAP)
形成
3-
磷酸甘油
(Buchanan et al., 2000)
。然后，在内质网
上 酰 基 辅 酶
A
通 过
3-
磷 酸 甘 油 酰 基 转 移 酶
(glycerol-3-phosphate acyltransferase, GPAT)
、溶血磷
脂酸酰基转移酶
(lyso-phosphatidic acid acyl transferase,
LPAAT)
与 二 酰 甘 油 转 酰 酶
(diacylglycerol acyl
transferase, DGAT)
的催化，与
3-
磷酸甘油缩合，最
终形成三酰甘油脂和结构磷脂
(Jako et al., 2001)
。
4.2
利用基因工程手段调控棉籽油份含量
植物油脂合成涉及多种酶类协同催化作用。油
脂合成速率与参与油脂代谢相关基因的表达效率
密切相关，提高或调控其中任何基因的表达都可能
影响油脂合成速率，这一特点也成为提高棉籽油含
量与改良脂肪酸成分的代谢基础。利用基因工程手
段，采用的主要技术路线是过量表达或干涉抑制脂
肪酸或油脂合成关键酶编码基因或转录因子，以激
发或抑制相应酶活性，调节植物中的碳流走向油脂
合成途径，从而提高含油量。目前，基于其他油料
作物所取得的成果，棉花主要包括以下途径：
(1)
调节脂肪酸合成途径关键酶类的活性，如乙
酰
-CoA
羧化酶
(acetyl-CoA carboxylase, ACCase)
等，影响油脂合成速率
(
张煜星等
, 2009;
刘正杰等
,
2011)
。异质型
ACCase
催化乙酰
CoA
形成丙二酰辅
酶
A
是棉花中脂肪酸合成途径中的第一个关键步
骤，也是限速步骤。将
CAC3
基因转运肽序列与棉
花异质型
ACCase
亚基
accD
基因进行体外重组，构建
融合植物组成型表达载体
pBICACtp-accD
，并转化
拟南芥与烟草
(
张煜星等
, 2009)
；克隆陆地棉异质型
ACCase
四个亚基编码基因，并构建种子特异表达的
过量表达载体，转化拟南芥获得抗性植株，经
PCR
检
测均获得转基因阳性植株
(
刘正杰等
, 2011)
，为利用异
质型
ACCase
编码基因提高油份含量奠定了基础。
(2)
过量表达或干涉抑制
TAG
的组装过程即
Kennedy
途径中关键酶类编码基因，提高油份含量。
研究表明，二酰基甘油酰基转移酶编码基因在油份代
谢基因工程中具有重要作用
(Bouvier
等
, 2000; Taylor
等
, 2009; Zheng
等
, 2008)
。二酰基甘油酰基转移酶
(DGAT)
是生物体内
TAG
合成过程中的限速酶，其作
用是催化二酰甘油加上脂肪酸酰基形成三酰甘油。
利用酵母中甘油醛
-3-
磷酸脱氢酶
(sn-glycerol-
3-phosphate dehydrogenase, G3PDH)
编码基因，以油
菜为受体，并由种子特异性启动子驱动该酶编码基
因过量表达，转基因植株种子油份含量比对照提高
了
40% (Vigeolas
等
, 2007)
。甘油
-3-
磷酸酰基转移酶
(GPAT)
是三酰甘油酯合成途径中的第一个酰基酯
化酶，将向日葵或大肠杆菌
GPAT
基因转化至拟南
芥，转基因纯系材料的种子油份含量平均提高
15%
(Jain
等
, 2000)
。溶血磷脂酸酰基转移酶
(LPAAT)
参
与催化脂肪酸与甘油结合形成三酰甘油酯，
Zou
等
(1997)
将酵母
sn-2
乙酰转移酶基因
(
SLC1-1
)
转化至
油菜，转基因后代种子中油份含量提高
8%~48%
；
Sylvie
等
(2010)
将油菜
LPAAT
编码基因导入拟南芥，
有效提高了种子油份含量与生物量。
(3)
干 涉 降 低磷 酸 烯 醇 式 丙酮 酸 羧 化 酶
(phosphoenolpyruvate carboxylase, PEPCase)
表达
量，减少蛋白质合成，提高油份含量。在三羧酸循
环中，
PEPCase
是将丙酮酸进入蛋白质合成循环的
关键酶。彭苗苗等
(2010)
从棉花中克隆得到
PEPC
基
因，并将该基因的正反向片段与种子特异表达启动
子连接，插入植物表达载体，成功构建种子特异性
ihpRNA
表达载体。本实验室
2008
年启动了相关研
究，目前已经获得了
1
个干涉载体转
2
个受体基因型
的棉花阳性植株
34
株
(
未发表
)
。
(4)
转录因子调控。部分转录因子调控种子中油
分和蛋白质的代谢，影响种子发育。
GmDof4
是大
豆中
Dof
基因家族成员之一，提高乙酰辅酶
A
羧化酶
活性并能引起储藏蛋白基因表达下调。将大豆