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New Phytologist | 海南大學(xué)王將博士揭示代謝工程重塑植物營(yíng)養(yǎng)器官油脂合成新路徑

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植物油脂是可再生生物柴油及高附加值化學(xué)品的重要原料。通過(guò)代謝工程將植物葉片、莖稈等營(yíng)養(yǎng)器官改造為油脂合成與積累的“新工廠”,已成為植物合成生物學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而,常規(guī)代謝工程策略在促進(jìn)油脂積累的同時(shí),往往伴隨不同程度的生長(zhǎng)抑制,這制約了其商業(yè)化應(yīng)用前景。

近日,美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校植物生物學(xué)系Li-Qing Chen教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際期刊New Phytologist上在線發(fā)表了題為PPT1-mediated plastidic phosphoenolpyruvate import enhances fatty acid biosynthesis in sugar-rich tissues的研究論文。該研究揭示,在糖分積累條件下,增強(qiáng)葉片葉綠體中磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)的供給,可加速糖酵解過(guò)程并促進(jìn)脂肪酸的合成與積累。這一策略能夠增加營(yíng)養(yǎng)器官中的油脂積累,且不抑制植株生長(zhǎng)。


該研究首先在野生型背景下過(guò)表達(dá)磷酸烯醇式丙酮酸/磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(PPT1),發(fā)現(xiàn)其對(duì)脂肪酸積累無(wú)顯著影響。進(jìn)一步通過(guò)雜交獲得可溶性糖含量升高約6倍的sweet11;12;13突變體,并在此突變體中過(guò)表達(dá)PPT1,結(jié)果發(fā)現(xiàn)總脂肪酸含量顯著增加,同時(shí)中性脂滴、磷脂酰乙醇胺(PE)和磷脂酰膽堿(PC)等脂質(zhì)也明顯累積。靶向代謝物分析顯示,sweet11;12;13突變體中糖酵解中間代謝物(如PEP、G6P、F6P、FBP、DHAP、G3P、2/3PGA等)顯著累積,而過(guò)表達(dá)PPT1可將這些中間代謝物的水平降至野生型水平,提示糖酵解通路增強(qiáng)。

轉(zhuǎn)錄組分析表明,多條糖代謝和脂質(zhì)代謝相關(guān)通路被顯著富集。值得注意的是,半乳糖代謝通路中編碼磷酸果糖激酶(PFK)的多個(gè)基因家族成員顯著上調(diào),PFK酶活性也得到顯著激活。上述結(jié)果表明:在正常糖分條件下,過(guò)表達(dá)PPT1不影響胞質(zhì)糖酵解過(guò)程,也不影響葉綠體中的脂肪酸合成;相比之下,在糖分積累條件下,過(guò)表達(dá)PPT1可能通過(guò)提高PFK酶活性來(lái)加速胞質(zhì)糖酵解過(guò)程,并通過(guò)促進(jìn)含碳化合物向葉綠體的分配進(jìn)而增強(qiáng)脂肪酸的合成。


過(guò)表達(dá)PPT1在不同糖含量背景下調(diào)控脂肪酸合成的工作模型。

綜上所述,在糖分積累條件下,增強(qiáng)植物營(yíng)養(yǎng)器官中PEP向葉綠體的轉(zhuǎn)運(yùn),可通過(guò)激活糖酵解關(guān)鍵酶PFK來(lái)加速胞質(zhì)糖酵解,進(jìn)而促進(jìn)脂肪酸和脂質(zhì)的積累。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校Li-Qing Chen教授為本文的通訊作者,海南大學(xué)王將副研究員為本文的第一作者。

文章鏈接:

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/nph.71160

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