植物脂肪酸代谢工程研究进展(完整版)实用资料.doc

《植物脂肪酸代谢工程研究进展(完整版)实用资料.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《植物脂肪酸代谢工程研究进展(完整版)实用资料.doc（167页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、植物脂肪酸代谢工程研究进展（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载）1998年12月Sep tem ber1998中国油料作物学报Ch inese j ou rnal of o il crop sciences第20卷第4期V o l.20N o.4植物脂肪酸代谢工程研究进展王幼平曾宇罗鹏(四川联合大学生物系成都610064摘要简述植物脂的生物合成途径以及近年来植物脂肪酸代谢工程研究进展。关键词油料作物脂肪酸代谢酶修饰大豆、油棕、油菜、向日葵、棉籽和花生等食用植物油的主要成分为棕榈酸(C160、硬脂酸(C180、油酸(C181、亚油酸(C182和亚麻酸(C183等。而

2、潜在的非食用植物油资源较多,现已发现上千种脂肪酸类型在植物中都可找到1。如在野生植物中,筛选到含量很高的长链脂肪酸植物有C ram be,L i m nan thes和L una ria,中链脂肪酸植物有Cup hea和L au raceae,羟基脂肪酸植物有L esquerella,环氧脂肪酸植物有V ernon ia,S tokesia,液体蜡酯植物有S i m m ond sia 等2。但是一种潜在的种质资源要成为合乎要求的作物,还有许多工作要做。诸如种质的收集、鉴定、评价和利用等。近年,分子生物学家利用现代遗传操作技术,通过基因工程的方法把一些种质资源中有益的性状通过分子克隆等手段转移

3、到新的宿主中去,重新设计植物脂类代谢方面已进行了大量的尝试,并取得了显著成绩。本文将阐述植物脂的生物合成途径以及近几年来植物脂基因工程研究的状况。1贮藏脂(sto rage li p ids的生物合成尽管植物脂代谢途径相当复杂,但大多数反应步骤已了解很透彻3。植物脂的生物合成主要有两个去向,一是用来构成生物膜的甘油脂和磷脂,另一个是贮藏在种子中,即贮藏脂,常以甘油三脂(TA G的形式存在。研究表明:贮藏脂的生物合成和膜脂的形成是受不同遗传机制控制的,即使它们的早期阶段具有一个共同的生物合成途径,但贮藏脂的脂肪酸组成的变化并不会影响膜脂的成分。如亚麻酸(C183是所有植物光合膜的主要组成成分之一

4、,同时也是亚麻子油的基本组分,利用化学诱变缺失两个基因功能,使亚麻子油中的亚麻酸含量从46%降低至2%,而在膜脂中的含量不受影响4。因此有人推测可能存在两套基因编码相应的同功酶,或一套基因通过复杂的表达调控使得膜脂合成途径活跃。植物脂的生物合成途径特别适合于植物分子遗传操作,因为贮藏态脂是一种封闭的相对惰性的光合终产物,其主要成分的改变不影响植物总的分解功能,只是这种改良后的贮藏脂必须适合萌发后的脂分解5。本文只简述植物贮藏脂的生物合成。植物细胞脂肪酸的生物合成主要发生在质体的基质中,由乙酰辅酶A经一系列反应生成不同链长(C8C18的脂肪酸,通过与A CP结合组装脂肪酸并引入第一双链(,在特异

5、性硫酯酶(作用下,脂肪酸从A CP复合物释放并经辅酶A脂化后(穿过质体膜进入细胞质,收稿日期19980224课题来源国家自然科学基金资助项目作者简介王幼平,男,33岁,副教授,博士在多种酶(的作用下进一步代谢和修饰,包括脂肪酸的去饱和以及链的延长等6(图1 。图1植物贮藏脂类生物合成简图(引自Som erville ,1991Topfe ,1995注:乙酰辅酶A 羧化酶;脂肪酸合成酶;9硬脂酰A CP 去饱和酶;酰基A CP 硫酯酶;酰基CoA 合成酶;12油酰去饱和酶;15亚油酰去饱和酶;延长酶;3磷酸甘油酰基转移酶(G3PA T ;溶血性磷脂酸酰基转移酶(L PAA T ;磷脂酸磷化酶(P

6、A P ;二酰甘油酰基转移酶(DA GA T ;A CP ,酰基载体蛋白;CoA ,辅酶A 。TA G 的组装是通过Kennedy 途径7:3磷酸甘油(G 3P 溶血性磷脂酶(LA P 磷脂酸(PA 二酰甘油酯(DA G 三酰甘油酯(TA G 。所需酶分别为3磷酸甘油酰基转移酶(G 3PA T ,溶血性磷脂酸酰基转移酶(L PAA T ,磷脂酸磷酸化酶(PA P 和二酰甘油酰基转移酶(DA GA T ,上述四种酶均定位于内质网膜上。2植物脂肪酸代谢工程植物脂类代谢工程的主要目标是通过增加新酶、促使已存酶的超量表达以及采用反义RNA 达到减少内源酶表达水平途径来控制脂肪酸的合成过程,利用植物这一

7、天然工厂定向生产和加工出更多、更好的为人类所需的物质。目前主要通过操纵TA G 的生物合成来直接改变油的成分,已鉴定出的主要酶类有两类:脂肪酸修饰酶和TA G 组装酶。上述大部分酶已经纯化并建立了它们的基因文库。2.1脂肪酸修饰酶类2.1.1脂肪酸去饱和由于植物油中饱和脂肪酸的含量远低于动物脂肪(饱和脂肪酸含量达10%50%,因此用植物油取代动物脂肪是降低胆固醇水平的最有效方法。不过植物油仍含有10%20%的饱和脂肪酸,其主要成分是棕榈酸(C 160。棕榈酰A CP 在脂肪酸代谢过程中是一关键物,其碳链既能被3酮酯酰A CP 合成酶 进一步延长,也可以在乙酰A CP 硫脂酶作用下脱A CP 形

8、成棕榈酸并转化为贮存态油,因此植物油中饱和脂肪酸的含量主要是由98王幼平等:植物脂肪酸代谢工程研究进展09中国油料作物学报1998,20(43酮酯酰A CP合成酶 和硫酯酶活性所决定,控制其中一种酶的活性就可使油中饱和脂肪酸含量有所改变。如B leibaum等在甘蓝型油菜种子中通过3酮酯酰A CP合成酶 的超量表达导致了棕榈酸含量的降低8。Yadav等在大豆中通过一种“协同抑制”的方法,即用另一乙酰A CP硫酯酶基因转化大豆,结果降低了本身具有的硫酯酶活力,导致胚中饱和脂肪酸含量减少了一半9。近一半的植物油被加工成奶油和起酥油而间接食用。由于大多数植物油在室温下为液态,因此要做成奶油和起酥油必

9、须提高植物油的熔点,其实质就是增加植物油中饱和脂肪酸的份额。通过催化加氢的方法可提高植物油的饱和度,但研究发现氢化作用可导致不饱和脂肪酸双键由顺式向反式转化,不利于人的健康3。如果通过分子遗传操作方法改变脂肪酸代谢中的去饱和酶正常活性,阻止双键的形成,也会实现上述目的。Knu tzon等通过硬脂酰A CP去饱和酶(c DNA的反向表达,使芜菁种子油中硬脂酸含量由2%增加到40%10。通过硫酯酶(的超量表达和降低硬脂酰A CP去饱和酶的表达水平,也会使种子中的硬脂酸含量提高到45%8。H itz等通过对12油酰去饱和酶(反义抑制可使油菜的油酸含量上升到83%,这种转基因油菜和一种突变体油菜(其油

10、酸含量为78%杂交,结果可培育出油酸含量达87%的油菜新材料。在大豆中,对15亚油酰去饱和酶(反义抑制,使其种子中亚油酸的含量提高了10%11。2.1.2脂肪酸链的终止中等长度的脂肪酸(C8C12主要用于制造肥皂、去污剂和表面活性剂,其中月桂酸(C12为最理想的表面活性剂,但这些脂肪酸主要分布于热带植物中,如椰子树和棕榈树等。美国Calgene公司为了改变靠进口椰子油和棕榈油来生产月桂酸,从加州桂树(Um bellu la ria ca lif orn ia中发现一种特殊的酶(酯酰A CP硫酯酶,如果植物中含有该酶, A CP上的脂酰链长度达C12时即终止合成反应。通过该酶的纯化和氨基酸序列分

11、析,分离其c DNA,现已获得表达同一硫酯酶的油菜转基因植株,并可产生出40%以上的月桂酸,而且转基因植株的农学性状没有明显的变化,种子的产油率较高12。在Cup hea lanceola ta植物种子中癸酸(C10含量高达83%,从该植物中分离特有的硫酯酶基因并转入油菜中,结果使油菜种子中含有1%的辛酸(C8和3%的癸酸10。2.1.3脂肪酸链的延长芥酸(C221是具有广泛用途的精细化工原料,除用作溶剂和润滑剂外,还可精炼成有价值的产品,如香料、橡胶添加剂、十三烷二酸、高级工程塑料(如尼龙1313等13。但目前工业上芥酸的生产主要是以普通菜油为原料,其芥酸含量较低(30% 50%,且食用油菜

12、育种日趋向零芥酸方向发展,因此严重限制工业芥酸的生产。如果通过现代生物技术使目前植物油中的芥酸含量由50%提高到90%以上,就会大大降低芥酸的生产成本,提高植物油在市场中的竞争力。要使种子中芥酸含量达90%以上,首先,必须引入具有链延长功能的特异性酶。芥酸的合成是以油酸(C181为原料,在细胞质中进行,现已发现在油菜中是由2种延长酶的作用来完成14,即C181CoA和C201CoA延长酶。目前美国Calgene公司从S i m m ond sia ch inensis植物(该植物种子含100%的液体蜡酯中分离出2个目的基因,期望对此酶进行修饰15。其次,还要考虑TA G组装过程各种酰基转移酶。

13、因为即使芥酸产生了,是否全部能整合到甘油的三个羟基上还是疑问5。B ernerth等研究发现,如果增加芥酰CoA的浓度(是油酰CoA的5倍,L PAA T在sn2位上还是优先使用油酰CoA,因此要想进一步提高油料植物中芥酸的水平,只提高细胞中芥酸CoA 的浓度是不能根本解决问题,必须对L PAA T 的性质进行修饰16。2.2甘油三酯(TA G 组装酶油料种子通过Kennedy 途径合成TA G ,大量的研究表明不同来源的G 3PA T 和DA GA T 对酰基CoA 的选择性较小,而L PAA T 则具有很强的选择性。TA G 的sn 1和sn 3位的酰基类型很大程度上依赖于细胞内的酰基Co

14、A 组成含量,而sn 2位受L PAA T 选择特异性的高度限制,即在TA G 的sn 2位上不接受C 16或C 18的饱和脂肪酸以及大于C 18的不饱和脂肪酸16。但在自然界也有特例,如乌桕的种子中棕榈酸含量高达71%,旱金莲(T rop aeolum m a 2jus 的芥酸含量为78%82%2。这为基因工程创造单一的特高脂肪酸含量的新型油料植物提供了可行性证据。目前G 3PA T 已从椰子种子中分离纯化17,基因已被克隆18,DA GA T 已从大豆叶中分离纯化19。通过对油菜、旱金莲、大豆、玉米、棕榈、蓖麻子和草地泡沫(L i m nan thes a lba 等油料植物种子成熟过程的

15、研究,发现只有草地泡沫植物中的L PAA T 酶可使芥酸CoA 与1芥酸3磷酸甘油酯生成二芥酰磷脂酸,并可进一步生成三芥酰甘油酯20。这个特点对通过基因工程方法培育高芥酸油菜是相当重要的,因为传统的育种方法培育的油菜芥酸含量最多不超过理论值66%。如果将草地泡沫的L PAA T 基因转入高芥酸的油菜中,理论上将会产生90%以上芥酸的油菜新材料,此项工作目前国内外有关单位正进行研究,并有望5年内培育出特高芥酸含量的新型油料植物。3结语目前,分子生物学家通过对植物脂肪酸生物合成的深入了解,运用分子遗传操作技术,不仅可设计出单一的特高含量的中、长链脂肪酸油料植物,而且可创建出特异性(如环氧脂肪酸、环

16、链脂肪酸等高值产品的新型油料植物。因此,今后我们可从以下几方面开展工作:进一步拓宽目的基因源,来自细菌、动物和真菌的膜结合脂肪酸修饰酶均能在转基因植物中发挥作用21。通过对光合产物的流向进行控制,可直接生产出贮藏态油脂含量高的植物种子,几乎不含有贮存蛋白和碳水化合物,这种种子可能不具有活力,但只需用化学方法或通过品种杂交便可获得控制该品质的油料作物3。依据现有酶的结构,利用基因点突变产生新酶,以合成特异性的化学产品。随着人们利用光能进行光合再生产以及植物代谢基因操作手段的积累,进一步扩展转基因植物这种高效、低污染的化学工厂的生产能力是完全可能的。参考文献1P rincen L H ,Po th

17、fu s J A .D evelopm en t of new crop s fo r indu strial raw m aterials ,1984,61(2:2812892王幼平,贾勇炯,罗鹏.某些特油植物资源的脂肪酸类型及用途.中国油料,1997,19(2:72753O h lrogge J B .D esign of new p lan t p roducts engineering of fatty acid m etabo lis m .P lan t physi o l ,1994,104:8218264Green A G .Genetic con tro l of po ly

18、un satu rated fatty acid b i o syn thesis in flax (L inum usita tissi m um seedo il.T heo r app l genet ,1986,72:6546615M u rphy D J .M odifying o ilseed crop s fo r non 2edib le p roducts.T ib tech ,1992,10:84876Som erville C ,B row se J .P lan t li p ids :M etabo lis m ,M u tan ts and M em b ranes

19、 .Science ,1991,252:808719王幼平等:植物脂肪酸代谢工程研究进展29中国油料作物学报1998,20(47Stym ne S,Stobart A K,Gladd G.T he ro le of the acyl2CoA poo l in the syn thesis of po lyun satu rated182 carb in fatty acids and triacylglycero l p roducti on in the m icro som es of develop ing safflow er seeds.B i och i m2 ica et b i

20、 ophysica acta,1983,752:1982088Topfer R,M artin i N,Schell J.M odificati on of p lan t li p id syn thesis.Science,1995,268:6816869Yadav N,W ierzb ick iA,Know lton S et al.In:N M u rata,C R Som erville,eds.B i ochem istry and mo lec2 u lar b i o logy of m em b rane and sto rage li p ids of p lan ts.R

21、ockville,M D:Am erican society of p lan t physi o l2 ogists.1993.606110Knu tzon D S,T homp son G A,R adke S E et al.M odificati on of B rassica seed o il by an tisen se exp ressi on of a stearoyl2acyl carrier p ro tein desatu rase gene.P roc natl acad sci U SA,1992,89:2624262811H itz W D,Yadav N S,R

22、 eifer R S et al.In:Kader J C and M azliak P eds.P lan t li p id m etabo lis m.N etherlands:K luw er,Do rdrech t,1995,50650912Po llard M R,A nderson L,Fan C et al.A specific acyl2A CP th i oesterase i m p licated in m edium2chain fat2 ty acid p roducti on in i m m atre co tyledon s of Um bellu la ri

23、a ca lif orn ica.A rch ives of b i ochem istry and b i o2 physics,1991,284(2:30631213周永明.油菜遗传改良研究进展.国外农学油料作物,1996:1614Po llard M R,Stumpf P K.B i o syn thesis of C20and C22fatty acids by develop ing seeds of L i m nan thes a l2 ba,chain elongati on and desatu rati on.P lan t physi o l,1980,66:649652

24、15M offa A S.P lan ts as chem ical facto ries.Science,1995,268:65916Bernerth R,F ren tzen M.U tilizati on of erucoyl2CoA by acyltran sferase from develop ing seeds of B rassi2 ca nap us(L.invo lved in triacylglycero l b i o syn thesis.P lan t science,1990,67:212817F ritz P J,Kauffm an J M,Robertson

25、C A et al.Cocoa bu tter b i o syn thesis,pu rificati on and characteriza2 ti on of a so lub le sn2glycero l232pho sphate acyltran sferase from cocoa seeds.T he j ou rnal of b i o logical chem istry,1986,261(1:19419918Ish izak iO,N ish ida I,A gata K et al.C lon ing and nucleo tide sequence of c DNA

26、fo r the p lastid glycero l2 32pho sphate acyltran sferase from squash.EFBS letters,1988,238:42443019Kw anyuen P,W ilson R F.Iso lati on and pu rificati on of diacylglycero l acyltran sferase from germ inati on soybean co tyledon s.B i och i m ica et b i ophysica acta,1986,877:23824520L au ren t P,H

27、 uang A H C.O rgan and developm en t specific acyl coenzym e a lysopho s2phatidates in pal m and m eadow foam.P lan t physi o l,1992,99:1711177521V oelker T A,D avies H M.A lterati on of the specificity and regu lati on of fatty acid syn thesis of E s2 cherich ia coli by exp ressi on of a p lan t m

28、edium2chain acyl2acyl carrier p ro tein th i oesterase.Jou rnal of bacteri o logy,1994,176(23:73207327维普资讯 :/ cqvip 材 料 科 学 与 工 程 学 报 年 月 ， ， 值 预报 北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 ， ） ， （ ： 庞 宝 君 ， 善 义 ，严 杜 ， ： 勇 ， 三 维 四 向碳 氧 编 织 复 合 材 等 环 韩 其 睿 ， 嘉 禄 ， 学 明 合 材 料 学 报 ， ，（ ） 李 李 复 ： 料剪 切 力 学 性 能 实 验 研 究 实 验 力 学 ，

29、 ， ） （ ： 庞 宝 君 ，杜 善 义 ，韩 杰 才 ，等 三 维 四 向 编 织 碳 氧 复 合 材 环 ， ， ， ： 料 实验 研 究 复 合 材 料 学 报 ， ，（ ： ） 梁 军 三 维 编 织 复 合 材 料 力 学 性 能 的 细 观 研 究 哈 尔 滨 工 业 大 学 ， ， ， ： 梁 一 军 ， 善 义 ， 杰 才 合 材 料 学 报 ， （ ： 杜 韩 复 ） 庞 宝 君 ， 杜善 义 ， 杰 才 三 维 四 向 编织 复 合材 料 细 观 组 织 及 韩 分 析 模 型 复合 材 料 学 报 ， （） ， ： 徐 孝 诚 ， 孙德 海 ， 小 平 三 维 编织 复

30、合 材 料 细 观 结 构 的 几 何 黄 学 分 析 强度 与 环 境 ， ： （ ） 黄 小 平 ， 良新 ， 孝 诚 合 材 料 三 维 四 向 矩 形 编 织 物 角 柱 孙 徐 复 结 构研 究 复 合 材 料 学 报 ， ） （ ： 黄 小 平 ， 良新 ， 孝 诚 孙 徐 四向 矩 形 编 织 复 合 材 料 单 胞 的 新 划 分 方 法 纤 维 复 合 材 料 ， ） ，（ ： ， ， ， 【 ， ， 一 ， ， ： 【 ， ， 。 一 ： 【 ， ， ， ， ： 【 ， ， ： ： 【 ： ， ， ： 刘 振 国 ，陆 一 萌 ，麦 汉 超 ，等 三 维 四 向 编 织 复

31、 合 材 料 弹 性 ， ， ， ： 模 量 数 值 预 报 北 京 航 空 航 天 大学 学 报 ， （ ： ） 【 ， ， ， ： 刘 振 国 ， 子 兴 ，陆 萌 维 四 向 编 织 复 合 材 料 剪 切 性 能 卢 三 的 数值 预报 复 合 材 料 学 报 ， ， ： （ ） 【 ， ： ， 一 ： 陈 利 ， 嘉 檬 ，李 学 明 三 维 四 步 法 圆 形 编 织 结 构 分 析 李 【 ： ， ， 一 ， ： 复 合 材 料 学报 ， （ ： ， ） 马文 锁 ， 冯 伟 三 维 编织 复 合 材 料 及其 构 件 可 变 微 单 元 分 析 模 型 复 合材 料 学 报 冯 伟 ，马 文锁 三 维 编织 材 料 几 何 结 构 群 论 分 析 科 学 通 报 ， （ ， ） ： ， 【 ， ： ： ， ： ： 【 ， ： ： ， ： ， ， ， ： 一 【 ， 【 ， ： （ ） ： ， （ ） ： ： ， ， ， 【 ： ， ， ， ， ， ， （ ： ） 冯 淼 林 ， 长 春 ， 慧 玉 三 维 均 匀 化 方法 预 测 编 织 复 合 材 料 吴 孙 等效 弹性 模 量 材 料 科 学 与 工 程 ， （ ） ， ： ， ， ，