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分子农业与生物能源研究所李润植教授团队在油料作物油脂积累调控方面取得系列进展

植物油脂是人类食用油的主要来源,亦是医药保健、生物燃油和油脂化工的重要原料。提高油料作物品质和产量对于满足不同消费和市场需求至关重要,一直以来也是作物育种家选育的重要目标性状。解析植物油脂积累调控机制、挖掘关键基因及调控因子是实现这一育种目标以及功能性油脂产品研发的重要基础。

图1 棉花GhFatB酶的三维结构及其活性位点关键氨基酸残基

10月24日,李润植教授团队在“International Journal of Molecular Sciences”(SCI 2区TOP,IF= 6.208)上发表了题为“Identification and Functional Characterization of Acyl-ACP Thioesterases B (GhFatBs) Responsible for Palmitic Acid Accumulation in Cotton Seeds”的研究论文。棉籽油位居国际食用油市场第六位,但棉籽油中饱和脂肪酸棕榈酸的含量较高(25%)。研究表明,棕榈酸不易被人体消化吸收,过多摄入容易引发肥胖和心脑血管等疾病。该研究通过对棉花中决定油脂组分的关键酶基因FAT家族成员进行详细的生物学功能鉴定,发现了决定底物特异性的关键氨基酸,阐明了GhA-FatB3和GhD-FatB4调节棕榈酸积累的作用机制。研究为棉花油脂品质分子育种以及以棉花种子作为生物反应器生产功能性“定制油脂”提供了理论基础及优异靶基因(图1)。

该论文的第一作者为农学院刘宝玲博士,共同通讯作者为李润植和贾小云教授,团队成员孙岩、王晓丹、薛金爱、王计平等参与该项研究。该项研究获国家自然科学基金(31801400,31401430和31201266)、山西省高等学校科技创新项目(2021L112)、优秀博士来晋工作奖励(SXBYKY2022008)等资助。

图2 特色油料作物亚麻荠Dof家族成员的系统发育树

12月8日,李润植教授团队在“BMC Genomics”(SCI 2区TOP,IF= 4.547)上发表了题为“Genome-wide identification and functional analysis of Dof transcription factor family in Camelina sativa”的研究论文。该研究以特色经济油料作物亚麻荠为试材,从亚麻荠基因组鉴定获得103个Dof转录因子家族成员,并将其分为4个亚家族,对其理化性质、基序组成、进化关系、表达谱以及部分基因功能等进行系统分析,证实了亚麻荠在演化进程中发生染色体片段复制事件及多倍化事件,形成驱动力促进Dof家族基因的扩张及功能分化。基于高通量组学数据,采用共表达网络、相关性分析、功能模块聚类和启动子顺式作用元件显著性分析等策略,筛选出多个促进亚麻荠油脂积累和增强盐胁迫耐受性的转录调控模块。研究结果有助于亚麻荠Dof基因功能的全面解析和亚麻荠油脂产量、抗逆性遗传改良,以及富集ω-3脂肪酸的功能性油脂产品的研发(图2)。

该论文第一作者是农学院硕士研究生罗涛,共同通讯作者为王计平副教授和李润植教授,团队成员宋亚楠、高慧玲、王猛、崔红利副教授和季春丽副教授等参与该项研究。本研究获国家自然基金(32201722,31801400,31401430和31201266)、山西省研究生创新项目(2021Y336和2021Y310)、山西省应用基础研究项目(20210302124170和20210302123418)等资助。

图3 酵母功能互补实验鉴定GmDGAT3-2酶活性

5月25日,李润植教授团队在“Frontiers in Plant Science”(SCI 2区TOP,IF= 6.627)上发表了题为“Functional Characterization of Soybean Diacylglycerol Acyltransferase 3 in Yeast and Soybean”的研究论文。该论文以重要油料作物大豆为试材,从发育种子分离获得2个编码大豆二酰甘油酯酰基转移酶3(DGAT3)的基因GmDGAT3-1和GmDGAT3-1。采用活体和离体及遗传转化等测试技术揭示了2个大豆GmDGAT3的生物学功能。尤其是发现了GmDGAT3-2对单不饱和油酸的高水平底物特异性,过表达GmDGAT3-2显著提高了宿主组织总油脂含量和油酸的富集。研究拓展了对植物油脂合成及调控机制的认知,并为大豆及其它油料作物的油脂遗传改良提供了新的靶基因(图3)。

该论文第一作者是农学院薛金爱副教授,共同通讯作者为贾小云教授和李润植教授,团队成员高慧玲、薛应红、刘萌萌、韩立军、高宇、周雅莉、张飞等参与该项研究。本研究获国家自然基金(31401430)、山西省重点研发项目(201703D221002-3)、山西省应用基础研究项目(20210302124170)和中央引导地方科技发展项目(2020)等资助。

图4 过表达GmWIN1-5大豆毛状根分子鉴定

5月18日,李润植教授团队在“Environmental and Experimental Botany”(SCI 2区,IF= 6.028)发表了题为“Functional characterization of transcription factor WIN1 genes associated with oil biosynthesis and stress tolerance in soybean (Glycine max)”的研究论文。该研究以重要油料作物大豆为试材,鉴定获得6个编码转录因子WIN1的基因。采用活体和离体及遗传转化等测试技术揭示了大豆GmWIN1-5调控油脂代谢和胁迫响应的双重生物学功能,构建了GmWIN1-5转录因子介导的分子调控网络。研究为解析植物油脂代谢与胁迫抗性协同调控及作用机制提供了新见解(图4)。

该论文第一作者是农学院硕士研究生蔡桂萍,共同通讯作者为张莉副教授、贾小云教授和李润植教授,团队成员刘宝玲、周雅莉、高慧玲、薛金爱和季春丽副教授等参与该项研究。本研究获国家自然基金(31201266和31401430)、山西省重点研发项目(201803D221005-9,201603D312005和201803D221019-1)和中央引导地方科技发展项目(2020)等资助。

图5 CeSAD1转基因烟草株系幼苗低温胁迫表型

3月9日,李润植教授团队在“Plant Science”(SCI 2区,IF= 5.363)发表了题为“Characterisation of two novel genes encoding Δ9 fatty acid desaturases (CeSADs) for oleic acid accumulation in the oil-rich tuber of Cyperus esculentus”的研究论文。油莎豆地下块茎富含油脂(30%),且油酸含量高达70%,油脂品质可与橄榄油相媲美,是一种特色油料作物。解析地下块茎富集油酸和总油脂的分子机制可为植物营养器官油脂合成途径重构、培育新型油料作物提供理论及技术支撑。本文从油莎豆块茎鉴定获得2个编码ACP-硬脂酰脱氢酶(SAD)的基因CeSAD1和CeSAD2。采用活体和离体及遗传转化等测试技术揭示了CeSAD1和CeSAD2高效催化硬脂酸(18:0)生成单不饱和油酸(18:1)的酶学特性,特别是发现这两个基因参与植物低温胁迫响应的新功能。过表达CeSAD2显著提高了宿主组织总油脂含量和油酸的富集。研究为解析植物营养器官富油脂机制以及植物冷胁迫应答机理提供了新思路(图5)。

该论文第一作者是农学院硕士研究生李腾,共同通讯作者为贾小云和李润植教授,团队成员孙岩、陈莹、高宇、高慧玲、刘宝玲和薛金爱副教授等参与该项研究。本研究获国家自然基金(31801400,31401430和31201266)、山西煤基科技重点攻关项目(FT-2014-01)、山西省重点研发项目(201603D312005)、山西省研究生创新项目(2021Y311)和中央引导地方科技发展项目(2020)等资助。

上述5篇论文的链接如下:

论文1:https://www.mdpi.com/1422-0067/23/21/12805

论文2:https://bmcgenomics.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12864-022-09056-9

论文3:http://doi.org/10.3389/fpls.2022.854103

论文4:https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2022.104916

论文5:https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2022.111243

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