油菜种子含油量影响因素及调控综述

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　　摘要：作为世界重要油料作物之一的油菜（Brassica napus），其种子油不仅在食用植物油领域占据重要地位，在化工产业和生物能源领域也发挥举足轻重的作用。本文主要综述油菜种子含油量影响因素及调控方面的研究进展，提出运用基因工程提高油菜种子油含量的策略，以期为油菜含油量的大幅度提高提供参考依据。
　　 关键词：油菜;含油量;影响因素和调控;基因工程
　　 中图分类号： S565.401  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）12-0025-05
　　油菜是重要的油料作物，在我国年产量已达1 400万t，其中国民消费量达600多万t，占食用植物油总量的20%左右[1]。油菜成熟种子中大约含45%的储藏油，25%的蛋白质和10%的可溶性糖。种子油含量是重要的农艺性状，也是油菜品质的关键决定因素，随着油菜种子油在食品和非食品应用方面需求量的不断增加，如何提高油菜种子油含量受到人们的广泛关注。然而到目前为止，油菜种子油含量影响因素的作用机制以及油份积累的分子调控机制研究得还不够透彻。本文主要针对油菜种子含油量在影响因素和调控方面已取得的研究进展进行综述。
　　1 油菜种子油生物合成和积累
　　 植物种子油主要以三酰甘油（triacylglycerols，简称TAG）的形式进行储存，种子油的生物合成可分为脂肪酸（fatty acid，简称FA）合成和三酰甘油合成两大阶段[2]。在油菜种子中，三酰甘油的合成量占种子质量的60%[3]，对种子含油量贡献很大。三酰甘油的合成需要众多亚细胞结构多条途径共同作用，许多调节基因和酶基因参与这个过程[4-5]，任何一类酶的表达或调控出现问题都会影响种子含油量[6]。脂肪酸在质体中的合成主要包含饱和脂肪酸从头合成、脂肪酸碳链延长以及不饱和脂肪酸合成[7]，质体FA的合成途径决定了种子油中酰基链长度和饱和度水平。脂肪酸合成底物乙酰辅酶A（acetyl-CoA）经过一系列反应生成含有12～18个碳原子的脂肪酸，接着在特异性硫酯酶作用下，催化含有酰基载体蛋白（acyl carrier protein，简称ACP）的脂肪酸从ACP上释放出来，成为游离脂肪酸[8]，其在酰基辅酶A合成酶（acyl-CoA sythetase） 作用下又转变为酰基辅酶A（acyl CoA），之后转运至胞质或内质网[9-10]，胞质内的酰基辅酶A通过内质网上3-磷酸甘油酰基转移酶（glycerol-3-phosphateacyltransferase，简称GPAT）[11]、溶血性磷脂酸酰基转移酶 （lyso-phosphatidic acid acyltransferas，简称LPAAT）[12]以及二酰甘油酰基转移酶（diacylglycerol acyltransferase，简称DGAT）[13]的作用在甘油骨架上连接脂肪酸合成TAG，储存于亚细胞器油体内。
　　 油菜种子油积累的分子机制目前还不是十分清楚，但种子油积累过程已有研究，其主要与种子形成有关。油菜开花后25～30 d种子油积累迟缓，30 d后高效聚积，40 d后积累速度减慢，种子成熟时期油含量最高。文均研究了甘蓝型油菜种子发育过程中油脂积累动态变化，结果发现，快速积累时期为油菜种子油累积差异最显著时期，也是不同品种油菜含油量产生差异的重要时期[14]。
　　2 影响油菜种子油合成及积累的因素及调控
　　2.1 油菜种子含油量的影响因素及调控
　　2.1.1 关键酶编码基因的作用及调控 油菜含油量主要受其基因的影响，研究表明，油菜子代含油量与母体基因型有关，母体含油量与后代含油量呈正相关关系。在油菜种子油合成过程中关键酶编码基因发挥重要作用，其对油菜种子油含量的影响主要依靠基因的表达并通过调节酶的活性来实现，这个过程涉及的基因主要包括催化脂肪酸链合成的关键酶基因乙酰辅酶A羧化酶基因（Acetyl-CoA carboxylase，简称ACCase）、脂肪酸硫酯酶A基因（Fatty acidthioesterase A，简称Fat A）、脂肪酸硫酯酶B基因（Fatty acidthioesterase B，简称Fat B）等以及与TAG组装相关的关键酶基因GPAT、LPAAT 和DGAT等。已有大量研究表明，油菜含油量的提高可通过调节关键酶活性的方式进行，如合成脂肪酸的关键限速酶基因ACCase，在一定程度上其酶活性决定着油菜高油份的形成。1983年，Turnham等研究油菜授粉后发育的种子时发现，种子发育早期ACCase的活性明显增强，种子油合成量急速增加，随后酶的活性下降，种子油合成量也随之降低[15]，ACCase活性与油菜种子含油量呈正相关关系。DGAT是合成TAG的关键编码限速酶基因，其酶活性是油菜种子油含量的关键影响因素。DGAT有4种类型，其中对DGAT1、DGAT2这2种类型的研究较多。在甘蓝型油菜中，过表达DGAT1会显著增加种子油含量和种子大小。另外DGAT1的活性水平对TAG合成会产生实质性影响，当沉默油菜DGAT1基因后發现，该酶活性和种子含油量明显下降[16]，而过表达低芥酸油菜DGAT1基因，DGAT1活性升高，产物与底物比率增加，经自上而下控制分析（TDCA），测定证实种子油含量也增加[17]。DGAT2主要影响后期油脂的转化，对油菜高油份的形成作用不大。
　　2.1.2 转录调控因子 关键转录因子也会影响油菜种子含油量，其主要在调控油菜种子发育以及种子油累积方面起作用。研究表明，在转录因子的作用下激活或抑制种子油合成相关基因的表达可以提高种子含油量[18]。调控油菜种子含油量的转录因子主要有WRI1（WRINKLED1）、LEC1（LEAFY COTYLEDON1）、LEC2（LEAFY COTYLEDON2）、FUS3（FUSCA3）和ABI3（abscisic acid-insensitive 3）等。 　　 直接调控脂肪酸和TAG合成的WRI1为AP2/EREBP家族成员[19]，2010年已在油菜中克隆出WRI1基因[20]，其存在多個拷贝，高表达于种子中，其他组织表达量相对较低。BnWRI1可以通过与GT1-element 或GCC-box结合或与二者均结合的方式将脂肪酸合成与光合作用结合起来，使得油菜种子含油量水平得以提高[21]。过表达甘蓝型油菜中的WRI1会使种子油含量增加[22]，且油菜油脂积累与膜脂合成代谢的脂质稳态也会受其调控[23]。LEC1属于NFY-B型CCAT-box结合转录因子家族，位于WRI1的上游，它能够提高与脂肪酸合成有关基因的表达量，增加种子发育中油脂的累积量，从而影响含油量[13]。LEC1过表达于油菜中，种子油含量可增加7%～16%，若对其表达进行抑制，含油量则减少10%左右，但脂肪酸组成未发生显著变化[24]。LEC2、FUS3和ABI3是植物特异性的B3结构域转录因子。LEC2也位于WRI1的上游，分别异位表达LEC1和LEC2，均能激活WRI1，所以在调控WRI1表达上LEC1和LEC2可能互不影响[25]。FUS3能调控种子发育和参与油脂积累，Elahi等对甘蓝型油菜FUS3基因的B3结构域下游区域进行突变得到3个突变体，其蛋白质含量虽然得到提高，但角果数和种子含油量均降低，同时LEC1、LEC2、ABI3和WRI1等基因的表达也受到了影响，表达量均下降[26]。油菜种子成熟时期，在脱落酸响应途径中，ABI3作为主要的调控因子发挥作用[27]。由于油菜种子中存在叶绿素会影响种子成熟和油含量，ABA依赖的转录因子ABI3可以调节保留种子绿色的基因，从而去除种子叶绿素，使种子发育和种子油合成积累得以顺利进行[28]。这些转录调控因子除了发挥自己特有的功能外，还可以相互调节。在拟南芥种子成熟阶段，关键调节因子FUS3、ABI3、LEC1、LEC2均可调控WRI1的表达[29-30]。这4个关键调节因子之间的调控可构成一个调控网络，可以通过互作发挥作用，也可通过对代谢信号通路和激素进行调控发挥作用。LEC1和LEC2 能彼此调控，也可调控FUS3和ABI3的表达，ABI3对FUS3的表达起到正调控作用，FUS3 既可以自我调控，又可以调控ABI3的表达[31]。除此之外，还有一些转录调控因子也参与种子油的调控，如拟南芥中的MADS域转录调节因子AGL15可直接调控AFL家族ABI3、FUS3和LEC2的表达，其主要通过赤霉酸分解代谢途径调控转录因子影响胚的发育[32]，油菜中MADS-box家族的AGL11转录调控因子与拟南芥的亲缘关系极近，在种子发育以及种子油积累期间该基因都能够高效表达，说明该转录调控因子对种子发育和种子油合成可能起到重要作用[33]。
　　2.1.3 具有调节功能的非编码RNA分子 植物种子发育阶段存在一些能以RNA方式调控基因表达的非编码RNA分子。miRNAs是非编码性sRNAs中的一类，其调控基因表达主要是通过转录后修饰的方式进行。Wang等使用甘蓝型油菜开花后14、21、28 d的早期种子构建了3个小RNA文库，使用高通量测序技术对miRNA的表达进行检测，结果发现，一些miRNA可能直接调控脂肪酸生物合成功能基因的表达，还有许多miRNA间接调节脂肪酸生物合成过程，这些miRNA主要通过与大量的转录因子发生作用进行调控，这些结果揭示了miRNA可参与种子发育过程并在脂肪酸生物合成中发挥重要作用[34]。运用高通量测序技术还鉴定了甘蓝型油菜种子不同发育过程中涉及脂肪酸和脂类代谢的miRNA及其靶转录物，结果显示，589个miRNA可以被236个miRNAs所靶向，其中新型的miRNA有49个，保守的miRNA有187个;miRNA的靶转录物与乙酰辅酶A生成和碳链去饱和酶有关，可以调节极长链脂肪酸、β-氧化和脂质转运以及代谢过程的水平，结果表明，miRNA可能在甘蓝型油菜种子脂肪酸和脂类代谢中起重要作用[35]。
　　2.2 气象因子对油菜含油量的影响
　　 气候环境对油菜种子油含量也会有不同程度的作用。Zhu等研究了油菜种子成熟过程中NIL-9和NIL-1这2个近等位基因系，在高温条件下前者具有比后者更高的种子油含量，另外随着温度升高种子油含量下降，同时伴随着许多与脂质代谢、赤霉素刺激反应、光合作用以及翻译延伸等途径相关基因表达量的下调[36]。高温还会影响甘蓝型油菜开花，会致其不育或结实不良等[37]。除温度外，光照也会影响油菜种子含油量，一般油菜开花后30 d内，温度在25 ℃条件下，光照度由900 lx增加到2 880 lx时，种子油含量可增加4.2%～4.7%[38]。油菜种子油含量也受到种植地海拔高度的影响，高海拔地域油菜种子含油量与低海拔地域相比明显开高[39]。通常情况下，对于同一种油菜而言，种植地区随着纬度的增加，油含量也逐渐上升。油菜种子成熟阶段，土壤湿度适宜，昼夜温差较大，光照度合适便于积累较多的种子油。最近有研究预测未来气候条件会致使油菜种子油含量和品质下降，但是值得庆幸的是品种间差异表明，尽管气候条件变化较大，仍然可以鉴定和开发具有特定有益基因的品种以保持种子油含量和品质的稳定[40]。
　　2.3 栽培因子与含油量的关系
　　播期、播种量、密度、肥力、耕作方式、植物生长调节物质等影响油菜种子含油量。适期早播，采用直播方式以适宜的播种量将种子均匀地播在适宜位置，且播深稳定，成苗率提高，采用毯苗机械移栽方式移苗，栽培密度适当加大，有利于种子含油量的提高。在油菜营养生长期接种蚯蚓油菜的单株荚果数增加了36.7%，单株种子产量增加了46.5%，全株种子产量增加了29.7%，单株产油量、全株产油量也得到提升，分别上升了37.4%、21.0%[41]。在油菜成熟时期，依据油菜种植地土壤性质以及需肥条件，选择合适的肥料种类和用量补充营养元素对提高种子含油量大有裨益。谭太龙等研究了肥料单施和配合施用对油菜含油量的影响，若单独施加钾肥、磷肥、氮肥，其用量与油菜含油量均呈负相关关系，若合理配合施用对提高油菜含油量有帮助，另外施加硫肥对油菜含油量也存在影响，具体用量要按照油菜种植地硫含量合理施用[42]。若在氮、磷、钾肥施加均衡情况下再施加硼肥，油菜含油量可显著增加，继续增施锌肥则无明显影响[43]。将植物生长促进菌株与高效植物定殖能力结合起来，并使其表达一系列植物生长促进性状，应用于全球重要作物。促进植物生长的根际细菌已被提议用作可持续农业的环保生物肥料，其通过多种机制促进植物生长和健康，这些机制包括固氮作用、激素的合成、调节植物乙烯水平、溶解不可利用的土壤磷酸盐以及通过小生境排斥抑制病原菌和产生抗微生物代谢物。活细菌生物肥料的应用可以增强甘蓝型油菜作物在大田中的发育，作物高度、茎、叶和荚生物量增加，种子油含量提高[44]。在油菜角果成熟前喷洒催熟剂和植物生长调节剂乙烯利可促进角果成熟，便于油菜机器收割，这对油菜含油量无负面效应[45-46]，多次用1 mg/L萘乙酸喷洒处于正在发育中的角果也可增加油菜种子油含量[47]。杜雪研究发现，在油菜生殖生长阶段，喷施多效唑会使单位面积产油量显著增加[48]。在油菜收获时期，要保证上部角果还未完全变黄的植株占到所有植株的80%左右才可收割[49]。 　　2.4 油菜种子休眠性对含油量的影响
　　 油菜种子在成熟过程中会出现种子油含量先增加达到一个最高点，然后在即将收获时又减少的情况，这对油菜种子最终的含油量会产生不良后果。甘蓝型油菜在种子发育的脱水阶段，发育中胚的主要储存产物三酰甘油至少损失10%，在种子成熟末期油脂含量下降更为明显[50]，且温室栽培的甘蓝型油菜在成熟时期油脂含量下降10%～14%，比田间种植的油料作物（甘蓝型油菜和海甘蓝为5%～13%）下降得略高一些[51-54]。
　　 在收获之前，若油菜植株角果开裂，种子休眠不完善导致种子萌发，将对种子含油量会产生不利影响，同时也会影响其他养分品质。β-氧化影响种子休眠，种子发育期间β-氧化的重要性由拟南芥中的kat2突变体所揭示，其导致3-酮酰基辅酶A硫解酶活性的丧失并且种子中油脂减少约30%[55]。突变体和野生型具有相似的整体植株生长和表型，油脂含量降低似乎是由发育中种子的变化而不是由植株生长的变化决定的[50]。制止收获前植株上油菜种子的萌发，减少种子油消减可有利于油菜种子含油量的提高。
　　3 运用基因工程提高油菜种子含油量
　　 油菜种子油合成与分解是一个复杂的动态平衡过程，在促进种子油积累的同时要减少其降解。使用基因工程来增加油菜种子油含量已有大量研究。目前常用的方法有3种：（1）过表达种子油生物合成途径上的酶基因或转录因子可提高油菜种子含油量。如在甘蓝型油菜中分别过表达GPDH、GPAT、DGAT、LPAAT这4个基因会使种子含油量提高12.57%～14.46%，且在甘蓝型油菜中同时过表达BnGPDH、BnGPAT和ScLPAAT可以进一步提高油含量[22]。Wu等将油菜的BnWRI1基因过表达发现，种子发育过程中参与光合作用的基因BnCAB和种子油合成关键酶基因BnBCCP的表达均上调，最终使油菜种子油含量提高[21]。Elhiti等研究了BnSTM在种子储存积累过程中的作用，结果发现，过表达BnSTM后种子油含量增加，而蛋白质和蔗糖含量不受影响，同时伴随着诱导编码促进脂肪酸合成转录因子（BnLEC1、BnLEC2、BnWRI1）基因的表达[56]。（2）运用RNAi等方法沉默基因，如沉默贮藏蛋白基因、转录基因等[57]。在种子成熟过程中使用RNAi抑制SUGAR-DEPENDENT1（SDP1）的表达，油菜种子油含量增加约8%，对种子影响相对较小[58]。丁全如构建了包含油菜2种主要种子贮藏蛋白基因的hpRNAi植物表达载体以及AP2-hpRNAi植物表达载体，转入油菜中可分别抑制油菜种子贮藏蛋白合成和干扰AP2基因的表达，进而增加油菜种子含油量[59]。邢蔓等将ihpRNA植物表达载体导入湘油15号中，该载体含有磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因（PEPC），T2代种子含油量与对照相比增加约10%[60]。（3）运用转基因技术增加油菜种子含油量。向油菜中转入玉米的C4型PEPC，让其在油菜叶片中高效表达，增加其光合速率，最终增加了油菜种子油含量[61]。在油菜中异位表达酵母中的基因，该基因编码3-磷酸甘油脱氢酶，结果显示，种子发育过程中该酶活性和3-磷酸甘油含量均提高，最终油菜种子油含量提升[62]。王伏林等将异质型ACCase复合基因导入油菜中，油菜种子能够特异表达该符合基因，对T2代转基因油菜含油量进行检测发现，其比对照提高了约5.7%[63]。运用基因工程技术增加油菜种子含油量已取得了一系列成果，为基因工程提升种子油含量奠定基础，但还需深入研究种子油合成途径，找出重要关键基因，并将其作为靶基因用于基因工程，提高油菜种子油含量。
　　4 结论与展望
　　 多年来我国油菜产量和种植面积均处于世界领先地位，在油菜单产方面提高幅度更是显著，但油菜的平均含油量与国外品种相比较低，油菜产业发展受阻，影响了国际竞争力，解析影响油菜种子油合成和积累的因素以及分子调控机制对提高我国油菜种子含油量至关重要。酶基因作用、气象因子、栽培技术和种子休眠性等因素都会影响油菜种子含油量，其中關于种子休眠性的研究鲜有报道，如何通过有效控制收获前油菜植株开裂角果内种子发芽，完善种子休眠机制来增加油菜种子含油量还需要进一步研究。而对于关键酶编码基因的作用研究较多，运用基因工程技术过表达种子油生物合成途径上的酶基因或转录因子，沉默储藏蛋白基因、转录基因以及引入新基因快速提高油菜种子含油量的研究成果颇丰。
　　 经过前人的不懈努力，油菜种子油合成机制的研究已逐渐明晰，也筛选出一些决定种子高油份的关键基因，提高油菜含油量的栽培技术已逐步得到改进，如何充分运用影响油菜种子含油量的因素和调控机制大幅度提高油菜种子含油量还有待进一步研究。
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