與植物種子油脂合成相關(guān)的MADS—box轉(zhuǎn)錄因子研究進(jìn)展

熊書

摘 要：MADS-box轉(zhuǎn)錄因子由MADS-box基因編碼，是一類關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。MADS-box轉(zhuǎn)錄因子在植物激素信號(hào)傳導(dǎo)、果實(shí)的形成、成熟和種子油脂的合成等方面扮演了重要的作用。本文綜述了MADS-box轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)、植物種子油脂合成的途徑以及與植物種子油脂合成相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：植物種子；油脂合成；轉(zhuǎn)錄因子

中圖分類號(hào)：Q94-3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

MADS-box轉(zhuǎn)錄因子由MADS-box基因編碼，其進(jìn)化上相當(dāng)保守，數(shù)量眾多，在動(dòng)物、植物和真菌（酵母）中都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其存在。MADS-box轉(zhuǎn)錄因子的名稱來自于4種MADS-box蛋白質(zhì)，由釀酒酵母的MCM1轉(zhuǎn)錄因子、擬南芥的AGAMOUS轉(zhuǎn)錄因子、金魚草的DEFICIENS轉(zhuǎn)錄因子和人的SRF4血清應(yīng)答因子的第一個(gè)字母組成，這四種蛋白都有一個(gè)高度保守區(qū)域即MADS盒，它是由56～58個(gè)氨基酸構(gòu)成。MADS-box轉(zhuǎn)錄因子的功能幾乎包括了植物生長(zhǎng)、發(fā)育的方方面面，如涉及激素信號(hào)傳導(dǎo)，根的生長(zhǎng)發(fā)育及形成根瘤，參與分生組織的分化，調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)代謝和光合作用，甚至果實(shí)的形成、成熟、開裂和種子油脂的合成等[1]。

一、MADS-box轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)

MADS-box轉(zhuǎn)錄因子根據(jù)結(jié)構(gòu)域的差異分兩大類：Ⅰ型和Ⅱ型。當(dāng)前對(duì)植物MADS-box I型轉(zhuǎn)錄因子功能的了解甚少，與植物生長(zhǎng)發(fā)育有關(guān)的MADS-box轉(zhuǎn)錄因子都屬于Ⅱ型。植物MADS-box Ⅱ型轉(zhuǎn)錄因子都具有一個(gè)非常保守的MADS-box結(jié)構(gòu)域，另外還有3個(gè)相同的結(jié)構(gòu)域：I區(qū)、K盒和C末端。MADS-box結(jié)構(gòu)域、I區(qū)、K盒、C端和N端在蛋白質(zhì)的二聚化和蛋白二聚體與DNA的結(jié)合中扮演相應(yīng)的功能[2]。

二、植物種子油脂合成的途徑

油脂是由脂肪酸和甘油組成，當(dāng)3個(gè)脂酰CoA與3-磷酸甘油的3個(gè)羥基脫水后形成油脂。植物種子油脂的合成分為三個(gè)階段：合成脂肪酸及形成脂肪酰-CoA；合成3-磷酸甘油；脂酰CoA與3-磷酸甘油脫水縮合。種子在生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)，蔗糖異構(gòu)為己糖并進(jìn)行有氧代謝生成乙酰輔酶A。隨后，在乙酰輔酶A羧化酶的作用下，乙酰輔酶A轉(zhuǎn)變?yōu)楸熙］o酶A。接著脂肪酸合成酶和?；?ACP硫酯酶級(jí)聯(lián)催化丙二酰單酰輔酶A生成?；鵄CP。?；鵄CP再由?；o酶A合成酶催化形成?；o酶A[3]。與此同時(shí)，己糖經(jīng)糖酵解作用生成磷酸二羥丙酮，再轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油。最后，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上酰基輔酶A依次由3-磷酸甘油酰基轉(zhuǎn)移酶、二酰甘油轉(zhuǎn)酰酶、溶血性磷脂酸?；D(zhuǎn)移酶以及磷脂酸磷酸水解酶催化，分別將脂肪酸連接到甘油骨架上，形成三酰甘油酯（TAG）[4]?，F(xiàn)在，雖然人們通過深入研究油脂的生物合成過程，使種子油脂的含量有一定程度的提高，但是因油脂生物合成過程和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜，需要我們篩選到更多油脂合成的關(guān)鍵控制基因，繼續(xù)深入認(rèn)識(shí)油脂合成的分子調(diào)控機(jī)制，更大限度地提高油脂含量。

三、與植物種子油脂合成相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子

1.與種子油脂合成相關(guān)的MADS-box轉(zhuǎn)錄因子

油菜AGL11基因?qū)儆贛ADS-box家族成員，研究表明AGL11基因在胚中表達(dá)較高，抑制基因表達(dá)的轉(zhuǎn)基因植株的種子和胚發(fā)育被強(qiáng)烈抑制，胚中的脂肪酸的含量顯著降低，基因芯片研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植株中的乙酰輔酶A羧化酶（ACCase）基因和脂肪酸合成酶（FAS）中的3-氧酰基-ACP還原酶（FabG）基因表達(dá)被顯著抑制。AGL11基因直接或間接調(diào)節(jié)ACCase和FabG基因的表達(dá)，從而控制油菜種子中脂肪酸的合成[5]。

2.其他與種子油脂合成相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子

研究表明，影響種子發(fā)育的一些轉(zhuǎn)錄因子同時(shí)影響著種子中油脂的積累。Leafy Cotyledon1，2（LEC1，LEC2）和Fusca3（FUS3）以及WRINKLEDl（WRI1）等基因都是種子發(fā)育過程中油脂等物質(zhì)積累的關(guān)鍵調(diào)控因子。這些基因的突變、過量表達(dá)或異位表達(dá)都會(huì)對(duì)植物種子發(fā)育和油脂等物質(zhì)的積累產(chǎn)生重要的影響。LEC1編碼CCAAT-Box結(jié)合因子HAP3的一個(gè)亞基，控制胚胎發(fā)育過程中的多個(gè)方面，是胚胎發(fā)育過程中的關(guān)鍵調(diào)控因子。過量表達(dá)擬南芥LEC1基因可影響其他種子發(fā)育相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子如FUS3和WRIl等基因的表達(dá)，整體提高脂肪酸合成相關(guān)基因的表達(dá)水平，從而提高種子中脂肪酸和油脂的含量[6]。WRI1編碼一個(gè)AP2/EREB結(jié)構(gòu)域蛋白，在擬南芥中超量表達(dá)WRI1基因，顯著提高了種子中油脂的含量（提高10%～20%），且轉(zhuǎn)基因植株的產(chǎn)量沒有受到影響。實(shí)驗(yàn)表明，WRI1可以直接調(diào)控糖酵解和脂肪酸代謝過程的基因[7]。此基因的效應(yīng)已在大田中得到證明，在玉米中超量表達(dá)WRIl，使玉米種子中油脂的含量增加了30%[8]。

油菜等油料作物是食用植物油和優(yōu)質(zhì)蛋白的重要來源。據(jù)分析，對(duì)單位面積產(chǎn)油量而言，油菜油脂含量每提高1%，相當(dāng)于增產(chǎn)菜籽2.5%。目前，國(guó)外油菜品種的油脂含量大約為42%～45%，少數(shù)甘藍(lán)型油菜品種油脂含量已達(dá)47%，而我國(guó)油菜品種的平均油脂含量為40%左右。這勢(shì)必導(dǎo)致油菜業(yè)經(jīng)濟(jì)效益低下，影響農(nóng)民種植油菜的積極性，限制油菜種植面積的進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，我們必須了解控制油脂合成相關(guān)的MADS-box轉(zhuǎn)錄因子基因，為通過基因工程手段提高油菜油脂含量，改良油菜品質(zhì)，提高油菜產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效益奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]L Dreni，MM Kater. MADS reloaded： evolution of the AGAMOUS subfamily genes[J]. New Phytologist，2014（201）：717-732.

[2]K Kaufmann，R Melzer，G Theien.MIKC-type MADS-domain proteins： structural modularity， protein interactions and network evolution in land plants[J].Gene， 2005（347）：183-198.

[3]Hills MJ. Control of storage-product synthesis in seeds[J]. Current Opinion in Plant Biology， 2004，7（3）：302-308.

[4]Weselake RJ， Taylor DC， Rahman MH， et al.Increasing the flow of carbon into seed oil[J]. Biotechnology Advances， 2009，27（6）：866-878.

[5]CL Ssgers JP Londo，N Bautista，EH Lee，et al.Genetic Divergence of Brassica campestris， Brassica juncea Parents and Their Hybrids[J].Pakistan Journal of Biological Sciences，2015，5（1）：21-34.

[6]Tan H， Yang X， Zhang F， et al. Enhanced seed oil production in canola by conditional expression of Brassica napus LEAFY COTYLEDON1 and LEC1-LIKE in developing seeds[J]. Plant Physiology，2011（156）.

[7]Maeo K， Tokuda T， Ayame A， et al. An AP2-type transcription factor WRINKLED1 of Arabidopsis thaliana binds to AW-box sequence conserved among proximal upstream regions of genes involved in fatty acid synthesis[J].Plant Journal，2009（60）：476-487.

[8]Shen B， Allen WB， Zheng P， et al. Expression of ZMLEC1 and ZMWRI1 increases seed oil production in maize[J].Plant Physiology，2010（153）：980-987.