植物油體蛋白基因家族研究進(jìn)展

趙浩強(qiáng)，王小斐，高少培

綜 述

植物油體蛋白基因家族研究進(jìn)展

趙浩強(qiáng)1，王小斐2，高少培1

1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，教育部作物雜種優(yōu)勢研究與利用重點實驗室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部甘薯生物學(xué)與生物技術(shù)重點實驗室，北京 100193 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083

油體也稱脂滴或油滴，是植物細(xì)胞中一種重要的儲藏油脂的細(xì)胞器。油體由單層磷脂膜包裹中性脂肪酸組成，膜上鑲嵌有多種膜蛋白，包括油體蛋白、油體鈣蛋白和油體固醇蛋白，其中油體蛋白占80%～90%。油體蛋白在影響油體大小與穩(wěn)定性、油體形成和降解、脂質(zhì)代謝、種子成熟及萌發(fā)等多種生命活動中都發(fā)揮著重要的生物學(xué)作用。本文結(jié)合近些年國內(nèi)外關(guān)于植物油體蛋白基因家族的研究進(jìn)展系統(tǒng)總結(jié)了油體蛋白序列與結(jié)構(gòu)特征及在植物生長發(fā)育中所扮演的重要角色，討論了油體蛋白作為一種新型植物蛋白在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用場景和油體蛋白研究及應(yīng)用過程中仍存在的一些問題，以期為人們后期更加深入研究植物油體蛋白相關(guān)分子功能及在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用提供有益的參考。

油體；油體蛋白；油體穩(wěn)定性；脂質(zhì)代謝；油脂合成

植物油(plant oil)是現(xiàn)代生物質(zhì)能源的理想來源之一，主要以三酰甘油(triacylglycerol, TAG)的形式存在于植物的種子、花粉、根、莖和花等不同組織[1～3]。植物種子中儲藏的營養(yǎng)物質(zhì)主要包括脂類、蛋白質(zhì)和碳水化合物，而脂類是植物種子貯存能量最有效的形式[4]。植物種子中貯存脂類的細(xì)胞器稱為油體(oil bodies)，也稱為脂滴(lipid droplets)或油滴(oil droplets)[5,6]。

油體蛋白(oleosin)對油體獨立性、完整性起重要作用[6]。在種子萌發(fā)階段，油體蛋白激活油體表面相關(guān)酶類，促進(jìn)脂質(zhì)代謝，進(jìn)而為機(jī)體提供能量[7]。在結(jié)構(gòu)上，油體外部主要由磷脂(phospholipid, PL)單分子層和油體表面蛋白構(gòu)成，內(nèi)部則是充滿三酰甘油的液態(tài)基質(zhì)[8](圖1)。油體蛋白賦予油體良好的穩(wěn)定性，保持油體在胞質(zhì)溶液中的空間位阻以抵御干旱、低溫等不利條件的影響[4,9]。

1 油體蛋白及其他油體表面蛋白

目前，依據(jù)蛋白結(jié)構(gòu)特點，人們將油體表面蛋白主要分為3類：油體蛋白、油體鈣蛋白(caleosin)和油體固醇蛋白(steroleosin)[5,6,8]。油體蛋白是油體中所特有且含量最為豐富的疏水性結(jié)構(gòu)蛋白，分子量大小在15～30 kDa之間；油體鈣蛋白是一種含有Ca2+結(jié)合位點和EF手性序列的油體蛋白；油體固醇蛋白具有羥基固醇脫氫酶(hydroxysteroid dehydrogenase)活性，屬于短鏈固醇脫氫酶還原酶家族(steroid dehydrogenase reductase)，參與多種與固醇相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[10～13]。

圖1 植物油體結(jié)構(gòu)

植物油體外層是磷脂單分子層，內(nèi)部是三酰甘油。油體蛋白、油體鈣蛋白和油體固醇蛋白鑲嵌在油體磷脂單分子層表面。綠色表示油體蛋白，紫色表示油體鈣蛋白，藍(lán)色表示油體固醇蛋白，紅色曲線表示磷脂單分子層。根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]修改繪制。

1.1 油體蛋白

植物種子中油體蛋白最早是由Huang等[2]首次發(fā)現(xiàn)。隨著研究技術(shù)的不斷發(fā)展，Huang等[8]研究證明自然界中從綠藻到高等植物中均含有油體蛋白，且存在不同的進(jìn)化譜系(P、U、SL、SH、T和M)。綠藻、蕨類植物中的原始型油體蛋白(P)已經(jīng)具備油體蛋白的主要結(jié)構(gòu)特征——N端和C端結(jié)構(gòu)域以及疏水性中心結(jié)構(gòu)域；普遍型油體蛋白(U)，其普遍存在于苔蘚、蕨類和高等植物；單子葉植物和雙子葉植物中普遍型油體蛋白進(jìn)化出不同分支包括低分子量油體蛋白(SL)、高分子量油體蛋白(SH)，十字花科的絨氈層油體蛋白(T)和樟科的果皮油體蛋白(M)[14](圖2)。

在植物幾百萬年的演化中，盡管油體蛋白逐漸在功能上表現(xiàn)出差異，但仍具有相似的編碼序列和明顯的結(jié)構(gòu)特征。目前，擬南芥()油體蛋白基因家族研究最為深入。Shimada等[7]鑒定出16種油體蛋白，包括5種種子型油體蛋白、8種花藥型油體蛋白和3種種子兼花藥型油體蛋白。在水稻()中，油體蛋白相關(guān)編碼基因有6個，依次為、、、、和[15,16]。除此之外，還有大豆()[17,18]、油菜()[19,20]、油桐()[21～23]、花生()[24]等被相繼報道(表1)。

1.2 油體鈣蛋白及油體固醇蛋白

油體鈣蛋白是一種能結(jié)合Ca2+的油體表面結(jié)構(gòu)蛋白，Chen等[10]和Lin等[33]最先在芝麻()種子中純化到油體鈣蛋白(Sop1)。依據(jù)蛋白分子量大小，擬南芥油體鈣蛋白家族被分為兩大類，其中AtCLO1、AtCLO2、AtCLO3、AtCLO8屬于H型，AtCLO4、AtCLO5、AtCLO6、AtCLO7屬于L型[34]。Shen等[34]利用生物信息學(xué)方法對擬南芥基因組中油體鈣蛋白基因家族潛在功能進(jìn)行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)油體鈣蛋白在參與植物Ca2+信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及脂質(zhì)積累中可能發(fā)揮重要作用。擬南芥在種子發(fā)育過程中表達(dá)量相對較高，同時其表達(dá)又不受外源脫落酸(abscisic, ABA)或營養(yǎng)組織中滲透壓變化的影響，表明對種子發(fā)育具有特殊意義[35]。Poxleitner等[36]研究發(fā)現(xiàn)擬南芥突變體種子中的液泡形態(tài)不規(guī)則，脂質(zhì)含量下降，表明油體鈣蛋白可能通過參與油體與液泡間相互作用影響種子萌發(fā)過程中植物對油體的分解和利用。酵母中異源表達(dá)顯著影響油體中脂質(zhì)積累，造成油體形態(tài)結(jié)構(gòu)異常，該方法也為從微生物到植物的生物技術(shù)開發(fā)帶來新的應(yīng)用前景[37]。

圖2 植物油體蛋白譜系演化圖

從左至右依次為原始型油體蛋白(P)、普遍型油體蛋白(U)、低分子量油體蛋白(SL)、高分子量油體蛋白(SH)、絨氈層油體蛋白(T)和果皮油體蛋白(M)。實線表示P、U、SL和SH型油體蛋白演化時間跨度。虛線表示T和M型油體蛋白起源暫不清楚。根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]修改繪制。

表1 不同植物中油體蛋白功能

續(xù)表

At：擬南芥；Os：水稻；Gm：大豆；Bna：油菜；Vf：油桐；Ah：花生。

芝麻種子中Sop2和Sop3是人們最早鑒定到的植物油體固醇蛋白[33]。之后，D'Andréa等[11]在擬南芥中發(fā)現(xiàn)Sop2的同源蛋白AtHSD1，該蛋白具有羥基固醇脫氫酶的催化活性。在幼苗地上部分，尤其是維管組織中表達(dá)量較高，在根中表達(dá)量相對較弱[38]。上游啟動子區(qū)域還含有轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子LEC2和FUS3的識別位點，可誘導(dǎo)編碼油體蛋白、油體鈣蛋白和某些關(guān)鍵酶基因表達(dá)[39,40]。Zhang等[41]研究表明水稻油體固醇蛋白基因功能缺失導(dǎo)致葉片表面蠟質(zhì)層發(fā)生變化，以及葉片中可溶性脂肪酸積累。值得一提的是，油體鈣蛋白和油體固醇蛋白均具有催化酶促反應(yīng)的活性。例如，油體鈣蛋白具有過氧化物酶的活性，能夠?qū)ⅵ?亞麻酸的氫過氧化物轉(zhuǎn)化為各種植物抗毒素的氧化脂質(zhì)[42～44]。油體固醇蛋白則是屬于羥基固醇脫氫酶家族中的一員，通過催化油菜素內(nèi)酯(brassinosteroid, BR)合成途徑的前體物質(zhì)—菜油固醇(campesterol)，間接參與BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[11,33,41,45]。

2 油體蛋白序列與結(jié)構(gòu)特征

2.1 油體蛋白序列特征

1987年，Vance和Huang等[46]運用雜交選擇翻譯分析技術(shù)從玉米種子中首次成功分離克隆油體蛋白(L3)編碼序列。之后，隨著研究人員不斷探索，油體蛋白以多種蛋白異構(gòu)體的形式在大豆[17,18]、油菜[19,20]、水稻[32]、擬南芥[25]、玉米()[47]、向日葵()[48]、花生[24,49]、油桐[21]、紅花()[50,51]、谷子()[52]等植物中被陸續(xù)分離鑒定。油體蛋白基因家族編碼氨基酸序列在疏水性中心結(jié)構(gòu)域中均普遍存在高度保守的脯氨酸節(jié)(proline knot)—— PX5SPX3P，其中X5和X3表示分子量較大的非極性殘基，該結(jié)構(gòu)在油體蛋白靶向錨定油體過程中發(fā)揮重要作用[8,15]。

2.2 油體蛋白結(jié)構(gòu)特征

油體蛋白二級結(jié)構(gòu)組成大致分為3部分，分別是N端結(jié)構(gòu)域、疏水性中心結(jié)構(gòu)域和C端α-螺旋結(jié)構(gòu)域[4](圖3)。C端結(jié)構(gòu)域和N端結(jié)構(gòu)域位于疏水性中心結(jié)構(gòu)域的左右兩側(cè)，而疏水性中心結(jié)構(gòu)域嵌入油體內(nèi)部。該結(jié)構(gòu)域由反向平行β鏈構(gòu)成，再由編碼脯氨酸序列節(jié)相連接，其主要負(fù)責(zé)油體定位[5]。油體蛋白主要鑲嵌于油體磷脂單分子層，為油體發(fā)揮生物學(xué)功能提供盡可能大的表面積，促進(jìn)油體表面脂肪酶、蛋白酶、磷脂酶結(jié)合和脂肪分解[6]。

與油體蛋白相比，油體鈣蛋白則具有更大且包含Ca2+結(jié)合序列和EF手性序列的N端結(jié)構(gòu)域，C端結(jié)構(gòu)域內(nèi)存在潛在的磷酸化位點[34]。EF手性序列意味著油體鈣蛋白與其他含有EF手性序列的蛋白可能存在相互作用共同參與調(diào)控脂質(zhì)代謝[42]。此外，油體鈣蛋白N端和C端結(jié)構(gòu)域還包含保守組氨酸序列的血紅素結(jié)合位點，促進(jìn)血紅素輔基的結(jié)合[6,42]。相較于前兩者，油體固醇蛋白僅具有兩個結(jié)構(gòu)域，一是含有編碼脯氨酸序列的疏水性N端結(jié)構(gòu)域，其被認(rèn)為主要負(fù)責(zé)連接油體表面錨定位點；二是可溶性固醇結(jié)合脫氫酶/還原酶C端結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域主要由NADPH結(jié)合亞結(jié)構(gòu)域、NSYK(Asn–Ser–Tyr– Lys)結(jié)合位點和固醇結(jié)合亞結(jié)構(gòu)域組合而成[11,33,42]。

圖3 植物油體蛋白二級結(jié)構(gòu)示意圖

從左至右依次是油體蛋白、油體鈣蛋白、油體固醇蛋白。C表示C端結(jié)構(gòu)域、N表示N端結(jié)構(gòu)域。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5,6]修改繪制。

3 油體蛋白生物學(xué)功能

油體蛋白對油體功能完整性具有非常關(guān)鍵作用，例如在種子萌發(fā)階段，激活油體表面相關(guān)酶類促進(jìn)脂質(zhì)代謝和植物生長[53]。深入了解油體蛋白的組成、靶向、組裝和調(diào)節(jié)機(jī)制，對人們更好地研究其生物學(xué)功能至關(guān)重要。迄今為止，油體蛋白在油料作物(大豆、芝麻、油菜等)、樹木(油桐、可可、柑橘等)以及擬南芥、水稻等不同植物中相繼被報道[54,55]。

3.1 油體蛋白影響油體大小與穩(wěn)定性

油體蛋白通過在油體表面產(chǎn)生負(fù)電荷維持油體相對穩(wěn)定，防止油體由于空間位阻和電荷排斥發(fā)生聚結(jié)[4]。近幾年，對擬南芥和水稻中油體蛋白一系列研究結(jié)果表明，油體蛋白在維持油體穩(wěn)定性及形態(tài)結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮重要作用[56～58]。例如，擬南芥種子中含量最多的油體蛋白是OLE1、其次為OLE2、OLE3、OLE4等[9]。Miquel等[56]利用基因編輯技術(shù)構(gòu)建突變體材料研究油體蛋白在擬南芥種子發(fā)育過程中的潛在功能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)突變體種子細(xì)胞發(fā)育異常且油體形態(tài)變大。上述變化也導(dǎo)致油體周圍細(xì)胞器受損，脂質(zhì)和蛋白質(zhì)積累、種子發(fā)育遲緩，表明油體蛋白在參與維持油體結(jié)構(gòu)和脂質(zhì)正常代謝期間發(fā)揮特殊作用[56]。Wu等[57]發(fā)現(xiàn)水稻RNA干擾株系種子中油體呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)、一些油體體積變大；水稻RNA干擾株系種子中油體與野生型相比大小相當(dāng)或略大；在水稻和雙RNA干擾株系種子細(xì)胞中油體呈現(xiàn)明顯的不規(guī)則形態(tài)、體積變大的表型。隨后Wu等[57]分析表明和RNA干擾株系種子中TAG含量也分別下降至60%和80%，油體中TAG含量相較于野生型則分別下降55%和20%。Wu等[57]分析造成和雙RNA干擾株系種子中TAG含量顯著變化可能原因是由于種子中大量的油體不足以被有限的油體蛋白覆蓋，導(dǎo)致細(xì)胞中無法形成穩(wěn)定的油體結(jié)構(gòu)，加速種子中TAG的流失。

為了探究水稻種子中油體蛋白基因差異表達(dá)是否影響油體積累，Liu等[59]將編碼大豆油體蛋白基因和在水稻異源表達(dá)。結(jié)果相較于野生型，過表達(dá)水稻種子中磷脂含量分別增加36.93%和46.06%，但脂肪酸含量保持不變，同時種子中油體數(shù)量增加，質(zhì)量下降，意味著脂質(zhì)含量增加伴隨著種子中油體蛋白含量下降[59]。除此之外，不同品質(zhì)玉米種子中油體形狀、大小間差異相對較大，油體與油體蛋白間比例越高，油體越大，呈球形，油體與油體蛋白間比例越低，油體越小，呈不規(guī)則狀[53]。Lee等[60]在玉米自交系中發(fā)現(xiàn)存在3種不同大小的油體蛋白異構(gòu)體，即ZmOLE16、ZmOLE17和ZmOLE18，其中ZmOLE17和ZmOLE18是屬于高分子量油體蛋白異構(gòu)體，而ZmOLE16則是低分子量油體蛋白異構(gòu)體。

眾所周知，我國已成為世界上最大的食用植物油進(jìn)口國，大豆、油菜、花生等油料作物是重要的食用植物油來源[61]。通過維持油料作物中油體穩(wěn)定對間接提高種子油脂含量具有重要的現(xiàn)實意義。Zhang等[18]發(fā)現(xiàn)大豆油體蛋白編碼基因與種子油脂含量呈正相關(guān)。主要在種子成熟過程中表達(dá)量較高，過表達(dá)顯著影響油體大小，并使種子中油脂含量增加10.6%[18]。Chen等[19]將編碼油菜油體蛋白基因在擬南芥中異源表達(dá)，過表達(dá)材料種子中油脂含量和油體大小存在不同程度的增加。Chen等[19]進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)基因材料種子中油脂成分變化，結(jié)果表明亞油酸含量增加，花生酸含量下降，另外千粒重、種子大小等農(nóng)藝性狀均有顯著提高。Parthibane等[62]從成熟花生子葉的微粒體膜中分離出一種具有催化活性的14 S蛋白復(fù)合物，該復(fù)合物能使甘油?；蓡熙８视?，花生AhOLE3蛋白作為14 S復(fù)合物的組成部分在此過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。Parthibane等[62]在酵母中異源表達(dá)進(jìn)行功能驗證，發(fā)現(xiàn)該油體蛋白具有單酰甘油轉(zhuǎn)移酶和磷脂酶的雙重催化活性，造成二酰甘油和三酰甘油積累，磷脂含量下降，上述結(jié)果為人們研究花生參與種子油體生物合成提供新的證據(jù)。

3.2 油體蛋白在油體形成和降解機(jī)制中作用

現(xiàn)階段，有關(guān)油體形成過程并不完全明了。一方面，油體形成分子機(jī)制還尚不清楚，而目前被人們普遍接受的一種觀點是植物油體合成過程中，油體蛋白首先會被整合至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，然后再被靶向轉(zhuǎn)移至油體表面，從而促進(jìn)油體間相互融合[63,64]。Wu等[32]在水稻種子油體中發(fā)現(xiàn)兩種油體蛋白異構(gòu)體OsOLE3和OsOLE5在水稻成熟胚和糊粉層中所占比例相似，盡管成熟胚中大部分油體能夠自由流動，但糊粉層中油體在幼苗階段卻能夠保持不變。Schmidt等[65]研究證實大豆油體蛋白功能缺失造成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與油體結(jié)合形成直徑約50 nm的微油體。微油體與油體結(jié)合形成油體–內(nèi)質(zhì)網(wǎng)復(fù)合體破壞周圍細(xì)胞結(jié)構(gòu)，同時為油體蛋白作為油體表面活性劑發(fā)揮相應(yīng)功能提供重要理論基礎(chǔ)[65]。

另一方面，植物細(xì)胞內(nèi)絕大多數(shù)蛋白降解主要通過蛋白質(zhì)泛素化修飾，最終被蛋白酶體消化降解[66,67]。油體蛋白泛素化降解機(jī)制最早是在芝麻幼苗中被報道[68]。Hsiao等[68]通過利用質(zhì)譜技術(shù)及相應(yīng)泛素化抗體共同檢測植物中泛素化油體蛋白，最終揭示了種子萌發(fā)過程中油體蛋白泛素化降解生物學(xué)過程，并確定附著在油體蛋白表面上與泛素化相關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域。然而，是否仍存在其他重要組分與油體蛋白共同參與油體蛋白泛素化降解過程，也是人們研究的重點。2018年，法國巴黎農(nóng)業(yè)研究所和德國哥廷根大學(xué)的兩組科研團(tuán)隊共同在擬南芥中發(fā)現(xiàn)一種新的UBX蛋白家族成員——PUX10[69,70]。Kretzschmar等[69]首先通過分析蛋白組學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)PUX10在擬南芥中的功能非常保守，在擬南芥的胚、花粉管和幼苗中均有表達(dá)，隨后在突變體中，PUX10蛋白功能缺失則嚴(yán)重影響油體蛋白泛素化降解過程并阻止油體表面泛素化油體蛋白的釋放。Deruy-ffelaere等[70]在上述研究基礎(chǔ)上又進(jìn)一步利用酵母雙雜交(Y2H)、酵母三雜交(Y3H)以及熒光素酶互補(bǔ)實驗(BiFC)結(jié)果共同證明PUX10與泛素化蛋白以及CDC48A存在互作關(guān)系，植物中PUX10作為靶蛋白通過招募CDC48A泛素化降解油體蛋白，表明PUX10和CDC48A是油體蛋白泛素化降解機(jī)制的重要響應(yīng)元件。不僅如此，Deruyffelaere等[70]還發(fā)現(xiàn)擬南芥油體蛋白 OLE1、OLE2、OLE3、OLE4、OLE5積極參與泛素–蛋白酶體降解途徑。

3.3 油體蛋白參與調(diào)控脂質(zhì)代謝

植物中脂肪酸(fatty acid, FA)是膜脂和三酰甘油的重要組成成分[71]。迄今為止，高等植物脂質(zhì)合成大致分為兩條平行途徑，一是涉及質(zhì)體的原核途徑，二是涉及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、質(zhì)體的真核途徑，兩種途徑均起始于被3-磷酸甘油(glycerol-3-phosphate, G3P)?；傻牧字?(phosphatidic acid, PA)[71,72]。植物利用原核途徑中PA磷酸水解酶催化PA去磷酸化反應(yīng)生成光合作用質(zhì)膜組裝前體物——二酰甘油(diacylglycerol, DAG)[73]。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)從頭合成途徑中通過G3P?；傻腄AG絕大多數(shù)被用于合成膜脂，如磷脂酰膽堿(phosphatidylcholine, PC)和磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine, PE)[74,75]。在種子發(fā)育過程中，PC是DAG的主要來源，通過二酰基甘油酰基轉(zhuǎn)移酶(diacylglycerol:acyl-CoA acyl-trans-ferase, DGAT) 和磷脂二?；视王；D(zhuǎn)移酶(phospholipid:diacylglycerol acyltransferase, PDAT) 催化?；o酶A合成TAG[76]。

Winichayakul等[77]將Cys-oleosin和DGAT1編碼基因在擬南芥中共表達(dá)，結(jié)果使得葉片單位面積CO2同化效率提高24%，葉片生物量增加50%，在成熟葉、衰老葉和根中脂肪酸含量分別增加大約2倍、3倍和5倍，表明cysteine-oleosin和DGAT1兩者能共同提高葉片中脂肪酸含量并使葉片生物量大幅增加。在解析油體蛋白脂肪酸含量變化方面，Miquel等[56]利用熒光染料，觀察擬南芥胚細(xì)胞中油體蛋白OLE1、OLE2、OLE4在不同發(fā)育時期的的動態(tài)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)突變體中油體大小和空間分布發(fā)生顯著變化，進(jìn)而影響細(xì)胞脂質(zhì)含量。DGAT1和PDAT1在擬南芥種子和花粉發(fā)育過程中具有催化合成TAG的雙重作用[76]。Fan等[73]在擬南芥中過量表達(dá)能顯著提高植物葉片中TAG含量，并促進(jìn)脂肪酸生物合成進(jìn)而提高脂肪酸向油脂的轉(zhuǎn)化效率。然而，大豆油體蛋白參與調(diào)控脂質(zhì)代謝研究進(jìn)展則相對滯后，齊家興等[78]利用生物信息學(xué)方法對大豆油體蛋白基因家族進(jìn)行測序分析，結(jié)果表明大豆油體蛋白基因家族主要分布于大豆8條染色體上，共計12個成員，～，其中、、和具有改變大豆種子中油脂組分含量的潛在功能。

3.4 油體蛋白在種子成熟及萌發(fā)階段作用

正常條件下，植物油體表面被油體蛋白所包圍[8]。Shimada等[9]研究發(fā)現(xiàn)油體蛋白在保護(hù)油體免受低溫脅迫引起的細(xì)胞損傷方面發(fā)揮重要作用。擬南芥雙突變體種子中油體蛋白含量顯著下降且油體形態(tài)異常，種子發(fā)芽率與油體蛋白水平呈正相關(guān)，表明擬南芥種子發(fā)育缺陷可能與油體蛋白缺乏導(dǎo)致油體膨脹有關(guān)[9]。Shimada等[9]外源施加低溫處理后加速擬南芥突變體種子中油體間相互融合并造成體內(nèi)核定位信號異常影響種子萌發(fā)，表明油體蛋白通過阻止油體間異常融合增強(qiáng)種子抗逆性。ABA在種子萌發(fā)、成熟，響應(yīng)干旱脅迫和打破種子休眠等方面具有重要作用[27]。Kim等[16]在水稻成熟種子的胚和糊粉層中發(fā)現(xiàn)高度表達(dá)并積極響應(yīng)ABA信號，功能分析實驗表明啟動子區(qū)域多拷貝序列是水稻響應(yīng)ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的潛在位點。Kim等[16]對不同基因啟動子中ABA響應(yīng)元件相關(guān)序列進(jìn)行分析，結(jié)果顯示水稻基因的啟動子部分順式作用元件與ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑相關(guān)聯(lián)。

除擬南芥、水稻等傳統(tǒng)模式植物，油體蛋白在大豆、花生、紅花、油桐等油料作物和經(jīng)濟(jì)作物的種子萌發(fā)中所發(fā)揮的潛在功能也被陸續(xù)報道。郭新亞等[17]對基因功能進(jìn)行研究，分析在種子成熟中的調(diào)控作用以及對非生物脅迫響應(yīng)機(jī)制。在種子中高度表達(dá)，過量表達(dá)導(dǎo)致擬南芥種子中蛋白含量增加25%，可溶性糖下降10%，油脂下降10%，同時過表達(dá)使得擬南芥種子在–20℃處理后萌發(fā)率仍達(dá)到正常水平的75%，是相同處理下野生型的兩倍[17]。郭新亞等[17]將過表達(dá)擬南芥種子生長在含0.5 μmol/L ABA培養(yǎng)基上3天后檢測發(fā)現(xiàn)表達(dá)量顯著升高。徐赫等[24]從花生中克隆得到3個基因，分別命名為、、。在花生中的表達(dá)模式顯示在花生種子中表達(dá)量最高[24]。紅花油體相較于大豆、向日葵、芝麻等植物油體，色澤潔白、大小均一、分布均勻，適用于多種工業(yè)產(chǎn)品制備和生產(chǎn)，應(yīng)用開發(fā)前景廣闊[79]。Lu等[50]從紅花基因組數(shù)據(jù)庫中檢索并預(yù)測8個編碼油體蛋白基因序列，分析在不同組織中表達(dá)特異性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該基因在植物開花和種子成熟期間表達(dá)量逐漸增加并達(dá)到最大值。為了探究在植物生長發(fā)育過程中所發(fā)揮的生物學(xué)功能，Lu等[50]借助農(nóng)桿菌遺傳轉(zhuǎn)化體系將導(dǎo)入擬南芥中異源表達(dá)，結(jié)果表明與野生型相比，轉(zhuǎn)基因材料具有更長的角果；除外，過表達(dá)可提高種子萌發(fā)率及油脂含量。油桐是重要的工業(yè)油料樹種，干種仁含油率達(dá)60%～70%，是最好的干性油之一，用途廣泛，是環(huán)保型新型化工產(chǎn)品原材料[80,81]。吳慶珂等[21]通過構(gòu)建油桐EST文庫，測序獲得5個編碼油桐油體蛋白的轉(zhuǎn)錄本～，利用熒光定量PCR分析5個轉(zhuǎn)錄本在不同組織以及種仁成熟過程中表達(dá)情況，結(jié)果表明～在油桐成熟種子中特異性表達(dá)，該結(jié)果為進(jìn)一步研究生物學(xué)功能提供重要參考。

4 油體蛋白的應(yīng)用價值

近年來，基于油體潛在應(yīng)用價值，作為油體表面重要組成的油體蛋白自然受到不同研究鄰域科研人員的青睞。利用油體蛋白生產(chǎn)外源蛋白相關(guān)應(yīng)用主要包括3個方面：(1)作物品質(zhì)改良。人們利用油體蛋白的功能特性，通過外源融合技術(shù)合成具有較高營養(yǎng)價值的油體蛋白，改善種子營養(yǎng)成分，提高油料作物種子食用和飼用品質(zhì)，如利用該技術(shù)成功表達(dá)具有生物活性的魚生長激素[82]；(2)醫(yī)學(xué)診療。人們在外源蛋白與油體蛋白間加上合適的蛋白酶酶切位點，對外源蛋白進(jìn)行生產(chǎn)回收[82]。Vargo等[83]把油體蛋白用作藥物膠束上的載體蛋白，藥物膠束則可以將油體蛋白C端與細(xì)胞受體相連接，進(jìn)而把攜帶藥物靶向特定的人體細(xì)胞。在膠束生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，相關(guān)企業(yè)根據(jù)油體蛋白及其蛋白異構(gòu)體的不同特性，生產(chǎn)具有不同功能用途的膠束，同時膠束大小和表面性質(zhì)取決于油體蛋白的結(jié)構(gòu)、濃度及作用介質(zhì)，提高藥物治療效果[8]。此外，油體蛋白藥物膠束還可被用作超聲波影像治療診斷的對比增強(qiáng)劑，用于輔助臨床診斷和后期藥物治療[83,84]；(3)工業(yè)生產(chǎn)。盡管酵母等微生物已被大量用于生產(chǎn)藥用和其他高附加值蛋白產(chǎn)品，但仍存在一定的局限性，如缺乏適當(dāng)?shù)奶腔?、乙酰化修飾等[8]。人們開發(fā)利用轉(zhuǎn)基因植物材料作為新型植物生物反應(yīng)裝置生產(chǎn)高附加值融合蛋白，既提高了蛋白純化效率，又能夠降低相關(guān)生產(chǎn)成本[85,86]。油體蛋白–油體融合技術(shù)(oleosin-oilbody technology)利用基因工程方法將高價值外源蛋白與植物種子油體表面的油體蛋白N端或C端相連后靶向轉(zhuǎn)移至油體，融合后油體蛋白疏水性中心結(jié)構(gòu)域嵌入三酰甘油液態(tài)基質(zhì)，而與外源蛋白相融合的N端或C端暴露在油體表面，后期人們利用蛋白酶對外源蛋白與油體蛋白連接肽鏈進(jìn)行特異性降解，進(jìn)而將融合蛋白從懸浮油體上釋放[87]。Nykiforuk等[88]利用轉(zhuǎn)基因紅花種子作為蛋白表達(dá)體系，將外源蛋白與油體蛋白融合表達(dá)重組蛋白APOAIMilano。之后，Nykiforuk等[88]對純化后的重組蛋白APOAIMilano在體外進(jìn)行功能驗證，結(jié)果表明紅花作為重組蛋白表達(dá)體系具有高度可操作性。為滿足日益增長市場消費需求，Huang等[89]利用油體蛋白–油體融合技術(shù)在紅花種子中成功表達(dá)人體成纖維細(xì)胞生長因子10(rhFGF10)。然而，油體蛋白大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用仍處在理論階段，距離投入實際生產(chǎn)還有一段距離。當(dāng)前依然存在諸多仍未解決的問題，如油體蛋白的工業(yè)化生產(chǎn)還有待大規(guī)模實踐，油體蛋白本身存在過敏性等問題[53,90]。

5 結(jié)語與展望

自人們在植物種子中發(fā)現(xiàn)油體這類貯藏脂質(zhì)的細(xì)胞器以來，油體蛋白家族一直是油體研究的熱點和重點，其在參與維持油體大小和穩(wěn)定性、油體形成和降解、脂質(zhì)代謝、種子萌發(fā)等方面的關(guān)鍵作用已被逐步揭示，但在其他方面功能及機(jī)制卻知之甚少，如有關(guān)油體蛋白從油體表面磷脂單分子層分離機(jī)制、油體蛋白如何與其他蛋白互作共同參與調(diào)節(jié)細(xì)胞脂質(zhì)代謝、油體如何被蛋白質(zhì)識別和與其他蛋白結(jié)合機(jī)制、油體蛋白在種子萌發(fā)和幼苗生長過程中被內(nèi)源蛋白酶水解機(jī)制、不同油體蛋白在發(fā)揮功能時的區(qū)別與聯(lián)系等等[5]。

目前有關(guān)油體蛋白家族在不同植物中研究范圍在日益擴(kuò)大，但仍主要集中在相關(guān)基因家族克隆及生物學(xué)結(jié)構(gòu)功能等初步研究，且研究僅局限于已知的分子調(diào)控機(jī)制尚無進(jìn)一步研究[91]。未來研究應(yīng)借助人工智能、單細(xì)胞測序、多組學(xué)技術(shù)等方法研究油體蛋白家族的功能共性和特性，這為人們更加深入了解油體蛋白家族提供參考，也為工業(yè)化生產(chǎn)目的蛋白等生產(chǎn)應(yīng)用提供新的研究方向[92]。

隨著我國人口的不斷增長，以及人民生活水平的不斷提高，我國對食用油的消費需求也將持續(xù)增長，而國內(nèi)食用油生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展較為緩慢，兩者之間缺失存在較大缺口，且具有日益擴(kuò)大的趨勢[61]。因此，未來人們可以通過提高植物種子中油體蛋白表達(dá)量增加植物種子含油量，對提高食用油產(chǎn)量和降低生產(chǎn)成本等方面都具有重要意義[59,90]。

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Progress on the functional role of oleosin gene family in plants

Haoqiang Zhao1, Xiaofei Wang2, Shaopei Gao1

Oil bodies, also known as lipid droplets or oil droplets, are important organelles for oil storage in plant cells. The oil body is composed of a monolayer of phospholipid membrane encapsulating neutral fatty acids, and a variety of membrane proteins are embedded in the membrane, including oleosin, caleosin and steroleosin, of which oleosin accounts for 80%–90%. Oleosin plays important biological roles in various biological roles, such as affecting the size and stability of oil bodies, formation and degradation of oil bodies, lipid metabolism, and seed maturation and germination. In this review, we summarize the sequence and structural characteristics of oleosin and its important role in plant growth and development based on the research progress of plant oleosin gene families at home and abroad in recent years. Additionally, we discuss the application of oleosin in actual production and problems in the research and application, in order to provide a useful reference for people to further study the functions of oleosin-related molecules and their application in production practice.

oil body; oleosin; oil body stability; lipid metabolism; lipid synthesis

2022-05-07;

2022-08-11;

2022-09-02

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(編號：31901599)，國家重點研發(fā)計劃項目(編號：2019YFD1001300，2019YFD1001301)和上海市綠化和市容管理局項目(編號：G212402)資助[Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 31901599), the National Key R&D Program of China (Nos. 2019YFD1001300, 2019YFD1001301), and the Shanghai Municipal Afforestation & City Appearance and Environmental Sanitation Administration (No. G212402)]

趙浩強(qiáng)，在讀博士研究生，專業(yè)方向：作物遺傳育種。E-mail：2424002912@qq.com

高少培，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：植物分子育種。E-mail：spgao@cau.edu.cn

10.16288/j.yczz.22-149

(責(zé)任編委: 孔凡江)