提高植物含油量的新目标发现——在生物能源、化学工程和营养方面的应用

拟南芥正常和甾醇缺乏

布鲁克海文国家实验室的科学家们发现了一种突变,使正常的拟南芥(左)缺乏固醇(右)。他们做了大量的遗传和生化实验,以确定甾醇在油滴形成中的重要作用。图片来源:布鲁克海文国家实验室

科学家发现甾醇是植物积累油脂所必需的

科学家们试图解开植物如何生产和积累石油的细节,他们已经确定了装配线的一个新的重要组成部分。他们发现了一种特殊的甾醇——一种与胆固醇有关的分子,它在油滴的形成中起着关键作用。

“这项研究极大地扩展了我们对控制脂滴形成的分子因素的理解,脂滴是所有真核生物储存和代谢石油的重要细胞器,”美国能源部布鲁克海文国家实验室的生物学家徐长成说。研究结果发表在自然通讯,可能提供了新的方法来工程多种植物组织的含油量。

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布鲁克海文实验室生物学家徐长成和他的团队一直在探索如何让植物在叶和茎中积累更多的油,这些丰富的营养组织可以用于生物能源应用。图片来源:布鲁克海文国家实验室

这项工作可能对提高叶和茎含油量的基因工程策略具有特别重要的意义。这些植物组织通常不积累油脂,但它们可以被改造成一种丰富的可持续油脂来源生物燃料以及其他商品,科学家说。

这些发现也适用于植物种子中油脂的积累,这是植物中油脂自然积累的主要地方。这些天然的植物油储藏库为植物胚胎和幼苗提供营养,也为动物和人类提供营养。

徐教授说:“我们发现,一种特殊类型的甾醇的缺乏会导致种子和叶子中积累的油脂减少。”

石油生产的绿灯

徐和他的团队多年来一直致力于增加植物叶和茎中的油脂积累。

“作为一种可能的生物能源材料,叶子与种子相比要丰富得多,”他指出。“此外,由于种子中的油可以用作食物,我们正在努力在植物的非种子部分(如叶和茎)积累石油和其他生物产品,以避免食物和燃料之间的竞争。”

叶子和种子中的脂滴

液滴发出绿色的光:布鲁克海文实验室的科学家们改造了拟南芥植物,使其表达绿色荧光蛋白,这种蛋白附着在油苷上,油苷是一种稳定脂滴(LDs)的蛋白质。在上面一行,在荧光显微镜下很容易在对照植株(左图)的叶片中发现这些ld,但在缺乏固醇的突变植株(右图)的叶片中看不到这些ld。低行电镜图像显示,甾醇突变体种子的LD大小增加,但LD数量减少。图片来源:布鲁克海文国家实验室

这个团队已经取得了一些进展让树叶积累大量的油这项研究使用的是常见的实验室植物拟南芥。

他们发明了一种追踪石油积累的简便方法。通过基因工程,他们创造出了一种绿色荧光蛋白总是附着在一种叫做油苷的蛋白上的拟南芥植株。Oleosin只积聚在脂滴的表面。它形成了包围细胞内储油室的膜的一部分,以帮助稳定细胞。如果植物组织的样本——叶子、茎或种子——含有脂滴,在荧光显微镜下它们就会变成绿色的小点。

“我们用诱变剂处理拟南芥,试图触发突变,增加油的积累,”徐说,使用荧光技术来识别有更多和/或更大绿点的菌株。

具有讽刺意味的是,他们在一种几乎不积累油脂的拟南芥菌株中发现了固醇。

“当前工作的主要目的是找出是哪种基因改造导致了石油积累的急剧下降,”徐说。“我们认为追踪这个基因可能会给我们提供一些在脂滴形成或积累中重要的新基因/蛋白质。”

内部组装的线索

在显微镜下,科学家们知道脂滴是在细胞的“内质网”或ER中形成的。这是细胞内部的膜网络(不是包围细胞的膜),它的作用类似于工厂——组装和包装各种材料,如蛋白质和脂质。

内质网脂滴形成

油滴的形成:油(黄色)积聚在细胞膜层之间,形成内质网(ER)——植物细胞胞质内的一种膜网。液滴生长并最终收缩,悬浮在细胞质中。但这个过程只发生在沿膜富含甾醇和油酸的特定微域。布鲁克海文研究小组假设固醇是形成这些液滴微域的关键。图片来源:布鲁克海文国家实验室

当油开始在内质网两层膜之间积聚时,脂质储存滴就形成了,但只在内质网的某些区域。最终,当有足够的油存在时,小膜块就会被挤压掉,让油包裹在独立的隔间里。

正如布鲁克海文的研究表明,研究一种不积累这些脂滴的植物可以提供线索,以了解驱动这一过程的生化因素,以及发生脂滴的特定内质网域的独特之处。

瞄准基因

为了弄清楚是哪一种突变导致了石油积累的急剧下降,布鲁克海文的研究小组使用了一种被称为定位克隆的技术——一种搜索染色体每个区域的方法,以确定一个特定的基因,该基因负责一个感兴趣的特征。这项技术将搜索范围缩小到一种植物染色体的特定区域。

“这个区域仍然包含数百个候选基因,”徐说。

在使用全基因组测序来寻找该区域的任何突变后,研究小组确定了一个他们怀疑与之有关的基因。该基因编码一种酶,负责甾醇多步骤合成过程中的一个生化步骤,甾醇是一种在内质网和其他细胞膜中发现的与胆固醇有关的分子。

通过选择性地“敲除”该基因的正常(未突变)版本,科学家们能够复制突变的效果。也就是说,基因被敲除的植物不会积聚脂滴。此外,添加未突变基因恢复了油滴积累。

徐说:“这个实验提供了明确的证据,证明固醇在油滴的形成过程中起着至关重要的作用。”

但科学家们走得更远。他们还研究了在多步甾醇合成途径中,如果在这个特定酶的“上游”突变酶的基因,会发生什么。他们测量了这些突变体的固醇水平。

详细的研究使他们能够锁定特定类型的甾醇,当缺乏时,导致低油积累。

相同基因的突变导致叶子和种子中油的积累减少。在更容易看到脂滴的种子中,科学家们还对它们的形状和大小进行了定量研究。

这些结果为这种特殊的固醇在脂滴形成中的普遍作用提供了证据。

徐教授说:“我们认为这种固醇对于内质网膜微域的形成至关重要,而微域参与了脂滴的形成。”固醇的缺乏导致了这种微域形成的缺陷。

现在科学家们知道了当这些基因被关闭时会发生什么,他们认为打开这些基因并增加它们表达的策略可能是增加叶子、茎或种子中油脂积累的一种方法。

该团队将在未来的实验中探索这些策略。

参考文献:“在开发种子过程中,脂滴的协调组装需要固醇”,2021年9月22日自然通讯
DOI: 10.1038 / s41467 - 021 - 25908 - 6

这项工作是由美国能源部科学办公室(BES)资助的。

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