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Plant Cell:重大进展!高油油菜育种瓶颈有望突破!

油菜(Brassica napus)是一种重要的温带油料作物,如何有效提高种子脂肪含量是油菜等油料作物育种的主要目标。在油菜种子中,脂肪含量可达种子干物质的一半以上,脂质积累的过程通常也伴随着大量贮藏蛋白的积累。而在种子发育过程中,甘油脂类和贮藏蛋白这两条合成通路存在复杂的相互影响,已有研究表明蛋白质和脂肪含量存在此消彼长的关系。因此人们提出通过抑制贮藏蛋白的合成来增加脂质合成,从而提高种子产油量的设想。但多年的努力后,仍然鲜有成功案例,其背后的根本原因尚不明确。

今年4月份,德国莱布尼茨大学植物基因与作物研究所在《Plant Cell》(IF= 8.631)杂志上在线发表了题为“Cellular Plasticity in Response to Suppression of Storage Proteins in the Brassica napus Embryo”的研究论文。作者通过转录组测序、蛋白质组、脂质组、靶向代谢等多种组学技术,共同揭示了通过抑制贮藏蛋白积累来提高种子产油量这一策略难以成功的原因。



No.1

研究材料


开花后35天的RANi转基因株系580和野生型WTS株系581的种胚


No.2

技术方法


脂质组、转录组、蛋白质组、靶向代谢


No.3

研究路线




No.4

研究结果




构建RNAi转基因材料以及种子形态变化观察




cruciferin和napin是油菜种子中丰度最高的蛋白,分别占种子总蛋白质含量的60%和20%,约占种子干质量的四分之一。作者构建了cruciferin和napin基因的RNAi干扰材料,结果发现RNAi株系种子中总蛋白和总脂质含量均显著降低,纤维素含量增加,从而使得总碳含量未发生变化。

此外,作者通过MRI观察种子内部结构的变化,发现其中最显著的亚细胞组织变化是整个贮藏薄壁组织细胞中明显出现质膜堆叠现象。除此之外,RNAi株系种子的子叶形状不规则,内部空腔增多、种胚体积显著减小,纤维素成分的增加使得种皮体积增大,意味着种皮占据了更大比例的种子空间。种胚和种皮的比例降低从而导致种子成分发生变化。




脂质组绝对定量刻画表型:检测RNAi株系和WTS种胚




油菜的种胚是积累贮藏蛋白和油脂的主要部位,作者通过脂质组绝对定量技术,检测了种胚的脂质组成和含量的变化。结果显示,随着napin和cruciferin蛋白的降低,RNAi株系的PC(卵磷脂)、TAG(甘油三酯)、PE(磷脂酰乙醇胺)和PI(磷脂酰肌醇)等四类脂质的不饱和程度均显著增加,多不饱和脂肪酸丰度均升高,而TAG含量降低。在植物中,PC既是膜的结构组成成分,又是合成TAGs的重要前体物质。这暗示了种胚细胞中的质膜堆叠现象与脂质组成的变化有关系




机制挖掘1:转录组和蛋白质组挖掘调控机制




转录组分析发现,相较于对照组,在RNAi株系中贮藏蛋白编码基因显著下调,而脂质合成、转运、贮藏相关蛋白的编码基因上调;蛋白质组学分析结果发现,能量代谢、氨基酸合成相关蛋白下调,脂质合成、贮藏相关蛋白上调;在上调表达的蛋白中,差异最显著的是油质蛋白、生物素羧基载体蛋白2和质体丙酮酸激酶,这些都参与脂肪酸的合成或者脂质的储存。以上结果也进一步解释了种胚中脂质组分发生改变的原因




机制挖掘2:靶向代谢技术解析蛋白和脂质合成过程中的代谢流向及碳源平衡重构




为了探索RNAi株系种子中主要代谢物流向,以解析蛋白合成及脂质合成之间的碳源调配,在RNAi材料和对照组种子中,作者通过靶向代谢的方法分析了79种游离代谢物的差异。结果表明,与对照组相比,RNAi种子中多种氨基酸、有机酸含量显著升高,且 RNAi材料种子中的氨基酸和多胺总量达到对照材料的2倍。

基于这些游离代谢物含量的变化,作者猜测RNAi种子中蛋白质和脂质合成过程均受到了阻碍,导致氨基酸等代谢物原料停留在游离状态而不是被进一步利用。为了验证这一猜测,研究者分析了30 DAF RNAi株系的种胚,结果表明,相比较对照组,蛋白质水平降低0.75倍,而游离代谢物则高出1.8倍。谷氨酰胺和半胱氨酸的使用量分别比WTS少52%和31%。以上的结果与转录组、蛋白组中的结果一致。




模型建立




综上,作者建立了转基因RNAi植株影响油菜种胚的模型。在目前的油菜RNAi转基因植株中,过量的油质蛋白和卵磷脂诱导形成大的、含油质蛋白的质膜叠堆。这些堆叠的质膜取代了正常的液泡,并且不能贮藏脂质。因此即使抑制贮藏蛋白积累,也不能提高种子产油量。种子结构的可塑性使得种皮和种胚发生显著变化,但维持了种子活力和生长所需的环境内稳态。




结论




本研究通过转录组学、蛋白质组学、靶向代谢组学、脂质组学等多组学手段,揭示了油料作物蛋白质贮藏与油脂贮藏之间的平衡机制。虽然在RNAi转基因株系中,种子的形态只发生了适度的改变,但是种胚却经历了显著的结构重组。种子中细胞的可塑性可以保护其储存能力不受干扰,从而有助于维持内环境稳定。这项研究为脂质和蛋白储存之间的联系提供了机制上的见解,对改善油料作物的生物技术战略具有重要指导意义。

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