類黃酮對油菜脂肪酸積累的影響及其分子機制

嚴濤，玄立杰，蔣立希

（浙江大學農業與生物技術學院，杭州310058）

植物油是人類生命活動所需要的基本營養物質之一，與我們的日常生活息息相關。常用的植物油主要有大豆油、菜籽油、橄欖油、花生油、葵花籽油等，不同植物油的脂肪酸組分不同，其營養價值也不同。油菜（Brassica napus L.）作為世界上廣泛種植的油料作物，在油用作物中具有十分重要的地位。據估計，2016年我國油菜種植面積達到710萬hm2，尤其在長江流域有較大的種植面積；菜籽油作為4大食用油之一，占植物油供給總量的55%以上[1]。但與此同時，我國油菜生產面臨著種植面積不斷減小、廣適高抗強優品種缺乏等一系列問題[2]，其中最突出的問題是我國油菜籽含油量比世界上其他國家明顯偏低。我國大部分油菜主栽品種的種子含油量大約為41%，比德國、加拿大等國家的油菜籽含油量低3～5個百分點，這直接導致了我國油菜籽在植物油加工市場上競爭力不足。因此，大幅度提高我國油菜籽含油量是解決我國植物油供需不平衡、改變嚴重依賴進口現狀的突破口。

影響油菜種子含油量的因素有很多，其中在油菜種子油脂積累過程中，類黃酮是影響油菜種子含油量尤其是脂肪酸組分的重要因素。高通量轉錄組測序分析發現，涉及類黃酮及脂肪酸合成的基因表達水平在種子成熟過程中發生顯著變化，導致油菜種子中的油酸（C18:1）顯著降低，亞油酸（C18:2）和α-亞麻酸（C18:3）顯著增加[3]。這說明參與類黃酮生物合成調控的基因也會調控油菜種子脂肪酸的合成積累[3]。本文將著重介紹近年來有關類黃酮與脂肪酸含量的相關性及其分子機制的最新研究進展。

1 種子中的油脂代謝

脂類物質是細胞膜的重要組成成分，具有信號轉導、膜蛋白運輸與定位和能量貯存等生物學功能[4]。三酰甘油（triacylglycerols,TAG）是種子油脂的主要形式，與油體蛋白一起構成油滴（oilbody）；三酰甘油水解形成游離態脂肪酸，在種子細胞中不能穩定存在[5-6]。在植物細胞中，脂肪酸的合成起始于細胞質中的乙酰輔酶A（AcCoA），在乙酰輔酶A羧化酶（HtACCase）的催化作用下生成丙二酰輔酶A[7]；之后在丙二酰輔酶A轉移酶的作用下，將丙二?；D移到?；d體蛋白（acyl carrier protein,ACP）上，為脂肪酸碳鏈的延伸提供碳原子[8]，然后在脂肪酸合成酶復合體（fatty acid synthase,FAS）的作用下完成聚合反應，每次反應結束得到增加2個碳原子的?；兼?。與此同時，?；兼溣峙cACP結合，重復上述反應直至形成16:0-ACP和18:0-ACP，然后脂肪酸被運輸到內質網中進行碳鏈的延長和脫飽和，最后生成三酰甘油（TAG）[9-11]。TAG是植物體內脂肪酸的主要存在形式，彼此之間不能夠聚合存在，而是以微滴的形式穩定分散于細胞內，即為油滴（圖1）[12]。

植物體內脂肪酸的去飽和是在脫飽和酶的作用下完成的，存在于植物體內的不飽和脂肪酸主要為油酸（C18:1）、亞油酸（C18:2）和亞麻酸（C18:3）。油酸的脫飽和可以分為2部分，首先在脂肪酸去飽和酶（fatty acid desaturase,FAD）的作用下生成亞油酸（C18:2），之后繼續在FAD的作用下生成亞麻酸（C18:3）。在質體中，第1部分由FAD6催化完成，第2部分由FAD7和FAD8催化完成[13-14]。在內質網中，2部分依次由FAD2、FAD3催化完成。油菜種子中主要存在8種脂肪酸，分別為C16:0、C18:0、C18:1、C18:2、C18:3、C20:0、C20:1和C22:1[12]。

2 類黃酮的合成、調控與分布

圖1 植物成熟種胚中碳源代謝及TAG合成調控網絡[12]Fig.1 Simplified scheme of carbon metabolism leading to triacylglycerol synthesis in maturing plant embryos[12]

類黃酮作為自然界分布最廣泛的次級代謝產物之一，在植物的生長發育過程中扮演著重要角色。類黃酮可以幫助植物抵御逆境脅迫，比如：在紫外線照射下為植物提供保護，清除自由基[15-16]；提高種子貯藏能力，延長壽命[17]；改變花瓣顏色[18]；干擾生長素的極性分布[19]；影響脂肪酸的積累和組分[3]。

2.1 類黃酮的合成與調控

類黃酮可以分為黃酮醇、花青素、原花青素3部分，其合成過程[20]如圖2所示。首先，丙二酰輔酶A與肉桂酰輔酶A在查爾酮合酶（chalcone synthase,CHS）的作用下開始合成類黃酮，由于TT4（TRANSPARENT TESTA4）基因編碼CHS蛋白，因此TT4基因直接調控類黃酮合成；緊接著在TT5基因的作用下合成柚皮素（naringenin），然后在TT6和TT7的作用下合成黃酮醇?；ㄇ嗨睾驮ㄇ嗨貏t是在其他一系列TT及TTG家族基因的作用下完成的。

類黃酮的合成是在多種酶的協調配合下完成的。到目前為止，17個與類黃酮合成轉運和調控相關的蛋白已經被鑒定，包括功能蛋白（DFR，CHS，CHI，F3H，LDOX，FLS1，ANR）、調控蛋白（TT1，TT2，TT8，TT16，TTG1，TTG2）及可能與類黃酮分區相關的蛋白（TT12，TT19，AHA10）。其中TT19編碼GST蛋白，該蛋白可以影響花青素和原花青素的合成，很可能參與原花青素在細胞質中的轉運[21]。

2.2 種子中類黃酮的分布

圖2 種子類黃酮合成示意圖[20]Fig.2 diagram of flavonoid biosynthetic pathway in seed[20]

類黃酮在大多數植物種子中都存在。在擬南芥（Arabidopsis thaliana L.）種子中僅有黃酮醇與原花青素的積累，其中黃酮醇在種胚與種皮中均存在。在成熟的擬南芥種子中，槲皮素-3-O-鼠李糖苷（quercetin-3-O-rhamnoside,Q-3-O-R）是黃酮醇的主要存在形式，而種子中90%的槲皮苷積累于種皮中。槲皮苷的形成需要以鼠李糖為底物，通過糖基化的作用形成。原花青素只存在于擬南芥種皮中，為胚乳和種胚提供保護[20]。在油菜種皮中原花青素的積累與擬南芥相似，同樣積累于油菜的內種皮中，并以游離態與結合態2種形式存在[22]。

3 類黃酮對種子含油量的調控及機制

一直以來，黃籽油菜由于其高含油量和高品質獲得了育種家們的高度關注[23-24]。有研究表明，擬南芥中黃籽含油量增多并非由單純的種胚比例增多導致，其胚中脂肪酸合成效率也同樣得到提高[11]。CHEN等[25]和WANG等[26]的研究表明，TT2和TT8基因可直接或間接調控脂肪酸合成基因的功能，從而提高胚中脂肪酸的合成效率。本節將從以下幾點來綜述類黃酮影響脂肪酸含量及其組分的作用機制。

3.1 類黃酮對種子脂肪酸形成的抑制作用

由于TT4是調控類黃酮合成的第一步，因此在tt4突變體中檢測不到類黃酮的存在，這也導致tt4突變體的種子呈黃色。研究表明，擬南芥TT家族突變體均具有含油量高的特點[26]，其中tt2和tt8突變體高含油量的機制已經被初步闡明[27]。TTG1（TRANSPARENT TESTA GLABRA1）在種子發育過程中調控類黃酮的合成，包括主要存在于種皮中的原花青素；通過對ttg1突變體的研究發現，其種皮中由于原花青素含量相對較少，因而呈現相對較淺的顏色[21]。最近的研究表明，由SK11/12（SHAGGY-like kinases 11/12）介導的TTG1磷酸化會增強種胚中脂肪酸的合成，同時抑制種皮中黏液和類黃酮的合成，類黃酮通過與脂肪酸競爭合成底物進而抑制脂肪酸的合成[28]。

3.2 類黃酮缺失對種子脂肪酸的影響

Gl2是黏液合成途徑中的一個重要轉錄因子。Gl2功能缺陷會引起種子黏液缺失，從而導致gl2突變體種子含油量顯著高于野生型；同時，gl2突變體中更多的鼠李糖被轉化為葡萄糖，然后轉運至種胚中用于脂肪酸的合成[29]。槲皮素-3-O-鼠李糖苷是種子類黃酮的主要存在形式，超過90%的Q-3-O-R積累在種皮中[20]。也就是說，在種皮發育過程中需要大量的鼠李糖用于類黃酮與黏液的合成。TTG1的磷酸化會抑制TTG1與TT2的相互作用，進而下調GLABRA2的表達，最終使得種胚中脂肪酸合成降低[28]。因此，類黃酮缺失會導致種子脂肪酸含量增加。

3.3 類黃酮通過影響生長素進而調控脂肪酸積累

作為植物激素，生長素在植物的生長發育過程中具有多種作用。在植物體內，生長素的合成主要是在TAA（TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE OF ARABIDOPSIS）及YUC（YUCCA）家族酶的作用下完成的[30]。黃酮醇可以通過與生長素極性輸出抑制劑萘基酞氨酸（naphthylphthalamic acid,NPA）競爭細胞膜結合位點，進而影響生長素的極性運輸[31]。質膜極性定位的PIN（PIN-FORMED）蛋白家族在植物體內介導生長素從細胞內極性輸出。PIN家族蛋白可以與NPA相互作用，從而干擾胞內生長素的極性輸出，在經NPA處理的種胚中可以檢測到生長素含量上升[32]。在tt4突變體根部檢測到了增多的生長素運輸，同時PIN家族基因的表達量發生變化[33]。通過體外胚珠培養方法對發育中的擬南芥種子進行外施生長素或NPA處理，發現外源生長素與NPA可以促進種子含油量的升高，結合生長素可以延緩衰老的特點，推測由于類黃酮的缺失引起生長素升高，進而使種子有更多的時間和能量用于碳源的合成轉化，最后導致種子含油量的升高。因此，生長素在類黃酮對含油量的負調控過程中具有不可替代的作用[28]。

4 結語

類黃酮會抑制種子脂肪酸的積累。類黃酮的缺失引起莢果延緩衰老，使更多的碳源流入種胚中，增加的碳源刺激糖酵解途徑的發生，進而產出更多的糖酵解中間產物。這些產物可能用于類黃酮、木質素、氨基酸、脂肪酸等合成。但是，糖酵解產物并非均勻流入各個途徑中，而是更多地分配到脂肪酸合成途徑中。類黃酮作為最重要的次級代謝產物之一，通過對生長素等的調控，對種子中碳源分布進行調控和重分配，進而影響種子脂肪酸的合成與積累。在油菜育種中，我們期望能夠育成脂肪酸含量高的品種，而類黃酮的缺失一方面可以提高十字花科油籽的油脂積累，另一方面卻導致油菜抗逆性減弱[34]。因此，如何平衡類黃酮的正負功效，最大限度地發揮黃籽油菜的優勢，是油菜育種和實際生產中的重要挑戰和機遇。隨著經濟的發展，人們越來越追求植物油的品質，如何在保證含油量的同時提高植物油品質也是今后育種工作者需要解決的問題。研究表明，參與類黃酮合成的基因也會調控脂肪酸組分的積累，進而影響脂肪酸組分，當類黃酮缺失或者合成減少時，油菜種子中的油酸（C18:1）含量顯著降低，亞油酸（C18:2）和α-亞麻酸（C18:3）含量顯著增加[3]。今后如何能夠在油菜現有碳源的基礎上對碳源進行重分配，使得碳源更多地流入我們需要的營養物質中，不失為一種提高油菜種子含油量的有效途徑。

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