星油藤种子高效累积亚麻油酸(ALA)的分子机理与基因资源发掘

Sacha inchi (Plukenetia volubilis L., Euphorbiaceae) is a wild, climbing, semi-woody, perennial, oilseed plant, native to the tropical jungles of southern America in Andres mountains. Due to its wealth of seed oils rich in Alpha-Linolenic fatty acids (ALA), which is nutritionally critical to human health, Sacha inchi has created tremendous interest for the use of its seed oil as a commercial source of healthy oils. Based on our previous studies, we proposed this study focusing on 1) investigating the accumulation trends of storage lipids/fatty acids and the expression profiles of fatty acid desaturases genes and transcription factors at the different stages of developing seeds in sachi inchi; 2) conducting the functional analysis of the key gene FAD3 targeted using heterologous expression technique in yeast system gene silence technique; and 3) dissecting the moleuclar mechanism underlying FAD3 is regulated during the biosynthesis of ALA in developing seeds, using various techniques (such as yeast one-hybrid, EMSA,virus-induced gene silencing and so on; Evaluating the potential value of the targeted gene FAD3 cloned from sachi inchi when it is applied in the genetic engnieering toward improved the ALA content for other oilseed crops (such as rapeseeds or soybean). With this study, the genetic mechanism for the efficient ALA biosynthesis regulated by FAD3 in developing seeds of sachi inchi would be clarified. This study will not only address the molecular mechanism of the efficient ALA biosynthesis in sachi inchi seeds, but also provide critical gene sources to enhance the ALA content in oilseeds by genetic engineering in practice.

发掘新型油料作物、扩大油料资源供给是我国油料作物发展战略的重要途径。星油藤（Plukenetia volubilis）是多年生、木质藤本的油料种子植物。因为其种子油含50%多的亚麻油酸（Alpha-Linolenic Acid， ALA），对改变食用油品质、维护人体健康具有重要的生理功能，近年来在新型高档食用油料资源发掘中受到高度关注。本研究拟利用RNA-seq和分子操作技术，如基因过表达和病毒介导的基因沉默等，集中调查星油藤种子高效累积ALA的分子机制，着重鉴别、阐明脂肪酸关键脱饱和酶FAD3基因在种子高效累积ALA过程中的功能与调控机理，为理解星油藤种子中ALA生物合成的分子基础提供理论依据。同时，通过功能验证、异源转化星油藤FAD3基因，并评估其在不同植物种子（如拟南芥、烟草、油菜或大豆）中的应用潜力，为旨在通过分子操作技术提高我国油料作物品质的遗传改良实践提供基因源和技术平台。

我国植物油供给对原料进口的依赖度高，发掘新型油料作物、扩大油料资源供给是我国油料作物发展战略的重要途径。发掘新型油料作物、扩大油料资源供给是我国油料作物发展战略的重要途径。星油藤（Plukenetia volubilis）是多年生、木质藤本的油料种子植物。因为其种子油富含的亚麻油酸（Alpha-Linolenic Acid，ALA），增加食用油中ALA的占比对改变食用油品质、维护人体健康具有重要的生理功能，因此星油藤的开发与利用具有重要的开发前景。本研究围绕项目设计的内容，利用高通量RNA-seq和分子操作技术，集中开展了三个方面的研究：1）星油藤关键脱饱和酶 FAD3 基因的功能分析；2）解析关键脱饱和酶基因FAD3 的表达调控机理及油脂累积相关的分子机理；3）开展了关键脱饱和功能基因 FAD3 的异源表达分析与应用潜力评价。研究结果发现星油藤种子高效累积ALA的主要原因是PvFAD3在转录水平的高度表达，与PvFAD3基因的结构变异关系不明显；PvFAD3在转录水平受 PvbZIP124转录因子的调控，而且在星油藤种子油脂累积过程中，富含ALA油脂的生物合成与种子中PvDGAT3乙酰脂肪酸转移酶密切关联（即：PvDGAT3在油脂分子组装过程中对ALA具有很强的专一性）。通过调查星油藤近源种胚乳油脂累积过程中转录组和蛋白组的表达差异和油脂累积的关联分析规律分析，鉴别了多个调控油脂累积的关键靶点基因，而且发现细胞自噬可能参与了油脂的代谢过程；PvFAD3基因在油菜中的异源转化能够显著增高油菜种子油中ALA的含量，说明PvFAD3基因在油菜油脂品质改良的基因工程实践中具有重要的应用前景。这个研究不仅解析了星油藤种子高效累积ALA的分子机理，而且通过基因功能的验证和异源转化，验证了PvFAD3基因在油料作物的分子育种中具有重要的前景，有望为我国油料作物品质的遗传改良实践提供基因源。