花生甘油-3-磷酸酰基转移酶AhGPATα参与油脂合成的功能研究

Triacylglycerols (TAGs) are major storage lipids that accumulate in developing seeds of oil crops. In the plant lipid metabolic network, sn-glycerol-3-phosphate acyltransferase (GPAT) is a critical enzyme that catalyzes the first step of TAG formation. However, the molecular mechanism of plant GPAT in the lipid biosynthesis is largely unknown. Based on the diploid wild-type PeanutBase data, we have performed bioinformatics analysis for AhGPATs family, and built the transcriptome libraries of seeds and seedlings in cultivar Tifrunner. In this project, we will perform the classification and evolution analyses of GPATs between peanut, soybean and Arabidopsis, and the relative expression analysis of AhGPATs in various tissues and organs, thereby exploring the AhGPATα involved in peatnut TAG biosynthesis. Furthermore, the transcriptional pattern, subcellular localization and enzymatic dynamics of AhGPATα will be explored by diverse plasmid constructs and GUS/GFP expression, and functional determination of AhGPATα both in plant and in cellular levels, will be disclosed by genetic complementation tests in Arabidopsis transgenic lines. The aim of this project is to ascertain the molecular mechanism of AhGPATα in response to plant lipid biosynthesis on the level of molecules, genetics, cell and physiology, and provide scientific basis and materials for the genetic improvement of high-oil content peanut varieties.

三酰甘油（TAG）是油料作物种子储存油脂的主要成分。植物脂代谢调控网络中，甘油-3-磷酸酰基转移酶（GPAT）作为催化TAG合成的第一步关键酶，其参与植物油脂合成的分子基础研究比较匮乏。本实验室通过生物信息学分析已获得了花生AhGPATs的家族信息，并构建了栽培种Tifrunner种子和营养器官的转录组文库。本项目将对花生、大豆和拟南芥GPATs家族的聚类和进化进行分析，同时通过AhGPATs在花生不同组织器官的表达量分析，筛选、鉴定参与花生TAG合成的关键酶基因AhGPATα。设计不同载体，利用GUS和GFP等，研究AhGPATα的组织表达模式、亚细胞定位以及酶活特征等，并利用拟南芥异源表达系统验证AhGPATα在植株和细胞水平上的功能。本项目从分子、遗传、细胞和生理等方面，揭示花生AhGPATα调控油脂生物合成的分子机理，为花生高油品种的遗传改良提供科学依据和基因材料。

三酰甘油（TAG）是油料作物种子储存油脂的主要成分。植物脂代谢调控网络中，甘油-3-磷酸酰基转移酶（GPATs）在甘油脂的生物合成中起重要作用，与油脂合成、花的发育及胁迫响应等行为息息相关，然而GPAT参与植物油脂合成的分子基础研究相对匮乏。本研究报道了参与花生TAG合成的关键酶基因AhGPATα，该基因是通过对花生、大豆和拟南芥GPATs家族的聚类和进化分析，结合GPATs在花生不同组织器官的表达鉴定获得。序列分析表明，AhGPATα开放阅读框为1131bp，编码376个氨基酸；生物信息学分析显示蛋白相对分子量43.53kD，等电点9.09。RT-PCR检测到其转录本主要在花生发育的种子和成熟叶片内高丰度表达。拟南芥组织表达模式研究发现，AhGPATα启动子的表达存在时空特异性，主要在幼苗中，抽薹期早期的茎、叶片、小花，以及10-12DAF角果和发育胚中检测到GUS活性。亚细胞定位结果显示，AhGPATα在细胞内膜系统表达，推测为内质网定位的功能酶。获得5个拟南芥35S组成型过表达AhGPATα的纯合株系，研究表明其抽薹时间较野生型明显延迟1-2周，种子均重和均面积也显著提高。此外，利用内标法提取种子油脂，发现过表达株系种子含油量较野生型显著提高约10-17%，对应的脂肪酸组分也发生了改变，长链脂肪酸16/18C组分增加，20/22C组分减少，表明AhGPATα参与调控植物油脂合成，在拟南芥种子发育过程中催化TAG的从头合成，这对改变种子油脂组分和品质性状具有重要作用。本研究从分子、遗传、细胞和生理等方面，揭示了花生GPAT调控油脂合成的分子机理，为花生高油品质遗传改良提供了有力科学支撑。