麻疯树与蓖麻的FAD2和PDAT基因家族的进化比较

The fatty acid compositions of seed oil of oil plants differ greatly. The evolution research of key enzymes involved in lipid biosynthesis is very important for molecular engineering of oil plants. Both of Jatropha curcas L. and Ricinus communis L. belong to the family of Euphorbiaceae, but with quite different fatty acid compositions in seed oils. J.curcas oils have high content of linoleic acid (18:2, ca.44%) but less than 2% ricinoleate (18:1-OH), while R.communis oils contain about 90% ricinoleate. So, these two plants should be a good model to research the evolution of key enzymes involved in lipid biosynthesis. The formation of linoleic acid and ricinoleate are catalyzed by oleate?12-desaturase (FAD2) and its homologue, oleate?12-hydroxylase (FAH12), respectively. Meanwhile a novel Phospholipid:Diacylglycerol Acyltransferase (PDAT) was suggested to specifically transfer the ricinoleate into triaylglycerol (TAG)in R.communis. According to our recent study, J.curcas has the same gene subfamilies of FAD2 and PDAT as R.communis. This project will analyze the expression patterns and catalytic properties of J.curcas FAD2 and PDAT family genes using the methods of biochemistry and molecular biology, and their comparison to R.communis, to investigate the molecular mechanism of distinct fatty acid compositions between J.curcas oils and R.communis oils. This research will not only provide theoretical significance on evolution divergence of lipid synthesis key enzymes, but also give theoretical basis for molecular engineering in oil plants.

不同油脂植物种子油的脂肪酸组分存在很大差异，研究油脂合成关键酶基因的进化对于油脂植物的分子改良具有重要意义。麻疯树和蓖麻属于大戟科，但其种子油脂肪酸组分却存在巨大差异。麻疯树种子油亚油酸高达44%，蓖麻酸含量不到2%，而蓖麻种子油蓖麻酸含量高达90%。因此，麻疯树与蓖麻是比较研究油脂关键酶基因进化分歧很好的材料。亚油酸由FAD2催化形成，而蓖麻酸由其同源蛋白FAH12合成。同时三酰甘油中蓖麻酸组装时还有一个特殊PDAT酶参与。我们发现麻疯树具有与蓖麻相同的FAD2和PDAT基因亚家族。因此本项目拟通过生物化学和分子生物学等方法对麻疯树FAD2和PDAT家族各基因表达特性和所编码酶催化特性的研究，以及它们与蓖麻这些基因的比较分析，探讨麻疯树和蓖麻种子油不同脂肪酸成分的分子机理。本研究不仅对探讨油脂合成关键酶的进化分歧具有重要的理论意义，也可为油脂植物的分子改良提供重要的理论依据。

大戟科植物麻疯树和蓖麻的种子中脂肪酸组分存在着巨大差异，麻疯树种子油亚油酸含量高达44%，蓖麻酸含量不到2%，而蓖麻种子油蓖麻酸含量高达90%。植物种子中亚油酸由FAD2催化形成，而蓖麻酸由其同源蛋白FAH12合成，同时蓖麻的酰基转移酶PDAT1A能够促进三酰甘油中蓖麻酸的组装。麻疯树具有与蓖麻相类似的FAD2和PDAT家族成员，为探讨麻疯树和蓖麻种子油不同脂肪酸成分的分子机理，本项目研究了麻疯树FAD2和PDAT家族各基因的表达特性和所编码酶的催化特性。结果显示：与蓖麻的FAD2基因在胚乳中的低表达相比，麻疯树FAD2基因在种子发育过程中均维持高表达，尤其在灌浆期表达量更高，晚期表达量有所下降，与亚油酸组分的含量在种子中的变化规律基本一致；麻疯树FAH12基因的表达与蓖麻FAH12基因相类似，在灌浆期呈现高表达；麻疯树FAD2基因在酵母和拟南芥中均能催化亚油酸的合成，且在拟南芥中能增加下游产物亚麻酸的含量；麻疯树FAH12在酵母和拟南芥系统中均未检出能催化蓖麻酸的合成，推测可能是其催化活性太低无法检出；麻疯树PDAT1A基因在拟南芥中表达的初步结果也显示其未能促进蓖麻酸的积累。现有结果表明相较于十字花科的模式植物拟南芥，大戟科的麻疯树和蓖麻的FAD2家族和PDAT家族均多了一个成员，而在大戟科中这共有的成员又发生了功能的分化。麻疯树FAD2基因能显著提高亚油酸含量的同时，还能提高亚麻酸的含量，可应用于能源植物的遗传改良，对麻疯树和蓖麻两个同科物种中的油脂代谢基因的功能比较将为研究物种进化提供重要理论依据。