棕榈油酸生物合成的调控与富含棕榈油酸大豆新种质的研究

棕榈油酸(C16:1△9)具有重要的营养、医药和工业用价值。然而，棕榈油酸在大豆等普通油料作物种子中含量甚微。本研究综合应用基因组学和基因工程技术策略,探讨棕榈油酸在植物发育种子中合成积累途径及调控机制，鉴定控制棕榈油酸生物合成积累的关键酶基因。克隆具有高酶活性且特异作用于C16:0的△9脱氢酶基因和特异选择棕榈油酸的基因, 构建靶标基因的种子特异表达载体，应用基于大豆体细胞发生途径的基因枪法将目标基因导入大豆基因组, 对大豆种子脂肪酸合成及积累途径进行遗传修饰,以期培育富含棕榈油酸(>10%)的大豆新种质/品种。再进一步与高油、高蛋白、综合性状优良的大豆种质进行遗传整合，培育三高一优的大豆新品系。研究结果有利于全面解析植物种子油脂合成积累途径及其调控机制，为大豆等油料作物种子油脂遗传改良提供新的基因元件和技术途径,提高大豆油的附加值和拓展植物油脂的工业应用，也能为大豆育种提供新的种质。

棕榈油酸(16:1Δ9)具有重要的工业、营养和医药价值。高含棕榈油酸的植物油是生产生物柴油的最佳再生资源。这种珍稀脂肪酸仅在一些野生植物种子中合成, 不能商业化生产。普通油料作物种子含微量或不积累16:1Δ9。本研究应用基因组学、分子生物学和基因工程等技术，解析棕榈油酸生物合成调控机制，优化棕榈油酸生物合成代谢工程策略，遗传修饰大豆等普通油料作物油脂合成代谢途径，培育富含棕榈油酸的大豆新种质。. 亚细胞定位检测证实棕榈油酸在质体和内质网从头合成，且60-70%为质体合成。多种活体和离体实验揭示，源于2种真菌的细胞质型酰基-COA-Δ9脱氢酶即ScΔ9D和PoΔ9D 对底物棕榈酸(16:0)分子有选择性。种子特异表达ScΔ9D或PoΔ9D，均导致种子油中16:1Δ9及其碳链延伸物18:1Δ11含量增加，而且质体定位表达酰基-COA-Δ9脱氢酶的效应明显高于细胞质定位表达的效应。从高积累棕榈酸的植物猫爪草 Macfadyena unguis-cati 发育种子中分离的质体型酰基-ACP-∆9脱氢酶(Muc∆9D) cDNA克隆，对底物16:0-ACP有较高特异性，种子特异表达Muc∆9D的大豆种子16:1Δ9含量高于细胞质型酰基-COA-Δ9脱氢酶的转基因种子。猫爪草和澳洲坚果Macadamia integrifolia种子中二酰甘油酯转移酶1(DGAT1)和转移酶2(DGAT2)，以及磷脂二酰胆碱甘油酯转移酶(PDAT)的表达谱分析显示，它们在棕榈油酸合成积累过程起重要作用。从猫爪草种子分离的MucDGAT1能特异选择16:1Δ9。然而，转基因宿主植物大豆的2个DGAT1酶蛋白即GmDGAT1A和GmDGAT1B则对16:1Δ9等稀有脂肪酸无选择性。. 本研究首次确立了包含主要酶促反应步骤、代谢物流及中间产物分配和转换的棕榈油酸生物合成途径框架图，为基因修饰大田油料作物棕榈油酸合成途径奠定了基本“路线图”。 创立的“增源-通流-扩库”系统代谢工程策略，不仅提高棕榈油酸途径代谢组装的有效性，亦可用于其他珍稀脂肪酸生物合成的代谢工程。大豆遗传转化优化体系的建立，为大豆转基因研究和分子育种提供了有效的技术平台。研究结果有促于全面解析植物油脂合成，特别是稀有脂肪酸合成调控机制，为大豆等油料作物种子油脂遗传改良提供新的基因元件和技术，拓展植物油脂可再生资源的工业应用.