bZIP转录因子PrABI5调控牡丹种子中α-亚麻酸的合成

《Industrial Crops and Products》：The bZIP transcription factor PrABI5 regulates α-linolenic acid synthesis in tree peony seeds

树蕙草种子中高含量的α-亚麻酸（ALA）源于转录因子PrABI5通过结合ABRE元件激活FAD3基因表达，并协同CAM7蛋白增强ALAS合成，为植物ω-3脂肪酸分子育种提供新机制。

　　树牡丹（*Paeonia rockii*）是一种在中国传统园艺中具有重要地位的观赏植物，近年来因其富含α-亚麻酸（α-linolenic acid, ALA）而受到广泛关注。ALA是一种ω-3脂肪酸，具有多种工业价值和健康益处。随着人们对营养均衡和健康饮食的重视，以及市场需求的增加，富含ALA的植物油资源变得尤为重要。因此，研究植物种子中ALA合成的分子机制具有重要的科学和应用意义。

在植物细胞中，脂肪酸（FAs）不仅是细胞生命活动的重要组成部分，也是种子中储存的能源物质。脂肪酸的合成主要发生在质体中，通过一系列酶促反应，将葡萄糖代谢产生的己糖转化为脂肪酸前体，如乙酰辅酶A和丙二酰辅酶A。这些前体随后被转运至内质网（ER），在ω-3脂肪酸脱饱和酶（ω-3 FAD）的催化作用下，转化为ALA。这一过程是植物种子中ALA合成的关键步骤。

此前的研究已经确认，*PrFAD3*基因是编码脂肪酸脱饱和酶的关键基因，该酶催化亚油酸（LA）转化为ALA。然而，对于*PrFAD3*基因上游的转录调控机制仍不清楚。本研究中，我们发现一个bZIP家族的转录因子PrABI5参与了树牡丹种子中ALA的合成。PrABI5通过结合*PrFAD3*基因启动子中的ABRE（Abscisic Acid Responsive Element）顺式作用元件，激活*PrFAD3*的表达。通过基因过表达和病毒诱导基因沉默（VIGS）实验，我们验证了PrABI5在促进ALA合成中的积极作用。此外，PrABI5通过招募属于钙调素蛋白家族的PrCAM7蛋白，增强了对*PrFAD3*的转录调控，从而进一步提高了ALA的生物合成效率。

为了进一步探究PrABI5的作用机制，我们还进行了酵母双杂交（Y2H）和双分子荧光互补（Bi-FC）实验，确认了PrABI5与PrCAM7之间的相互作用。这些实验表明，PrCAM7在PrABI5介导的*PrFAD3*转录激活过程中起到了重要的辅助作用。通过在*Nicotiana benthamiana*和*Arabidopsis thaliana*中进行基因异源表达实验，我们发现PrABI5的过表达显著提高了ALA的含量，而PrABI5的沉默则导致ALA含量下降。这些结果不仅证实了PrABI5在ALA合成中的关键作用，还揭示了其在调控植物脂肪酸组成中的潜在应用价值。

本研究还探讨了PrABI5与PrCAM7的相互作用如何影响ALA的合成。通过比较不同基因表达组合的效应，我们发现PrCAM7的表达可以增强PrABI5对*PrFAD3*的转录激活作用，从而进一步提高ALA的含量。这一发现为理解植物种子中ALA合成的转录调控网络提供了新的视角，并为通过分子生物学手段改良植物脂肪酸组成提供了理论基础。

在植物中，转录因子（TFs）在调控基因表达方面发挥着重要作用。ABI5是其中一种重要的bZIP家族转录因子，其通过结合ABRE顺式作用元件来调节下游基因的表达。已有研究表明，ABI5在模型植物*Arabidopsis thaliana*中对ALA合成具有调控作用，通过激活*AtFAD3*基因的表达，促进ALA的积累。在本研究中，我们进一步发现，PrABI5不仅在树牡丹中具有类似的调控功能，还通过与PrCAM7的相互作用增强了其对*PrFAD3*的转录激活效果。这一机制的揭示，有助于我们更好地理解植物种子中ALA合成的分子基础，并为未来在植物中提高ALA含量提供了新的策略。

此外，我们还分析了PrABI5在不同组织中的表达模式。结果表明，PrABI5在树牡丹种子中具有高度特异性，其表达水平随着种子的发育而逐渐上升，这与ALA的积累趋势一致。这种时间上的相关性支持了PrABI5在ALA合成中的关键作用。同时，PrABI5的表达在种子中的显著性，也表明其可能在种子发育过程中发挥重要作用，不仅限于ALA合成，还可能涉及其他生理过程。

研究还发现，PrABI5的过表达不仅提高了ALA的含量，还对种子的形态和油脂含量产生了影响。例如，在*Arabidopsis thaliana*中，PrABI5的过表达导致种子体积减小，但油脂含量显著增加。这种变化可能与PrABI5对脂肪酸代谢相关基因的调控有关。同时，在树牡丹中，PrABI5的沉默导致ALA含量下降，而LA（亚油酸）含量相应增加，这进一步验证了PrABI5在ALA合成中的关键作用。

PrCAM7作为钙调素蛋白家族的一员，其结构特征包括EF-hand结构域，该结构域负责结合钙离子。通过生物信息学分析，我们发现PrCAM7与*Arabidopsis*中的AtCAM7具有较高的同源性，这表明PrCAM7可能在植物中具有类似的调控功能。然而，PrCAM7在树牡丹中的具体作用仍需进一步研究。通过Y2H和Bi-FC实验，我们确认了PrCAM7与PrABI5之间的相互作用，并发现这种相互作用增强了PrABI5对*PrFAD3*的转录激活能力，从而促进了ALA的合成。

本研究的成果不仅加深了我们对树牡丹种子中ALA合成机制的理解，还为植物脂肪酸合成的分子调控提供了新的思路。通过揭示PrABI5与PrCAM7的协同作用，我们发现这种调控机制可能具有物种特异性，这为未来在不同植物中调控脂肪酸组成提供了理论依据。此外，研究结果也为通过分子生物技术提高植物中ALA含量提供了新的方向，有助于开发新型富含ω-3脂肪酸的植物油资源，以满足人类健康需求。

总体而言，本研究通过一系列实验方法，包括基因过表达、基因沉默、双荧光互补和酵母双杂交等，揭示了PrABI5在树牡丹种子中促进ALA合成的关键作用。研究结果表明，PrABI5通过结合ABRE顺式作用元件，激活*PrFAD3*的表达，而PrCAM7的参与则进一步增强了这种激活效应。这些发现不仅为植物脂肪酸合成的分子机制提供了新的见解，也为未来利用树牡丹种子油作为新型植物油资源奠定了理论基础。同时，研究还强调了转录因子在调控植物脂肪酸代谢中的重要性，为植物分子育种提供了新的策略。