解锁大豆增产富油密码：AtPAH1/2 基因如何改写大豆命运？

为解决大豆产量和含油量提升难题，研究人员开展 AtPAH1/2 基因对大豆影响的研究。结果发现其能提高大豆种子油含量和产量。该研究为大豆育种提供新策略，极具科研价值，推荐科研读者阅读。

　　

大豆，作为全球重要的农作物，不仅是人们餐桌上的常客，为我们提供丰富的植物蛋白，还是生物柴油的主要原料，在能源领域也有着举足轻重的地位。然而，目前大豆种子的含油量仅约 20%，与向日葵（40 - 50%）和油菜籽（35 - 50%）相比，提升空间巨大。如何提高大豆的产量和含油量，成为了科研人员们亟待攻克的难题。

在众多与油脂合成相关的基因中，磷脂酸磷酸水解酶（PAH，它能将磷脂酸（PA）去磷酸化为二酰甘油（DAG））引起了科学家们的注意。PAH 在调节植物细胞膜磷脂和储存脂质水平方面发挥着核心作用，影响着植物生长、发育和应激反应等多个方面。但 PAH 在提高油料作物农艺性状方面的潜力，却一直未被深入挖掘。

为了揭开 PAH 的神秘面纱，探寻其对大豆产量和含油量的影响，研究人员在《Journal of Experimental Botany》期刊上发表了题为 “Seed-specific expression of Arabidopsis phosphatidic acid phosphohydrolases enhances seed oil content and yield in soybean” 的论文。研究发现，种子特异性表达 AtPAH1/2 可促进大豆种子中 PA 向 DAG 的转化，增加甘油三酯（TAG）积累，提高种子大小和重量。此外，研究还表明，GmPAH 对含油量和种子重量的有利影响在驯化过程中被选择。这一研究为提高大豆种子含油量和产量提供了新的策略和方向。

研究人员在此次研究中主要运用了以下关键技术方法：首先是转基因技术，将拟南芥的 AtPAH1 和 AtPAH2 基因，分别用大豆种子特异性启动子驱动，转入大豆植株；其次，采用实时荧光定量 PCR（RT-qPCR）技术，检测不同发育阶段大豆种子中基因的表达水平；再者，运用脂质提取和分析技术，对种子中的脂质成分进行提取、分离和定量分析；最后，利用大豆多组学数据库（SoyMD）分析 GmPAH 的遗传变异，探究其对种子大小和含油量的影响。

下面我们来详细看看研究的具体结果：

• Overexpression of PAHs increased TAG accumulation in soybean seeds：研究人员将 AtPAH1 和 AtPAH2 基因导入大豆，利用基因组 DNA 分析和 RT-qPCR 技术，确认基因成功插入并在种子发育不同阶段有不同的表达水平。通过对不同发育阶段种子脂质的提取和分析发现，AtPAH1/2 表达的种子中，TAG 水平在发育和成熟阶段均显著高于野生型，DAG 含量在前期升高后期下降。同时，关键 TAG 生物合成基因 GmDGAT1A 表达上调，GmPDAT1B 表达下调，而脂肪酸组成未发生显著变化。这表明 AtPAH1/2 的过表达促进了大豆种子中 TAG 的积累。
• Polar lipid composition changed in developing seeds：对不同发育阶段转基因大豆种子进行脂质提取和质谱分析，结果显示，与野生型相比，AtPAH1/2 表达的大豆种子在发育早期，单半乳糖甘油二酯（MGDG）、磷脂酰甘油（PG）、磷脂酰丝氨酸（PS）等极性脂质显著增加，PA 水平显著下降，而磷脂酰胆碱（PC）水平无显著差异。这说明 AtPAH1/2 的异位表达促进了大豆种子中 PA 向极性脂质和 DAG 的转化。
• Seeds expressing AtPAH1/2 enhanced polar lipid turnover to TAG：用 [3H]- 乙酸脉冲追踪标记法对发育中的种子进行脂质合成分析，发现转基因种子中 PA 的 3H 浓度先升后降，DAG 和 PC 的 3H 浓度逐渐下降，而 TAG 和 PE 的 3H 浓度逐渐上升。这进一步证实了 AtPAH1/2 表达的大豆种子比野生型种子增加了 PA 向 DAG 的转化，进而转化为 TAG。
• Seed-specific expression of AtPAH1/2 increased seed weight in soybean：研究人员测量了种子的大小和重量，发现 AtPAH1/2 表达的大豆种子在十粒种子宽度、长度和百粒重上均显著高于野生型，且每株种子数量也明显增加。通过检测种子大小相关基因的表达，发现 GmBS1 表达下调，而细胞周期 S 期相关基因 GmCYCD3 和 GmHISTONE4 显著上调。这表明种子特异性表达 AtPAH1/2 增加了大豆种子的重量，可能是通过促进细胞增殖实现的。
• GmPAH1 effects on seed size and oil content have been selected through domestication：利用大豆多组学数据库分析大豆 PAH 同源基因的遗传变异，发现 Glyma.10g046400 和 Glyma.13g134500 基因的某些单倍型与较高的种子含油量和百粒重相关，且这些有利单倍型在栽培品种和地方品种中存在，而不利单倍型仅存在于野生大豆中。这说明 GmPAH1 对种子大小和含油量的影响在大豆驯化过程中被选择。

研究结论表明，研究人员成功鉴定出在大豆驯化过程中被选择的、能提高含油量和百粒重的优良 GmPAH 基因型。通过在栽培大豆中种子特异性表达 AtPAHs，不仅提高了种子含油量，还增加了种子重量。AtPAHs 的异位表达促进了 PA 向 DAG 的转化，进而增加了 TAG 的合成，同时也促进了种子发育过程中磷脂和糖脂的合成。

在讨论部分，研究人员指出，转基因技术为提高作物生产力提供了有效途径，但组成型表达启动子可能导致植物形态异常。种子特异性启动子则可在不影响主要农艺性状的前提下，增强种子油积累和改善脂肪酸组成。此次研究在已有的优良基因型基础上，通过组织特异性表达外源基因进一步改善了作物农艺性状，为大豆育种提供了新的思路。同时，PAH 在维持脂质稳态中起关键作用，研究其对细胞大小调节的潜在贡献，有助于深入理解种子发育的机制。

这项研究成果意义重大，它为大豆育种开辟了新的方向，为提高大豆产量和含油量提供了理论依据和实践指导。科研人员有望利用这些发现，通过精准调控 PAH 基因的表达，培育出更高产、高含油量的大豆品种，满足全球对大豆日益增长的需求，在保障粮食安全和能源供应方面发挥重要作用。