油莎豆膜结合脂肪酸去饱和酶基因（FADs）的全基因组解析：探索油莎豆油脂奥秘的关键钥匙

《BMC Plant Biology》：Insights into membrane-bound fatty acid desaturase genes in tigernut (Cyperus esculentus L.), an oil-rich tuber plant in Cyperaceae

为解决油莎豆（Cyperus esculentus L.）油脂成分相关基因未被充分研究的问题，研究人员开展油莎豆膜结合脂肪酸去饱和酶（FADs）基因的全基因组分析。研究鉴定出 10 个 FAD 基因，明确其进化特征、表达模式等。这为油莎豆功能研究和遗传改良提供重要信息。

　　在植物的生命活动中，脂肪酸（FAs）就如同精密机器中的关键零件，参与着众多生理过程。根据是否含有双键，FAs 分为饱和与不饱和脂肪酸，其中不饱和脂肪酸又可细分为单不饱和脂肪酸（MUFAs）和多不饱和脂肪酸（PUFAs）。而脂肪酸去饱和酶（FADs）则像是神奇的工匠，能在脂肪酸链上插入双键，催化脂肪酸的去饱和反应。在植物里，FADs 主要有可溶和膜结合两种类型，可溶型 FADs 相对保守，膜结合型 FADs 却十分多样，包括 FAD2、FAD6 等多个成员，它们分布在内质网或质体膜上，各司其职，对植物油脂成分的形成起着关键作用 。

油莎豆是莎草科中一种独特的富油块茎植物，其油脂含量高达 35%，且组成与油茶、橄榄相似，油酸（18:1）含量尤其高 。然而，一直以来，油莎豆中与油脂积累和脂肪酸组成相关的基因却鲜为人知，这就像一座神秘的宝藏，等待着人们去挖掘和探索 。

为了揭开油莎豆油脂基因的神秘面纱，中国热带农业科学院热带生物技术研究所（National Key Laboratory for Tropical Crop Breeding/Hainan Key Laboratory for Biosafety Monitoring and Molecular Breeding in Off - Season Reproduction Regions, Institute of Tropical Biosciences and Biotechnology/Sanya Research Institute of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences）等机构的研究人员展开了深入研究 。他们对油莎豆膜结合 FADs 基因进行了全基因组分析，相关研究成果发表在《BMC Plant Biology》上。

研究人员运用了多种关键技术方法。首先，从公共数据库获取代表植物物种的基因组和转录组数据，利用 tBLASTn 搜索同源基因，通过 Pfam Search 检查保守结构域，借助 GSDS 2.0 展示基因结构，使用 TMHMM - 2.0 和 ProtParam 预测蛋白质的跨膜螺旋（TMH）和理化参数。其次，运用 MUSCLE 进行多序列比对，MEGA6 构建系统发育树；利用 TBtools - II 进行共线性分析，Orthofinder 识别直系同源基因，DupGen_finder pipeline 确定基因复制模式；基于 Illumina RNA - seq 数据，经 Trimmomatic、HISAT 和 DESeq2 处理，以 FPKM 表示基因表达水平；还通过 qRT - PCR 对关键基因表达进行验证。

研究结果如下：

1. FAD 基因的鉴定与特征：研究人员从油莎豆基因组中鉴定出 10 个编码膜结合 FADs 的基因，命名为 CeFAD2₁ - 3、CeFAD6、CeFAD3、CeFAD7、CeFAD4、CeDES1 和 CeSLD1 - 2。这些基因分布在 7 个支架上，CeFAD2₁ - 3 呈串联重复，CeFAD3/- 7 和 CeSLD1/- 2 为分散重复。CeFAD 蛋白的理化参数显示，其肽长 289 - 477 个氨基酸，分子量 31.84 - 53.93 kDa，等电点大于 7.0，除 CeFAD4 和 CeSLD1 外，亲水性平均系数（GRAVY）值小于 0。结构分析发现，不同进化组的基因内含子数量和结构存在差异，且保守基序在组内保守、组间不同。
2. FAD 基因的进化分析：通过对 29 个代表植物物种的研究，发现 FAD 基因在单子叶植物和双子叶植物分化前可能已分化为 8 个组。FAD2a、FAD6、FAD7、FAD4、FAD5 和 SLD1 在单细胞绿藻莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）中已存在，表明其起源较早；DES 和 FAD3 分别最早出现在苔藓和西部红柏（Thuja plicata）中。油莎豆中 FAD5 缺失，SLD 扩张，FAD2a 特异性扩张，这些变化具有谱系特异性，发生在核心单子叶植物辐射之前。共线性分析表明，FAD3 可能起源于 FAD7 的片段复制，SLD2 可能由 SLD1 经 τ WGD 产生。
3. FAD 基因的表达模式：RNA - seq 数据分析显示，10 个 CeFAD 基因在不同组织中表达模式各异。CeFAD2₁、CeFAD6 和 CeFAD7 组成型表达，其他基因具有组织特异性表达特征。在油莎豆块茎发育过程中，CeFAD2₁转录本逐渐增加，与油脂积累呈正相关；CeFAD6 转录本先降后升；CeFAD7 转录本在 1 DAI 达到峰值后逐渐下降。与紫色莎草（Cyperus rotundus）相比，二者 FAD 基因表达存在差异，这可能是导致它们油脂积累和脂肪酸组成不同的原因。

研究结论和讨论部分指出，该研究首次对油莎豆 FAD 基因进行全基因组分析，明确了其进化特征、结构变异和表达模式。油莎豆中 FAD2 特异性扩张、FAD5 缺失和 SLD 扩张是谱系特异性的，FAD3 起源于 FAD7 的片段复制。CeFAD2₁和 CeSLD1 成为优势成员，CeFAD2₁对油莎豆块茎油脂积累起积极作用，CeFAD3 表达低影响了油莎豆与紫色莎草中 α - 亚麻酸（18:3）的含量差异。这些发现不仅揭示了 FAD 家族的谱系特异性进化，更为后续深入研究油莎豆 FAD 基因功能、开展遗传改良工作提供了宝贵的信息，犹如为打开油莎豆油脂奥秘的大门提供了一把关键钥匙，在农业领域具有重要的理论和实践意义。