胡萝卜中脂肪酸去饱和酶2（FAD2）基因的功能分化对法卡林二醇生物合成的关键作用

《Plant Communications》：Divergent fatty acid desaturase 2 is essential for falcarindiol biosynthesis in carrot

编辑推荐：为解决胡萝卜中抗癌活性物质法卡林二醇（falcarindiol）生物合成机制不明的问题，上海交通大学农业与生物学院刘振华团队通过多组学关联分析、烟草瞬时表达系统和基因编辑技术，发现功能冗余且协同的DcFAD2基因家族通过谱系特异性扩张独立驱动法卡林二醇合成，揭示了不同于番茄的代谢进化路径，为高价值多炔类化合物生产提供新靶点。

　　

胡萝卜作为伞形科重要蔬菜，不仅富含维生素A，其根部还积累高浓度的法卡林二醇（falcarindiol）——一种具有显著抗癌和抗病原菌活性的C₁₇多炔类化合物（polyacetylenes, PAs）。尽管番茄中已发现法卡林二醇合成的基因簇（BGC），但胡萝卜中该物质的组成型积累机制及其合成路径仍不明确。尤其引人关注的是，胡萝卜基因组中存在24个脂肪酸去饱和酶2（FAD2）基因，远超拟南芥（仅1个）和番茄（9个），暗示其可能通过基因复制演化出独特代谢网络。

上海交通大学农业与生物学院刘振华团队联合多个课题组，通过整合胡萝卜不同组织（根皮和叶）及发育阶段（幼期和成熟期）的转录组与代谢组数据，锁定12个与法卡林二醇含量显著相关的DcFAD2候选基因。研究采用烟草瞬时表达系统快速验证酶功能，结合CRISPR-Cas9基因编辑和过表达实验，揭示了胡萝卜中法卡林二醇前体合成的复杂调控机制。

关键技术包括：1）基于LC-MS/CAD的靶向代谢组学分析；2）烟草瞬时共表达系统筛选DcFAD2功能；3）胡萝卜毛状根体系的CRISPR-Cas9基因编辑与过表达验证；4）全基因组共线性与Ks分析解析基因家族进化。

研究结果
1. 组织特异性代谢与基因表达关联
通过LC-MS分析发现，胡萝卜根皮中法卡林二醇含量显著高于叶片（幼期根皮达1.5 μg/mg干重），转录组关联分析筛选出12个表达模式与代谢物水平高度一致的DcFAD2基因，包括已知的Δ12-去饱和酶/炔化酶（如DcFAD2-7）。

2. 新Δ12-炔化酶与Δ14-去饱和酶的发现
烟草瞬时表达显示，DcFAD2-1和DcFAD2-9（属于未研究的array-3基因簇）可催化亚油酸（LA）生成crepenynic acid（CA）。而DcFAD2-7与DcFAD2-19共表达时，CA被进一步转化为dehydrocrepenynic acid（DCA），揭示协同效应。意外的是，DcFAD2-1与DcFAD2-13组合产生未知多不饱和脂肪酸（PUFA），表明通路分流。

3. 基因编辑验证核心基因功能
敲除array-3成员DcFAD2-1/DcFAD2-9的毛状根中，法卡林二醇降低80%，且DCA/PUFA几乎消失；而过表达DcFAD2-1则显著提升三者含量，证实其“枢纽”作用。

结论与意义
该研究首次阐明胡萝卜通过FAD2基因家族的谱系特异性扩张（源于全基因组复制和串联重复）独立进化出法卡林二醇合成能力，与番茄的BGC路径形成鲜明对比。功能冗余的DcFAD2酶通过协同或重定向作用精细调控代谢流，其中array-3基因是关键靶点。研究为解析植物特殊代谢物的趋同进化提供范例，并为利用合成生物学生产高价值抗癌化合物奠定基础。论文发表于《Plant Communications》，为胡萝卜品质育种和天然药物开发提供理论支撑。