植物油脂合成过程中脂肪酸的持续分解代谢：打破传统认知，为作物油脂改良开辟新径

《Cell Reports》：Persistent fatty acid catabolism during plant oil synthesis

本文聚焦植物油脂研究，发现脂肪酸合成与氧化在油料作物种子发育全程同步进行（β-oxidation）。此过程受精细调控，且工程植物中脂肪酸降解会限制油脂积累。研究为理解植物脂质代谢提供新视角，对提高种子含油量及作物改良意义重大。

　　### 植物油脂合成中脂肪酸代谢的研究背景
植物脂质作为重要的可再生资源，在食品、生物燃料及聚合物等领域应用广泛。随着对脂质需求的不断增长，提高种子油脂含量成为研究热点。然而，以往旨在增加油脂水平的研究，如增强脂肪酸和脂质生物合成或改变碳前体供应，效果并不理想。这暗示可能存在其他影响最终油浓度的因素，其中脂肪酸分解增强可能抵消了工程化增加的脂质产量。

在植物生命周期中，脂质分解在特定阶段（如种子萌发）作用关键，为幼苗生长提供能量和碳骨架。但除了萌发、种子和叶片成熟等阶段，脂肪酸氧化在植物正常生长阶段的定量分解研究较少，尤其是在大量积累油脂的发育阶段。这主要是由于评估脂肪酸生物合成和分解的通量存在技术挑战，需要借助同位素等手段。

脂肪酸分解产生的短链酰基辅酶 A（CoAs，含 4 - 14 个碳），是脂肪酸降解和循环的明确标志。因为这些短链 CoAs 除少数例外，并非生物合成的中间产物。脂肪酸生物合成在叶绿体中进行，通过向酰基载体蛋白（ACP）添加 2 - 碳乙酰基来延长碳链；而脂肪酸分解（β - 氧化）则在过氧化物酶体中发生，从与 CoA 相连的酰基链上切割 2 - 碳单位。

脂肪酸代谢的研究方法与实验设计

为深入探究脂肪酸代谢过程，研究人员开发了一种基于质谱（MS）的方法，用于灵敏地测量酰基辅酶 A，该方法可分析饱和和不饱和脂肪酸分解产生的氧化循环中间产物。实验选用了亚麻荠（Camelina sativa）、油菜（Brassica napus）和转基因高油烟草（Nicotiana tabacum）作为研究对象。亚麻荠和油菜在种子发育的不同阶段（亚麻荠：花后 15、20 和 25 天；油菜：花后 15、25 和 35 天）进行采样，高油烟草则在播种后 30、45 和 60 天采集叶片样本。这些阶段涵盖了油脂生物合成的起始、快速合成及填充后期。

同时，利用同位素标记技术，如用18O 标记的水（50% 标记 [w/w]）处理种子 30 分钟，或用均匀标记的13C 葡萄糖（U - 13C₆）通过 8 - h 荚果培养法处理种子，以追踪脂肪酸的代谢过程。此外，还对参与脂肪酸氧化的关键酶（如酰基辅酶 A 氧化酶，ACX）的活性进行了测定，评估不同链长底物的氧化情况。

脂肪酸代谢的研究结果

1. 脂肪酸合成与分解同步进行：通过对不同植物组织在不同发育阶段的分析，发现不饱和短至中链 CoAs 在所有样本中均存在，表明在油脂填充过程中存在脂肪酸氧化现象。而且，合成和分解特异性 CoAs 在种子发育后期达到最高水平，说明脂质生物合成和分解在种子脂质水平接近最大值时受到精细调控。在转基因高油烟草叶片中，三酰甘油（TAG）生产部分不稳定，可能通过 β - 氧化降解。
2. 18O - 水标记证实 β - 氧化活性：在亚麻荠种子的18O - 水标记实验中，发现 4:0、8:0 和 14:0 酰基辅酶 A 的质量增加了两个单位（M + 2），这是由于18O 替代了自然丰度的16O，表明 β - 氧化过程活跃。其中，4:0 酰基辅酶 A 中18O 的掺入率高达 47%，反映了短链酰基辅酶 A 池的快速周转。
3. 质体半乳糖脂膜的周转：在亚麻荠种子发育过程中，含有 16:1、16:2 和 16:3 的半乳糖脂（如单半乳糖基二酰甘油 [MGDG]、双半乳糖基二酰甘油 [DGDG] 和磺基喹喔啉基二酰甘油 [SQDG]）表明存在活跃的原核脂质生物合成途径。但大多数 DGDGs 和 SQDGs 在发育后期减少，与脂质分解和叶绿体周转一致。同时，长链非酯化脂肪酸（NEFAs）的存在以及相关基因表达数据支持了半乳糖脂降解的观点。
4. 种子填充期过氧化物酶体氧化能力与萌发期相当：比较早期种子填充期和萌发期幼苗的脂肪酸氧化能力，发现两者对长链和短链底物的氧化能力相似，中期链氧化活性在两者中均有所升高，但在萌发期更为显著。基因表达分析表明，参与脂肪酸氧化的关键酶基因（如 ACX1、ACX4、KAT1 和 KAT5）在早期种子发育阶段高度表达。
5. β - 氧化在昼夜均发生：研究发现，脂肪酸分解在昼夜均会发生。虽然在黑暗中分解特异性酰基辅酶 A 水平会升高，但在白天也存在脂肪酸分解现象，这与淀粉在叶片中的降解类似。13C 同位素标记实验进一步证实了白天脂肪酸的分解，同时发现脂肪酸的去饱和作用主要发生在深夜至清晨。
6. β - 氧化是工程化的靶点：对高油工程化亚麻荠品系的研究表明，增强脂肪酸合成的同时，脂肪酸分解也会增加。例如，FL3 - 1 品系的脂肪酸合成和分解速率均较高，而 CAT A7 品系的合成速率高于野生型，但分解速率最低。这表明降低 β - 氧化程度可能有助于提高脂质水平。

研究的局限性与展望

本研究虽然揭示了植物油脂合成过程中脂肪酸分解代谢的重要现象，但仍存在一定局限性。研究仅涉及亚麻荠、油菜和高油烟草，其结果可能不适用于所有植物系统，尤其是产油量较低的植物。此外，实验条件与田间环境存在差异，环境因素对脂肪酸氧化的影响尚未明确。而且，研究未深入探究导致脂肪酸分解增加的调控机制。未来研究可扩展到更多物种，在田间环境下进行研究，并深入解析调控机制，这将有助于进一步理解植物脂质代谢，为提高作物油脂产量和质量提供理论依据，推动生物燃料和可再生能源领域的发展。