综述：作物脂质代谢工程助力提高作物抗逆性与营养品质，推动可持续农业发展

《Functional & Integrative Genomics》：Metabolic engineering of lipids for crop resilience and nutritional improvements towards sustainable agriculture

这篇综述聚焦作物脂质代谢工程，通过操控脂质代谢关键酶（如相关酶）、引入新基因和利用基因组编辑技术，增强作物对非生物（干旱、盐碱、极端温度）和生物（病原体、害虫）胁迫的抗性，同时提升作物营养，为可持续农业发展提供新策略。

　　

引言

在全球气候变化与人口增长的大背景下，农业面临着前所未有的挑战。作物需要应对日益频繁的环境胁迫，同时满足人们对高质量农产品的需求。脂质代谢工程作为一种新兴技术，为解决这些问题带来了新的希望。它不仅能增强作物的抗逆性，还能改善作物的营养品质，对推动可持续农业发展意义重大。

脂质代谢工程提升作物抗逆性

1. 应对非生物胁迫
   • 干旱胁迫：在干旱环境中，水分供应不足严重影响作物生长。脂质代谢工程通过调节关键酶（如磷脂酶 D_α）的活性，改变细胞膜的脂质组成。研究发现，提高磷脂酰胆碱（PC）的不饱和脂肪酸含量，可以增强细胞膜的流动性和稳定性，减少水分散失。这样一来，作物在干旱条件下能够更好地保持细胞的水分平衡，维持正常的生理功能，从而提高耐旱能力。
   • 盐碱胁迫：高盐环境会破坏细胞内的离子平衡，对作物造成伤害。脂质代谢工程可以调控脂肪酸去饱和酶（FAD）基因的表达，增加膜脂中不饱和脂肪酸的比例。不饱和脂肪酸能够降低膜脂的相变温度，使细胞膜在盐碱胁迫下仍能保持良好的流动性和完整性，阻止过多的钠离子进入细胞，减轻离子毒害，进而提高作物的耐盐性。
   • 极端温度胁迫：无论是高温还是低温，都会对作物的细胞膜结构和功能产生不利影响。通过脂质代谢工程，改变膜脂的饱和度和链长，可以调节细胞膜的物理性质。例如，在低温时，增加不饱和脂肪酸的含量，能够降低膜脂的凝固点，防止细胞膜因低温而破裂；在高温时，适当增加饱和脂肪酸的比例，有助于提高细胞膜的稳定性，减少高温对细胞的损伤，增强作物对极端温度的耐受性。
2. 抵御生物胁迫
   • 病原体攻击：当作物受到病原体（如真菌、细菌）侵袭时，脂质代谢途径会发生改变。脂质代谢工程可以促进植物产生一些具有抗菌活性的脂质衍生物，如植保素。研究表明，通过调控脂氧合酶（LOX）途径，能够诱导植物合成更多的茉莉酸（JA）及其衍生物，这些物质可以激活植物的防御反应，增强作物对病原体的抵抗力。
   • 害虫侵扰：一些特殊的脂质成分可以作为信号分子，影响害虫的行为和生长发育。脂质代谢工程能够改变作物中这些脂质的含量和组成。比如，通过调节萜类化合物的合成途径，使作物释放出对害虫具有驱避作用的挥发性萜烯类物质，减少害虫的侵害，降低害虫对作物的危害程度。

脂质代谢工程改善作物营养品质

1. 增加有益脂质含量
   • omega-3 脂肪酸：omega-3 脂肪酸对人体健康具有重要作用，如降低心血管疾病风险、改善大脑发育等。脂质代谢工程通过引入外源基因或调控内源基因的表达，改变脂肪酸合成途径。在作物中过量表达 Δ15 去饱和酶基因，能够将 ω-6 脂肪酸转化为 ω-3 脂肪酸，显著提高作物中 omega-3 脂肪酸的含量，为人们提供更健康的食物来源。
   • 维生素和抗氧化剂：脂质代谢与维生素和抗氧化剂的合成密切相关。通过调控相关代谢途径，可以提高作物中维生素 E、类胡萝卜素等抗氧化物质的含量。例如，增强质体中类异戊二烯途径的关键酶活性，能够促进类胡萝卜素的合成，使作物不仅营养更丰富，还具有更好的抗氧化性能，延长货架期。
2. 优化脂质组成
   • 调整脂肪酸饱和度：不同饱和度的脂肪酸对人体健康的影响不同。脂质代谢工程可以精确调控作物中脂肪酸的饱和度。降低饱和脂肪酸的含量，同时增加单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸的比例，有助于改善人体血脂代谢，降低心血管疾病的发生风险。在油料作物中，通过基因工程技术改变脂肪酸去饱和酶的活性，能够生产出更健康的食用油。
   • 改变脂肪酸链长：脂肪酸链长也会影响脂质的功能和营养价值。通过调节脂肪酸合成酶复合物的活性，改变脂肪酸链的长度。生产中等链长脂肪酸含量较高的油脂，这类油脂具有更好的消化吸收性能，在食品和医药领域有广阔的应用前景。

脂质代谢工程的技术手段

1. 基因编辑技术
   • CRISPR/Cas9 系统：CRISPR/Cas9 技术是目前应用最广泛的基因编辑工具之一。在脂质代谢工程中，它可以精准地对目标基因进行敲除、插入或替换。利用 CRISPR/Cas9 技术敲除拟南芥中与脂肪酸饱和度相关的基因，能够快速获得具有特定脂质组成的突变体，为研究脂质代谢机制和培育新品种提供了有力的工具。
   • 其他基因编辑技术：除了 CRISPR/Cas9 系统，还有 TALEN（转录激活因子样效应物核酸酶）和 ZFN（锌指核酸酶）等基因编辑技术。这些技术在脂质代谢工程中也发挥着重要作用，它们可以针对不同的基因靶点和作物品种，实现精准的基因编辑，为作物脂质代谢工程提供了多样化的选择。
2. 基因表达调控
   • 启动子工程：启动子是调控基因表达的关键元件。通过设计和筛选不同的启动子，可以实现对脂质代谢相关基因的时空特异性表达调控。使用组织特异性启动子驱动脂肪酸合成酶基因的表达，使作物在特定的组织或器官中积累更多的脂质，提高脂质的生产效率。
   • RNA 干扰技术：RNA 干扰（RNAi）技术能够特异性地抑制靶基因的表达。在脂质代谢工程中，利用 RNAi 技术抑制某些负调控因子的表达，从而增强脂质合成途径关键基因的表达，提高脂质的合成效率。针对参与脂肪酸降解的基因设计 RNAi 载体，导入作物细胞中，减少脂肪酸的降解，增加脂质的积累。

脂质代谢工程面临的挑战与展望

1. 技术挑战
   • 基因调控复杂性：脂质代谢途径涉及众多基因和复杂的调控网络，不同基因之间相互作用，使得精确调控脂质代谢变得困难。一个基因的改变可能会引发一系列连锁反应，影响其他代谢途径，导致难以预测的表型变化。目前对这些复杂调控机制的理解还不够深入，需要进一步加强基础研究。
   • 基因编辑脱靶效应：虽然基因编辑技术不断发展，但脱靶效应仍然是一个潜在的问题。在使用 CRISPR/Cas9 等技术进行基因编辑时，可能会在非目标位点发生切割或突变，影响作物的正常生长发育和安全性。如何提高基因编辑的准确性和特异性，减少脱靶效应，是当前脂质代谢工程面临的重要挑战之一。
2. 应用挑战
   • 生物安全性问题：基因工程作物的生物安全性一直备受关注。脂质代谢工程作物可能会对生态环境和人类健康产生潜在影响。这些作物释放到自然环境中，可能会与野生植物杂交，导致基因漂移，影响生态平衡。同时，人们对基因工程作物的食用安全性也存在担忧，需要进行长期的监测和评估。
   • 成本效益问题：目前，脂质代谢工程技术的研发和应用成本较高，限制了其大规模推广。从基因编辑工具的使用到转基因作物的培育和检测，都需要大量的资金和技术投入。如何降低成本，提高脂质代谢工程的经济效益，使其更具市场竞争力，是推动该技术广泛应用的关键。
3. 未来展望
   • 多组学技术的应用：随着多组学技术（如基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学）的不断发展，将为脂质代谢工程提供更全面、深入的研究手段。通过整合多组学数据，可以系统地解析脂质代谢的调控网络，发现更多的关键基因和代谢途径，为精准设计脂质代谢工程策略提供理论依据。
   • 合成生物学的发展：合成生物学可以设计和构建全新的生物系统，为脂质代谢工程带来新的机遇。通过人工合成代谢途径，将不同来源的基因进行优化组合，创造出具有特殊功能的脂质生产系统。利用合成生物学技术构建高效的脂肪酸合成模块，实现脂质的高效生产和精准调控。
   • 跨学科合作：脂质代谢工程涉及生物学、化学、农业科学、医学等多个学科领域。加强跨学科合作，整合不同领域的知识和技术，将有助于解决脂质代谢工程面临的各种问题。生物学家与材料科学家合作，开发新型的基因传递载体和生物传感器，提高基因编辑效率和检测准确性；农业科学家与医学专家合作，评估脂质代谢工程作物的营养价值和健康效益，推动其在农业和医学领域的广泛应用。

脂质代谢工程作为一项具有巨大潜力的技术，为提高作物抗逆性和营养品质、推动可持续农业发展提供了新的途径。虽然目前还面临着诸多挑战，但随着技术的不断进步和研究的深入，相信在未来，脂质代谢工程将在农业生产和人类健康领域发挥更加重要的作用，为实现全球可持续发展目标做出贡献。