综述：大豆种子组成性状的设计目标与策略

本综述系统阐述了大豆种子组成性状的改良策略与分子设计前沿。文章聚焦蛋白质重组平衡（7S/11S）、硫氨基酸（Met/CYS）生物强化、过敏原（Gly m Bd 30K/60K）消减、低寡糖（RFOs）性状构建及油脂代谢工程（FAD2/FAD3编辑），结合多组学分析、代谢通量模型和CRISPR-Act3.0等新技术，为定制化设计大豆营养价值与功能特性提供了精准路线图。

　　

2 MODIFYING SOYBEAN MEAL COMPOSITION

2.1 Protein

大豆种子蛋白质储备按分子量分为2S（8%–22%）、7S（35%）、11S（31%–52%）和15S（5%）四个类别。其中7S组分主要由β-伴大豆球蛋白（β-conglycinin）构成，11S组分以大豆球蛋白（glycinin）为主，这两类蛋白占种子总蛋白的60%以上。基因编辑研究表明，敲除β-conglycinin会导致glycinin补偿性增加，反之亦然，这种现象被称为"蛋白质重组平衡"。这种重新平衡不仅影响蛋白质总量，更会改变蛋白质的功能特性——11S缺失突变体的乳液稳定性显著提高，而7S缺失突变体则表现出更强的凝胶硬度和咀嚼性。

2.1.2 Genetic strategies to trigger proteome rebalancing

利用CRISPR/Cas9技术对7S和11S蛋白家族进行多重编辑，已成为调控蛋白质功能特性的有效手段。最近研究发现，通过编辑长链非编码RNA lincCG1可特异性敲除β-conglycinin的致敏亚基（α′, α-, β），同时增加含硫氨基酸和精氨酸含量，为开发低过敏高营养大豆提供了新思路。

2.2 Sulfur-containing amino acids

2.2.2 Enhancing methionine levels in soybean seed storage proteins

蛋氨酸（MET）作为限制性氨基酸，在大豆种子中仅占蛋白质总量的约1%。通过表达反馈不敏感的拟南芥胱硫醚γ-合成酶（AtD-CGS），或敲除蛋氨酸γ-裂解酶（MGL）减少MET分解，可显著提高种子MET含量。值得注意的是，在富含硫酸盐培养基中生长时，表达外源MET富含蛋白（如δ-zein）的积累量可提高3-16倍，表明MET生物合成能力是营养强化的关键限制因素。

2.3 Soy allergens

2.3.1 Characterization of soy allergens

大豆含有16种IgE反应性蛋白，主要过敏原包括：Gly m Bd 30K（P34蛋白，papain家族半胱氨酸蛋白酶）、Gly m Bd 28K（cupin超家族蛋白）、Gly m 5（β-conglycinin）和Gly m 6（glycinin）。其中P34蛋白是优势过敏原，约65%大豆过敏患者对其产生反应。Kunitz胰蛋白酶抑制剂（KTI）和Bowman-Birk抑制剂（BBI）家族也参与过敏反应，研究发现KTI1和KTI3双敲除突变体可显著降低蛋白酶抑制剂活性。

2.3.2 Engineering SSC for reduced allergenicity

自然突变体PI 567476和PI 603570A因P34基因起始密码子附近的4bp插入而几乎不产生该过敏原。RNA干扰和CRISPR编辑技术已成功用于降低多种过敏原含量。多重基因编辑策略（如同时敲除β-conglycinin、glycinin、KTI和2S清蛋白基因）可协同降低过敏原性，但需注意由此引发的蛋白质重组效应对最终过敏原谱系的综合影响。

2.4 Carbohydrates

2.4.1 Carbohydrates: Categories and distribution

碳水化合物占种子干重的30%–35%，其中棉子糖家族寡糖（RFOs）包括棉子糖（raffinose）和水苏糖（stachyose）占5%。这些α-半乳糖苷类化合物不能被单胃动物消化，导致肠道产气和饲料转化率下降。通过突变棉子糖合成酶（RS2）和水苏糖合成酶（STS）基因，可获得低寡糖基因型，如PI 200508的raffinose降低15%，stachyose降低25%，同时蔗糖含量显著提高。

2.5 Specialized metabolites: Basics and needs-based engineering

2.5.1 Saponins

大豆皂苷分为A、B、E和DDMP四大类。A组皂苷（如Soyasaponin Aa/Ab系列）是苦味主要来源，其合成由Sg-1基因座控制。日本品种Tohoku No. 152和某些野生大豆（G. soja）携带天然突变体，几乎不产生A组皂苷。通过编辑Sg-1、Sg-3、Sg-4、Sg-5等多个基因座，可定向调控皂苷组成，改善风味品质。

2.5.2 Isoflavones

大豆异黄酮（genistein, daidzein, glycitein）中，glycitein与豆奶苦味和色泽劣化密切相关。类黄酮6-羟化酶（Glyma.08g326900）是glycitein合成的关键酶，其自然突变体PI 567580A几乎不产生该成分。

3 MODIFYING OIL COMPOSITION

3.1 The oil biosynthesis pathway

大豆油主要由棕榈酸（16:0，10%）、硬脂酸（18:0，4%）、油酸（18:1，18%）、亚油酸（18:2，55%）和亚麻酸（18:3，13%）组成。油脂合成经历四个阶段：脂肪酸从头合成（质体内）、酰基延伸编辑、三酰甘油（TAG）组装（内质网）和油体形成。乙酰-CoA羧化酶（ACCase）是脂肪酸合成的限速酶，而酰基编辑（acyl editing）过程中磷脂酰胆碱（PC）上的去饱和反应对多不饱和脂肪酸形成至关重要。

3.2 Engineering seed oil quantity

采用"推-拉-包-护"（push-pull-package-protect）策略可有效提高含油量："推"通过增强碳源供应（如蔗糖转运蛋白GmSWEET39编辑）和乙酰-CoA生成；"拉"通过促进TAG合成（如过表达DGAT1、PDAT1）；"护"通过抑制脂解（如敲除SDP1脂肪酶）。研究表明过表达苹果酸酶（malic enzyme）可使含油量提高0.5%–2%，且不影响蛋白质含量。

3.3 Engineering quality of seed oil

高油酸（>80%）大豆品种通过编辑FAD2-1A和FAD2-1B基因获得，其氧化稳定性显著增强。低亚麻酸（<3%）性状则由FAD3A、FAD3B、FAD3C基因突变叠加实现。Plenish（先锋杜邦）、Vistive Gold（孟山都）和Calyxt的TALEN编辑品种已成功商业化。值得注意的是，保持适量亚麻酸（ALA）对omega-3营养至关重要，通过表达Physaria fendleri的PfFAD3-1基因可特异性提高ALA含量。

3.5 Metabolic flux analysis in soybean seed oil biosynthesis

代谢通量分析揭示：糖酵解是脂肪酸合成还原力（NADPH）的主要来源；谷氨酰胺脱酰胺反应产生大量有机酸副产物；苹果酸酶和丙酮酸脱氢酶协同提供碳架和还原力。这些发现通过遗传工程验证——定位在特定细胞区的苹果酸酶过表达可显著提高油脂产量，证实亚细胞定位对代谢通量调控的关键作用。

4 EXPLORING CROSS-TALK BETWEEN PROTEIN, OIL, AND SUCROSE

大豆种子蛋白与油脂含量呈显著负相关，这种权衡关系（trade-off）一直是育种难题。最近研究发现，通过CRISPR编辑根瘤相关基因ric1a/2a，可同时提高蛋白质含量、产量并维持含油量，为打破这种负相关提供了新途径。多组学分析与代谢通量模型的结合，正逐步揭示碳氮分配的内在调控机制。

5 CHALLENGES AND FUTURE ASPECTS

未来大豆种子组成设计将融合传统育种、多重基因组编辑（如CRISPR-Act3.0系统）、单细胞组学和机器学习等新技术。通过编辑GmDMEa等表观遗传调控因子，在提高产量和种子大小的同时保持组成性状稳定已得到验证。整合代谢通量分析的多尺度模型，将为实现大豆种子组成性状的精准设计提供系统解决方案。