科学家鉴定植物油积累所必需的甾醇

寻求解开植物如何生产和积累石油的细节的科学家们已经确定了装配线的一个新的重要组成部分。他们发现了一种特殊的甾醇——一种与胆固醇有关的分子——在油滴的形成中起着关键作用。

“这项研究极大地扩展了我们对控制脂 滴形成的分子因素的理解，脂滴是所有真核生物中储油和代谢的重要细胞器，”能源部布鲁克海文国家实验室的生物学家 Changcheng Xu 说，谁领导了这项研究。发表在《自然通讯》上的研究结果可能提出了设计各种植物组织油含量的新方法。

这项工作对于为旨在提高叶和茎含油量的基因工程策略提供信息可能特别重要。科学家们说，这些植物组织通常不会积累油，但它们可以被设计成可持续油的丰富来源，用于制造生物燃料和其他商品。

该研究结果也适用于植物种子中油的积累，这是植物中自然积累油的主要场所。这些天然植物油库为植物胚胎和幼苗以及动物和人类提供营养。

“我们发现，缺乏一种特定类型的甾醇会导致种子和叶子中的油积累减少，”徐说。

石油生产的绿灯

徐和他的团队多年来一直致力于增加植物叶和茎中的油脂积累。

“与种子相比，叶子作为一种可能的生物能源材料要丰富得多，”他指出。“此外，由于种子中的油用于食物，我们正在努力在植物的非种子部分(如叶子和茎)中积累油和其他商品生物产品，以避免食物和燃料之间的竞争。”

该团队在使用常见的实验室植物拟南芥让叶子积累大量油方面取得了一些进展。

他们开发了一种巧妙的方法来跟踪石油积累。通过基因工程，他们创造了拟南芥植物，其中绿色荧光蛋白总是附着在一种叫做油质蛋白的蛋白质上。油质蛋白仅积聚在脂滴表面。它形成了细胞内这些储油隔室周围的膜的一部分，以帮助稳定它们。如果植物组织样本——叶、茎或种子——含有脂滴，它们在荧光显微镜下会以小绿点的形式突出。

“我们用诱变剂处理了我们的拟南芥植物，试图触发会增加油积累的突变，”Xu 说，使用荧光技术来识别具有更多和/或更大绿点的菌株。

具有讽刺意味的是，他们在几乎不积累油的拟南芥菌株中发现了甾醇。

“当前工作的主要目的是找出导致石油积累量急剧下降的基因改造，”徐说。“我们认为追踪这个基因可能会给我们一些新的基因/蛋白质，这些基因/蛋白质在脂滴形成或积累中很重要。”

内部组装的线索

在微观尺度上，科学家们知道脂滴在细胞的“内质网”或 ER 中形成。这是细胞内膜的内部网络(而不是细胞周围的膜)，其作用就像一种工厂——组装和包装各种材料，如蛋白质和脂质。

当油开始在 ER 膜的两层之间积聚时，会形成脂质储存液滴，但仅限于 ER 的某些区域。最终，当存在足够的油时，小膜碎片会夹断，将油包裹在独立的隔间中。

正如布鲁克海文的研究表明，研究一种不积累这些脂滴的植物可以为驱动这一过程的生化因素提供线索——以及它发生的特定 ER 域的独特之处。

将基因归零

为了找出导致石油积累量急剧下降的突变，布鲁克海文团队使用了一种称为定位克隆的技术——一种搜索染色体的每个区域以查明负责感兴趣特征的特定基因的方法。该技术将搜索范围缩小到植物染色体之一的特定区域。

“这个区域仍然包含数百个候选基因，”徐说。

在使用全基因组测序搜索该区域的任何突变后，该团队确定了他们怀疑涉及的基因。该基因编码一种酶，负责甾醇多步合成中的一个生化步骤，甾醇是一种与内质网和其他细胞膜中发现的胆固醇相关的分子。

通过选择性地“敲除”该基因的正常(未突变)版本，科学家们能够复制突变的影响。也就是说，基因敲除的植物没有积累脂滴。此外，重新添加未突变的基因可以恢复油滴积累。

“这项实验提供了明确的证据，表明甾醇在形成油滴方面起着至关重要的作用，”徐说。

但科学家们走得更远。他们还研究了如果他们在多步甾醇合成途径中使这种特定酶“上游”的酶基因发生突变会发生什么。他们测量了这些突变体的甾醇水平。

详细的研究使他们能够将特定类型的固醇归零，当缺乏时，会导致低油积聚。

相同基因的突变导致叶子和种子中的油积累减少。在更容易看到脂滴的种子中，科学家们还对它们的形状和大小进行了定量研究。

这些结果共同提供了这种特定甾醇在脂滴形成中的普遍作用的证据。

“我们相信这种甾醇对于内质网膜中微结构域的形成至关重要，该微结构域参与脂滴的形成，”徐说。“甾醇的缺乏导致这种微区的形成存在缺陷。”

既然他们知道当这些基因关闭时会发生什么，科学家们建议开启它们并提高它们表达的策略可能是增加叶子、茎或种子中油积累的一种方法。

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