植物油脂是人类食用油的主要来源，亦是医药保健、生物燃油和油脂化工的重要原料。提高油料作物品质和产量对于满足不同消费和市场需求以及国家粮油安全至关重要，一直是作物遗传改良的重要目标。特色油料作物亚麻荠和紫苏种子富含ω-3等多聚不饱和脂肪酸，是人类必需的“脑黄金”，是大脑发育、免疫力改善和心血管健康的“守护神”。解析这些珍稀油脂代谢调控机制、挖掘关键基因及调控因子是实现高值油脂商业化生产以及功能性油脂产品研发的重要基础，有助于“特”“优”农业发展和新质生产力的培育。
河北省特用作物遗传与代谢工程研究中心特色油料团队近期连续发表4篇研究论文，报道了有关亚麻荠、紫苏和续随子种子油脂生物合成及代谢调控机制的研究成果，发现并解码植物油脂生物合成多维调控网络的新成员及其分子机制，为植物遗传改良和油脂代谢工程提供了优异靶基因。
成果1、新发现正调控亚麻荠种子多聚不饱和脂肪酸油脂生物合成的转录因子CsbZIP-A12
5月9日，团队在《International Journal of Biological Macromolecules》杂志（一区top，IF 8.2）发表了题为“Systematic characterization of CsbZIP transcription factors inCamelina sativaand functional analysis of CsbZIP-A12 mediating regulation of unsaturated fatty acid-enriched oil biosynthesis”的研究论文。本研究应用多组学联合分析技术系统论证了亚麻荠CsbZIP家族成员、进化特征和功能冗余及歧化。鉴定获得一组可介导油脂生物合成调控的CsbZIP转录因子。构建亚麻荠CRISPR-Case9敲除突变体和过表达转化株系，精准鉴定了CsbZIP-A12的生物学功能。采用Y1H、GUS、Dual-LUC和EMSA等测试体系论证CsbZIP-A12作用的下游靶基因（CsSAD2-3，CsFAD3-3和CsDGAT3等）及正调控多聚不饱和脂肪酸油脂生物合成的分子机制。通过模式植物拟南芥和烟草遗传转化综合评估了CsbZIP-A12在植物遗传改良和油脂代谢工程的应用价值。
图1 CsbZIP-A12转录因子调控下游靶基因CsFAD3-3和CsSAD2-3表达
图2 CsbZIP-A12转录因子结合靶基因CsSAD2-3和CsFAD3-3启动子G-box元件
图3 CsbZIP-A12转录因子介导的亚麻荠种子油脂生物合成调控网络
该论文第一作者为农学院作物学博士研究生高慧玲，共同通讯作者为李润植和贾小云教授。团队成员薛金爱和苑丽霞教授、张春辉副教授、孙岩和宋亚楠博士后参与该项研究。该项研究获国家自然科学基金（32201722，31801400和31401430）和河北省应用基础研究项目（201601D202060）等资助。
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成果2、新发现负调控紫苏种子富含ω-3脂肪酸油脂生物合成的转录因子PfbZIP85
4月16日，团队在《International Journal of Molecular Science》杂志（二区top，IF6.02）发表了题为“PfbZIP85 Transcription Factor Mediates ω-3 Fatty Acid-Enriched Oil Biosynthesis by Down-Regulating PfLPAT1B Gene Expression in Plant Tissues”的研究论文。本文综合应用多组学和遗传转化等技术系统解析了紫苏PfbZIP转录因子功能多样性，筛选出若干介导种子发育和油脂富集的PfbZIP转录因子。首次发现负调控紫苏种子富含ω-3脂肪酸油脂生物合成的PfbZIP85转录因子，论证了三酰甘油（TAG）组装关键酶PfLPAT1B基因是PfbZIP85的直接靶标。PfbZIP85转录因子亦可间接下调控制ω-3脂肪酸合成和积累的PfSAD、PfFAD和PfDAT等酶基因。异源过表达试验表明PfbZIP85转录因子可应用于植物油脂产量和品质遗传改良。
图4 紫苏PfbZIP转录因子及调控的候选下游靶基因
图5 异源表达PfbZIP85负调控烟草叶片和种子油脂生物合成
该论文第一作者是农学院硕士研究生黄旭升，共同通讯作者为李润植和贾小云教授。团队成员王计平教授、孙岩博士后，以及研究生周雅莉、史先飞、文婧、陈树溦和胡婷等参与该项研究。本研究获国家自然基金（31401430和31201266）、河北省应用基础研究项目（20210302123418）、铃禹新闻网科技创新工程（CXGC2023048）和铃禹新闻网农学院特优育种工程（YZ2021-08）等资助。
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成果3、解码“生物柴油植物”续随子种子高水平特异富集油酸的分子机制
4月1日，团队在《Industrial Crops & Products》杂志（一区top，IF6.45）上发表了题为“Characterization ofGPATgene family inEuphorbia lathyrisL. and elucidating the role of ElGPAT9 in the biosynthesis of oils and pollen viability”的研究论文。续随子（Euphorbia lathyrisL.）被誉为“生物柴油植物”，种子含油量>48%，特别是油酸（18:1）含量高达90%，是制备生物柴油的优质资源。然而，续随子种子高水平特异富集油酸的机制一直未破解。本文应用多组学工具结合生理生化分析，系统阐明续随子种子油脂生物合成和油酸富集的分子机制，发现一组可控制续随子种子油脂合成及积累的关键酶基因。通过分子对接、酵母突变体和遗传转化等测试精细表征了续随子甘油-3-磷酸酰基转移酶ElGPAT9特异催化油酸分子整合入TAG的独特机制。异源过表达ElGPAT9显著提高烟草含油量和18:1的富集，预示ElGPAT9可应用于基因工程培育“生物柴油”新种质。
图6 ElGPAT酶蛋白与脂肪酸酰基底物的分子对接分析
图7 酵母功能互补测试鉴定ElGPAT9酶学特性
该论文第一作者为林学院硕士研究生王壮琳，通讯作者为林学院葛丽萍副教授。孙岩博士后、李润植教授，以及苏云婷、王龄龄和马莉等硕士研究生参与该项研究。该项研究获河北省自然科学基金（#201901D111223）和河北省研究生创新项目（#2022Y325）等资助。
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成果4、揭示甘油-3-磷酸酰基转移酶PfGPAT9介导紫苏种子油脂和亚麻酸富集的独特功能
2023年10月12日，团队在《International Journal of Molecular Science》杂志（二区top，IF6.02）上发表了题为“Genome-Wide Analysis of Glycerol-3-Phosphate Acyltransferase (GPAT) Family inPerilla frutescensand Functional Characterization of PfGPAT9 Crucial for Biosynthesis of Storage Oils Rich in High-Value Lipids”的研究论文。本文通过全基因组鉴定获得紫苏编码甘油-3-磷酸酰基转移酶（GPAT）14个PfGPATs，基于紫苏转录组和相关生理生化数据解析PfGPAT各成员的生物学功能。应用酵母突变体和异源烟草遗传转化等技术系统论证了PfGPAT9催化TAG组装第一步酰化反应的底物偏好性等酶学特性，阐明PfGPAT9是紫苏种子亚麻酸（18:3）和油酸（18:1）富集的主要贡献者，作为优异靶基因可应用于紫苏等油料作物油脂代谢组装以期规模化生产富含亚麻酸和油酸的高端健康油脂。
图8 紫苏种子不同发育阶段PfGPAT基因表达和油脂动态积累
图9 紫苏ElGPAT9酶催化TAG合成功能分析
该论文第一作者是农学院博士研究生周雅莉，共同通讯作者为李润植和王计平教授。团队成员贾小云教授，黄旭升、胡婷、陈树溦、王尧、史先飞和尹苗等研究生参与该项研究。本研究获国家自然基金（31201266和31401430）、河北省重点研发项目（201603D312005和201803D221005-9）、河北省应用基础研究项目（20210302123418）和铃禹新闻网农学院特优育种工程（YZ2021-08）等资助。
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