科学家们发现甾醇是植物中积累油脂所必需的

试图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，它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储存和代谢石油的重要细胞器，”美国能源部布鲁克海文国家实验室的生物学家Changcheng Xu说。发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的这一发现，可能会为设计各种植物组织的油脂含量提供新方法。

这项工作可能对提高叶和茎含油量的基因工程策略具有特别重要的意义。科学家们说，这些植物组织通常不会积聚油脂，但它们可以被改造成一种丰富的可持续油脂来源，用于制造生物燃料和其他商品。

这些发现也适用于植物种子中油脂的积累，这是植物中油脂自然积累的主要地方。这些天然的植物油储藏库为植物胚胎和幼苗提供营养，也为动物和人类提供营养。

Xu教授说:“我们发现，一种特殊类型的甾醇的缺乏会导致种子和叶子中积累的油脂减少。”

Xu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。

“作为一种可能的生物能源材料，叶子与种子相比要丰富得多，”他指出。“此外，由于种子中的油可以用作食物，我们正在努力在植物的非种子部分(如叶和茎)积累石油和其他生物产品，以避免食物和燃料之间的竞争。”

该团队利用实验室常见的植物拟南芥，在让叶子积累大量油脂方面取得了一些进展。

他们发明了一种追踪石油积累的简便方法。通过基因工程，他们创造出了一种绿色荧光蛋白总是附着在一种叫做油苷的蛋白上的拟南芥植株。Oleosin只积聚在脂滴的表面。它形成了包围细胞内储油室的膜的一部分，以帮助稳定细胞。如果植物组织的样本——叶子、茎或种子——含有脂滴，在荧光显微镜下它们就会变成绿色的小点。

“我们用诱变剂处理拟南芥，试图触发突变，增加油的积累，”Xu说，使用荧光技术来识别有更多和/或更大绿点的菌株。

具有讽刺意味的是，他们在一种几乎不积累油脂的拟南芥菌株中发现了固醇。

“当前工作的主要目的是找出是哪种基因改造导致了石油积累的急剧下降，”Xu说。“我们认为追踪这个基因可能会给我们提供一些在脂滴形成或积累中重要的新基因/蛋白质。”

在显微镜下，科学家们知道脂滴是在细胞的“内质网”或ER中形成的。这是细胞内部的膜网络(不是包围细胞的膜)，它的作用类似于工厂——组装和包装各种材料，如蛋白质和脂质。

当油开始在内质网两层膜之间积聚时，脂质储存滴就形成了，但只在内质网的某些区域。最终，当有足够的油存在时，小膜块就会被挤压掉，让油包裹在独立的隔间里。

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提供线索，以了解驱动这一过程的生化因素，以及发生脂滴的特定内质网域的独特之处。

为了弄清楚是哪一种突变导致了石油积累的急剧下降，布鲁克海文的研究小组使用了一种被称为定位克隆的技术——一种搜索染色体每个区域的方法，以确定一个特定的基因，该基因负责一个感兴趣的特征。这项技术将搜索范围缩小到一种植物染色体的特定区域。

“这个区域仍然包含数百个候选基因，”Xu说。

在使用全基因组测序来寻找该区域的任何突变后，研究小组确定了一个他们怀疑与之有关的基因。该基因编码一种酶，负责甾醇多步骤合成过程中的一个生化步骤，甾醇是一种在内质网和其他细胞膜中发现的与胆固醇有关的分子。

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效果。也就是说，基因被敲除的植物不会积聚脂滴。此外，添加未突变基因恢复了油滴积累。

Xu说:“这个实验提供了明确的证据，证明固醇在油滴的形成过程中起着至关重要的作用。”

但科学家们走得更远。他们还研究了在多步甾醇合成途径中，如果在这个特定酶的“上游”突变酶的基因，会发生什么。他们测量了这些突变体的固醇水平。

详细的研究使他们能够锁定特定类型的甾醇，当缺乏时，导致低油积累。

相同基因的突变导致叶子和种子中油的积累减少。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。

这些结果为这种特殊的固醇在脂滴形成中的普遍作用提供了证据。

Xu教授说:“我们认为这种固醇对于内质网膜微域的形成至关重要，而微域参与了脂滴的形成。”固醇的缺乏导致了这种微域形成的缺陷。

现在科学家们知道了当这些基因被关闭时会发生什么，他们认为打开这些基因并增加它们表达的策略可能是增加叶子、茎或种子中油脂积累的一种方法。

DOI

10.1038 / s41467 - 021 - 25908 - 6

在种子发育过程中，脂滴的协调组装需要甾醇