Improvement of Neutral Lipid and Polyunsaturated Fatty Acid Biosynthesis by Overexpressing a Type 2 Diacylglycerol Acyltransferase in Marine Diatom Phaeodactylum tricornutum

Microalgae have been emerging as an important source for the production of bioactive compounds. Marine diatoms can store high amounts of lipid and grow quite quickly. However, the genetic and biochemical characteristics of fatty acid biosynthesis in diatoms remain unclear. Glycerophospholipids are integral as structural and functional components of cellular membranes, as well as precursors of various lipid mediators. In addition, diacylglycerol acyltransferase (DGAT) is a key enzyme that catalyzes the last step of triacylglyceride (TAG) biosynthesis. However, a comprehensive sequence-structure and functional analysis of DGAT in diatoms is lacking. In this study, an isoform of diacylglycerol acyltransferase type 2 of the marine diatom Phaeodactylum tricornutum was characterized. Surprisingly, DGAT2 overexpression in P. tricornutum stimulated more oil bodies, and the neutral lipid content increased by 35%. The fatty acid composition showed a significant increase in the proportion of polyunsaturated fatty acids; in particular, EPA was increased by 76.2%. Moreover, the growth rate of transgenic microalgae remained similar, thereby maintaining a high biomass. Our results suggest that increased DGAT2 expression could alter fatty acid profile in the diatom, and the results thus represent a valuable strategy for polyunsaturated fatty acid production by genetic manipulation.     

碱蓬转录组分析及油脂合成相关基因表达模式

碱蓬（Suaeda salsa）籽粒具有较高的含油量及丰富的不饱和脂肪酸,作为潜在的特种油料作物具有极高的开发和利用价值。为了全面研究碱蓬中油脂合成相关基因的构成及表达模式,本文利用Illumina HiSeq 2000高通量测序平台对碱蓬根、叶和发育期种子进行转录组检测和分析,筛选碱蓬发育期种子和叶片转录组中参与油脂合成途径的关键脂类基因,并对其差异表达模式进行了比较分析。本研究测序共计产出106 647条Unigenes,通过与各蛋白数据库比对,其中76 755条Unigenes成功获得了功能注释。共有45个Unigenes编码参与脂肪酸（FA）合成的关键酶,其中25个Unigenes在发育期种子中上调表达;多个编码ACCase、KASⅢ和EAR等的Unigenes上调表达;且7个编码酰基载体蛋白去饱和酶（SAD）的Unigenes中有5个在发育期种子中显著上调,可能与碱蓬油脂中不饱和脂肪酸的生成相关。共有30个Unigenes编码参与三酰甘油（TAG）合成的关键酶,其中16个Unigenes在发育期种子中上调表达,包括多个编码GPAT和DGAT的Unigenes。本研究对解析碱蓬脂类代谢途径的调控模式及发掘参与碱蓬油脂合成的关键基因具有重要的意义和参考价值。     

三个花生二酰甘油酰基转移酶基因的克隆与序列分析

二酰甘油酰基转移酶在植物油脂合成途径中具有重要的作用。本研究通过构建花生种子全长cDNA文库,结合大规模EST测序和RACE克隆等方法,从花生中克隆得到了三个DGAT基因,分别命名为AhDGAT1-1、AhDGAT1-2和AhDGAT3-3。其中AhDGAT1-1全长为2020bp,ORF为1539bp,理论分子量为58.6036kD,理论等电点为8.83;AhDGAT1-2全长为2553bp,ORF为1581bp,理论分子量为60.6598kD,理论等电点为8.94;AhDGAT3-3全长为1377bp,ORF为1023bp,理论分子量为36.911kD,理论等电点为8.17。将这三个基因在GenBank上注册,注册号分别为KC736068,KC736069和KC736067。     

Fatty Acid Production and Direct Acyl Transfer through Polar Lipids Control TAG Biosynthesis during Nitrogen Deprivation in the Halotolerant Alga Dunaliella tertiolecta

The aims of this work were to evaluate the contribution of the free fatty acid (FA) pool to triacylglyceride (TAG) biosynthesis and to try to characterize the mechanism by which FA are assimilated into TAG in the green alga Dunaliella tertiolecta. A time-resolved lipidomic analysis showed that nitrogen (N) deprivation induces a redistribution of total lipidome, particularly of free FA and major polar lipid (PL), in parallel to enhanced accumulation of polyunsaturated TAG. The steady-state concentration of the FA pool, measured by prolonged ¹⁴C-bicarbonate pre-labeling, showed that N deprivation induced a 50% decrease in total FA level within the first 24 h and up to 85% after 96 h. The abundance of oleic acid increased from 50 to 70% of total free FA while polyunsaturated FA (PUFA) disappeared under N deprivation. The FA flux, measured by the rate of incorporation of ¹⁴C-palmitic acid (PlA), suggests partial suppression of phosphatidylcholine (PC) acyl editing and an enhanced turnover of the FA pool and of total digalactosyl-diacylglycerol (DGDG) during N deprivation. Taken together, these results imply that FA biosynthesis is a major rate-controlling stage in TAG biosynthesis in D. tertiolecta and that acyl transfer through PL such as PC and DGDG is the major FA assimilation pathway into TAG in that alga and possibly in other green microalgae. Increasing the availability of FA could lead to enhanced TAG biosynthesis and to improved production of high-value products from microalgae.     

Investigation of diacylglycerol acyltransferase (DGAT) activity of microsomes from the seeds of three euphorbs

Unusual fatty acids such as ricinoleate (12-hydroxyoleic acid) occurring in Ricinus communis L. or vernoleate (12,13-epoxyoleic acid) occurring in Euphorbia lagascae L. are suitable for industrial uses. Euphorbia lathyris L. is also a potential new oilseed crop on account of its high content of oleic acid in the seeds. The objective of this work was to test in vitro the preferences of E. lathyris microsomes for its native substrates (oleoyl-CoA and diolein) and to compare with R. communis and E. lagascae systems.The diacylglycerol acyltransferase (DGAT) catalyses the final step in transferring a fatty acid moiety to a diacylglycerol (DAG) into a triacylglycerol (TAG). To study the DGAT activity in microsomes of the three euphorbs: (1) plants of the three species were grown in a glasshouse at Instituto Murciano de Investigación y Desarrollo Agrario y Alimentario (Murcia, Spain), (2) endosperms were removed from developing seeds and the tissue was extracted, (3) in vitro DGAT assays using [¹⁴C]-oleoyl-CoA with or without 1,2-diolein were carried out and 4) labelled TAG were recorded using a molecular imager and a scintillation counter.Incorporation of [¹⁴C]-oleoyl into TAG was greater in R. communis and E. lathyris (72–89% of total TAG) than in E. lagascae. Adding exogenous 1,2-diolein (1 mM) to E. lagascae microsomes increased the amount of labelled TAG to 39%, suggesting that other acyl groups were being incorporated as well. R. communis and E. lagascae microsomes gave more-polar radiolabelled TAGs than E. lathyris possibly because endogenous DAGs (not 1,2-diolein) were being used in the reaction. Although E. lathyris microsomes showed specificity towards 1,2-diolein as a substrate, the preparations from R. communis, E. lagascae and E. lathyris were able to use the acyl donor and acyl receptor, possibly suggesting that DGAT enzymes would not be a limiting factor to engineer Euphorbiaceae crops with functionalized fatty acids.     

甘蓝型油菜皖油12种子中含芥酸甘油三酯的空间分布

油菜是重要工业原料芥酸(C22:1)的来源作物,从空间分布的角度解析油菜种子中芥酸积累的机制,为高芥酸油菜育种提供新方法.利用基质辅助激光解吸电离-质谱成像技术,以芥酸含量为26％的甘蓝型油菜皖油12为材料,分析甘油三酯(triacylglycerol,TAG)在种子的外子叶、内子叶及胚轴中的空间分布.结果表明C58、...     

三角褐指藻 LPAAT基因在酵母中表达对脂肪酸的影响

从三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）中克隆到1 632bp的溶血磷脂酸酰基转移酶(LPAAT)全长cDNA,其中包含的开放阅读框被命名为PtLPAAT。在毕赤酵母中异源表达PtLPAAT基因,诱导培养45h时随机选取的3个酵母转化子总脂肪酸含量分别提高了2.68%、11.14%、31.28%;诱导培养72h时同样的转化子总脂肪酸含量分别提高11.59%、18.72%、46.63%。用薄层层析法分离48h后的酵母菌体的甘油三酯,并用气相色谱法测定其脂肪酸,结果显示：与非转基因对照菌株相比,其油酸提高了0.9倍、亚油酸提高了5倍。用荧光定量PCR检测发现PtLPAAT基因的表达量随三角褐指藻油脂不断积累逐渐升高。表明在酵母中表达PtLPAAT基因不仅能够明显地提高其脂肪酸含量,而且还能选择性结合不饱和脂肪酸到甘油三酯中。     

豆科全基因组DGAT 基因家族的鉴定与进化分析

本文运用生物信息学方法在12个豆科植物基因组中对DGAT（甘油二酯酰基转移酶）基因进行了全基因组鉴定，发现在四倍体花生和大豆基因组中含有的基因拷贝数相对较多，分别为17、10，这可能是导致其油脂合成能力高于其他作物的重要因素。通过对家族基因进行系统发育分析，发现DGAT 基因在真双子叶植物分化之前已存在，在豆科植物中经历反复的全基因组加倍，使得家族得到扩张；并且串联重复对于家族扩增起到了不可忽视的作用，如葡萄中的两个旁系同源基因，由于串联重复使得基因拷贝数量提高了150%。大豆中DGAT 基因在不同的组织中表达模式与其系统发育关系也表现出了关联性。该基因家族相对保守，与豆科基因组进化基本保持了一致的进化速率。本研究对于认识豆科植物DGAT 基因进化过程具有重要的理论意义，同时在基因组学水平为大豆、花生等油脂合成品质改良提供了理论支撑。     

大麦根系响应湿害胁迫的转录组分析

湿害是影响大麦产量和品质的主要非生物胁迫之一。为进一步明确大麦响应湿害胁迫的应答机理,本研究以耐湿大麦品种泰兴9425为材料,利用高通量转录组测序(RNA-seq)技术,比较不同湿害胁迫时间下的基因表达差异。结果表明,湿害胁迫12 h后获得1 436个差异表达基因,而胁迫48 h后获得2 090个差异表达基因,其中共同上调表达基因286个。GO富集分析发现,涉及代谢过程、细胞膜、催化活性等的差异表达基因占比最多。KEGG富集分析发现,差异表达基因主要富集于糖酵解、类黄酮生物合成、乙烯合成等代谢通路。对7个耐湿相关的候选基因进行qRT-PCR分析,发现差异表达基因的表达量变化趋势与RNA-seq结果一致。     

花生蛋白突变体籽粒不同发育时期转录组分析

花生是优质的食用蛋白资源,在食品工业中有广泛的应用。本研究通过对潍花8号进行EMS诱变获得蛋白质含量显著增加的突变体,并对潍花8号突变体及其野生型开花后20天、40天和60天的籽粒分别进行转录组测序,构建野生型（P05-20、P05-40、P05-60）和突变体（P06-20、P06-40、P06-60）样品文库。将野生型与突变体3个不同发育时期测序结果进行比对,分别获得2936、3329、2849个差异表达基因,上调的差异表达基因为1599、2471、707个,下调的差异表达基因为1337、858、2142个。对差异基因进行KEGG富集分析,分别得到26、23、31条具有显著差异的代谢通路,其中与蛋白质合成相关的通路有糖酵解/糖异生、脂肪酸生物合成、丙酮酸代谢,并在其中筛选到15个与蛋白质合成相关的候选基因。该转录组测序结果有利于揭示花生籽仁中蛋白质合成调控的相关基因,为更好地理解油料作物蛋白质合成机制提供了理论依据。     

茶树紫芽中花青素形成相关基因差异表达分析

花青素是一类广泛存在于植物中的水溶性色素,作为一种强自由基清除剂,它具有抗炎,抗氧化,降血压,降血糖等多种保健功能。紫芽茶树作为一种高花青素含量的特异性茶树资源,其研究与利用越来越受人们的关注。为了解茶树紫芽中花青素形成的分子机理,本研究通过对湖南农业大学自选紫芽品种9803与绿芽品种9806进行转录组测序及生物信息学分析,筛选得到42条与花青素代谢相关的unigene,其中比对到参考基因组中的有34条,未在参考基因组中登录的有8条。KEGG富集分析表明这42个基因被富集到5个代谢通路中,包括类黄酮合成途径,木质素合成途径,黄酮和黄酮醇合成途径,油菜素甾醇合成途径,以及参与转录因子的编码。通过荧光定量PCR验证,差异基因荧光定量PCR变化趋势与转录组测序结果一致,转录组测序数据可靠。本次试验在转录组水平上筛选出了茶叶紫芽花青素代谢相关的差异基因,为进一步揭示茶叶紫芽产生的分子机理奠定了基础。     

油用牡丹PEPC 基因的克隆及表达分析

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）是调控植物种子中蛋白质/油脂含量比例的关键酶。利用RT-PCR和RACE技术，从油用牡丹（Paeonia ostii）叶片中克隆得到1个PEPC 基因PaPEPC2（GenBank登录号为：MK606450）。其cDNA全长为3201bp，包含2898 bp开放阅读框，编码965个氨基酸。PaPEPC2 编码蛋白分子量为110.3 kD，理论等电点为5.65，属于酸性亲水性蛋白；二级结构预测表明，该蛋白的主要结构为α螺旋和不规则卷曲。氨基酸序列比对和进化树分析表明，PaPEPC2 基因编码的蛋白属于C3型PEPC，与葡萄的C3型PEPC蛋白（XP_002280569.1）亲缘关系最近。实时荧光定量分析表明，PaPEPC2 基因在茎、叶、花芽和子房中均有表达，其中在茎和子房中的表达水平最高，在花芽中表达水平最低；在种子发育过程中，该基因表达水平呈现先升高，后降低的趋势，其中在发育42 d时表达水平最高；在种子收获后，常温存放7 d时，该基因表达水平最高，随后其表达水平逐渐下降。由此推测， PaPEPC2 基因在油用牡丹种子发育和成熟过程中对油脂和蛋白的合成起阶段性调控作用。     

小麦品种西农979抗赤霉病基因的转录组测序鉴定

小麦品种西农979对赤霉病具有较好的抗性。为了发掘西农979的抗赤霉病基因,本研究采用禾谷镰刀菌菌株BN-8分别接种抗病品种西农979与感病品种周麦18,取接种前西农979颖壳及接种后12、24和96 h的西农979与周麦18颖壳进行转录组分析,筛选抗感赤霉病差异表达基因,并对其进行GO功能注释及KEGG富集分析。结果表明,接种后12、24和96 h各出现14、1 978和142个差异表达基因,共计2 122个基因。这些基因经GO功能注释分类分成3大类43个亚类,主要涉及代谢过程、细胞过程、应激反应、生物调控、细胞部件、细胞、催化活性、结合、转运活性等。KEGG通路分析结果显示,内质网中的蛋白质加工通路中差异基因最多,有48个;其次是光合作用—天线蛋白通路及淀粉和蔗糖代谢通路,各含41和30个差异基因;显著富集的通路有光合作用—天线蛋白、内质网中的蛋白质加工、萜骨架的生物合成等。植物激素信号转导通路中发现27个差异基因,参与脱落酸和茉莉酸等路径;植物-病原体互作通路中发现19个差异基因,编码钙结合蛋白、WRKY转录因子、抗病蛋白等。此外,还筛选到UDP-葡萄糖基转移酶基因等脱毒相关蛋白基因。     

小麦近等基因系幼穗二棱期转录组分析

抽穗期是与小麦适应性直接相关的一个很重要的性状,直接或间接影响小麦的产量和抗性。为明确控制抽穗期的关键表达基因,以抽穗期分别为196d和184d的小麦近等基因系Y57和96-2为材料,对其二棱期幼穗分别构建转录组测序文库,利用Illumina HiSeq 2500平台进行RNA-seq测序;将获得的clean read与中国春参考序列比对,得到unique read,采用FPKM法计算基因表达量,对差异表达基因进行功能注释、GO和COG功能分类以及KEGG通路分析。结果表明,供试材料经过测序获得质量不低于30的碱基比例(Q30)均高于85.5%;Y57和96-2分别有60 246 194和60 963 580条clean read,其中63.11%和69.51%能与参考基因组序列匹配。共筛选到395个差异表达基因,有382个基因得到功能注释;有298个基因获得GO功能注释,主要涉及细胞组分、结合、细胞反应和代谢过程;COG注释的基因主要涉及一般功能、信号转导机制和转录;KEGG功能注释分析发现,显著富集在光合作用-天线蛋白通路上的基因均上调表达。编码丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶2A的基因在Y57中几乎不表达,而在96-2中表达量较高。进一步分析发现,多个与生长发育、抽穗开花相关的转录因子在两个材料中的表达差异显著。此结果可为深入研究抽穗期相关基因和穗发育调控机制奠定基础。     

水稻萌发期激素信号转导和谷胱甘肽代谢转录分析

【目的】利用转录组测序技术,探究水稻萌发过程中激素信号转导和细胞内部氧化还原平衡的调控机理,以期增加对萌发过程中复杂调控机制的理解,促进萌发期基因组转录调控网络的构建,并挖掘调控种子萌发的相关基因,为水稻直播稻新品种选育提供理论参考。【方法】利用萌发0、24和48 h的种子进行动态转录组测序分析,以差异倍数≥2、错误发现率≤0.05为阈值筛选差异基因,并利用Gene Ontology(GO)和KEGG Pathway数据库对萌发不同阶段的差异基因进行分析注释;同时利用实时荧光定量PCR对测序结果进行验证;最后运用String蛋白互作数据库以combined_score≥0.9为阈值分析差异基因的蛋白互作网络。【结果】在种子萌发前期鉴定到8719个差异基因,而在萌发后期仅鉴定到3480个。GO和KEGG富集结果均显示与激素信号转导相关的基因主要在萌发前期被诱导,特别是生长素信号转导途径中的GH3家族基因在萌发前期均受到显著诱导;而谷胱甘肽代谢途径中的基因在萌发后期转录更为活跃,其中谷胱甘肽-S-转移酶基因富集最多。此外,两个异柠檬酸脱氢酶基因在萌发过程中被显著诱导,经蛋白互作预测发现两个异柠檬酸脱氢酶基因与GH3家族基因可能存在相互作用。【结论】在种子萌发前期,生长素信号转导途径中的GH3家族基因可能在减弱生长素信号以及降低生长素活性方面发挥着重要作用,其高表达能降低生长素对种子的休眠作用,促进萌发启动;在种子萌发后期,谷胱甘肽代谢途径中的谷胱甘肽-S-转移酶基因可能在细胞抵抗氧化胁迫中发挥主要作用;此外,在整个萌发过程中,GH3和异柠檬酸脱氢酶家族基因的相互作用可能在实现激素转导途径和谷胱甘肽代谢途径的交互串联作用、共同调控种子萌发方面具有重要意义。