科学家针对荠菜种子进行工程改造，实现乙酰-TAG超高水平积累

在能源转型的背景下，科学家们一直在寻找可再生且高效的生物燃料来源。近日，PNAS 期刊上刊登了一项来自堪萨斯州立大学的研究，展示了基因工程如何让亚麻荠和芥菜种子成为生产优质生物柴油的平台。题为“Targeted engineering of camelina and pennycress seeds for ultrahigh accumulation of acetyl-TAG”，这项突破性研究通过精准的基因改造技术，将这些植物的种子油脂转化为“乙酰化三酰甘油（acetyl-TAG）”，为低成本、高性能的绿色能源带来了新的希望。

为什么科学家要改造种子的油脂呢？原来，普通植物种子的油脂多为粘稠的三酰甘油（TAG），这类油脂虽然适合作为食用油，但并不适合用作燃料。而乙酰化三酰甘油（acetyl-TAG）则是种不一样的分子，其结构中多了一个“乙酰基”，使得油脂的粘度更低，并能在低温下保持液态。这一特性让乙酰化三酰甘油成为理想的生物柴油原料。科学家们的目标就是通过基因改造，让普通植物种子也能大量生产这种优质油脂。亚麻荠和芥菜因其生长周期短、易于基因改造、适应性强且无需高投入管理而成为理想的基因工程改造候选作物。

在这项研究中，科学家通过一系列精准的基因改造策略，成功将亚麻荠和芥菜种子的油脂转化为高比例的乙酰化三酰甘油（acetyl-TAG）。

首先，研究团队通过基因编辑技术敲除了种子中的 FAE1 基因。该基因负责催化长链脂肪酸（VLCFAs）的合成，而这些脂肪酸的生成需要消耗大量乙酰辅酶 A（acetyl-CoA）。乙酰辅酶 A 是生成乙酰化三酰甘油的关键原料，参与脂肪酸的延长过程。为了增加乙酰辅酶 A 的可用量，研究人员敲除了 FAE1 的基因，其缺失会阻止长链脂肪酸的合成，从而将乙酰辅酶 A“解放”出来，供 EfDAcT 优先利用。实验数据显示，敲除 FAE1 后，芥菜种子的乙酰辅酶A水平相比野生型提高了 57%。

在提升乙酰辅酶 A 供应的基础上，研究团队引入了 EfDAcT 基因，这个基因来源卫矛（Euonymus fortunei），可以将乙酰辅酶 A 中的乙酰基附着到二酰甘油（DAG）的分子结构上，生成乙酰化三酰甘油。实验表明，在仅引入 EfDAcT 的情况下，亚麻荠种子中乙酰化三酰甘油的含量达到 75%，芥菜种子则达到 95%，远超未改造种子。

尽管 EfDAcT 酶可以高效生成乙酰化三酰甘油，但另一种酶 DGAT1 也在同时竞争 DAG 这一底物，用于合成普通的三酰甘油（TAG）。为了减少这种竞争，研究团队通过 RNA 干扰（RNAi）技术抑制了 DGAT1 的表达。数据显示，在 RNAi 抑制 DGAT1 后，亚麻荠种子中的乙酰化三酰甘油含量进一步提升至 93%。在芥菜种子中，这一优化效果更为显著：通过同时引入 EfDAcT 和抑制 DGAT1，芥菜种子的乙酰化三酰甘油含量达到 98%，这是迄今为止所有研究中最高的记录。

图 | 对转基因芥菜品系中与甘油三酯（TAG）相关基因表达水平的评估（来源：上述论文）

通过改造，在亚麻荠的种子中，乙酰化三酰甘油的含量提高到 93%，而芥菜种子的乙酰化三酰甘油含量更是达到 98%。这意味着绝大部分种子油脂都被成功改造成了低粘度、高性能的燃料油。这样的成果已经超过了以往所有类似研究的记录，并且与自然界中卫矛种子的乙酰化三酰甘油含量持平甚至更高。更重要的是，研究发现，这种改造对植物本身的种子特性和生长影响较小。尽管改造后的种子稍微变小，发芽率略有下降，但总体上植物的生长与传统作物无异。

这项来自堪萨斯州立大学的研究展示了基因工程的强大力量。通过精准操控植物的遗传密码，科学家们成功改造了亚麻荠和芥菜种子，使其成为生产优质生物柴油的理想原料。这不仅是一项科学突破，也是一场绿色能源革命的序幕。未来，当我们在车流中行驶时，或许会有一种满足感：这些燃料可能来自某块田地里的芥菜种子，为地球的可持续发展贡献了一份力量。

1. Linah Alkotami et al, Targeted engineering of camelina and pennycress seeds for ultrahigh accumulation of acetyl-TAG, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2412542121

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