New Phytologist | 海南大学王将博士揭示代谢工程重塑植物营养器官油脂合成新路径

植物油脂是可再生生物柴油及高附加值化学品的重要原料。通过代谢工程将植物叶片、茎秆等营养器官改造为油脂合成与积累的“新工厂”，已成为植物合成生物学领域的研究热点。然而，常规代谢工程策略在促进油脂积累的同时，往往伴随不同程度的生长抑制，这制约了其商业化应用前景。

近日，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校植物生物学系Li-Qing Chen教授团队在国际期刊New Phytologist上在线发表了题为PPT1-mediated plastidic phosphoenolpyruvate import enhances fatty acid biosynthesis in sugar-rich tissues的研究论文。该研究揭示，在糖分积累条件下，增强叶片叶绿体中磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的供给，可加速糖酵解过程并促进脂肪酸的合成与积累。这一策略能够增加营养器官中的油脂积累，且不抑制植株生长。

该研究首先在野生型背景下过表达磷酸烯醇式丙酮酸/磷酸转运蛋白1（PPT1），发现其对脂肪酸积累无显著影响。进一步通过杂交获得可溶性糖含量升高约6倍的sweet11;12;13突变体，并在此突变体中过表达PPT1，结果发现总脂肪酸含量显著增加，同时中性脂滴、磷脂酰乙醇胺（PE）和磷脂酰胆碱（PC）等脂质也明显累积。靶向代谢物分析显示，sweet11;12;13突变体中糖酵解中间代谢物（如PEP、G6P、F6P、FBP、DHAP、G3P、2/3PGA等）显著累积，而过表达PPT1可将这些中间代谢物的水平降至野生型水平，提示糖酵解通路增强。

转录组分析表明，多条糖代谢和脂质代谢相关通路被显著富集。值得注意的是，半乳糖代谢通路中编码磷酸果糖激酶（PFK）的多个基因家族成员显著上调，PFK酶活性也得到显著激活。上述结果表明：在正常糖分条件下，过表达PPT1不影响胞质糖酵解过程，也不影响叶绿体中的脂肪酸合成；相比之下，在糖分积累条件下，过表达PPT1可能通过提高PFK酶活性来加速胞质糖酵解过程，并通过促进含碳化合物向叶绿体的分配进而增强脂肪酸的合成。

过表达PPT1在不同糖含量背景下调控脂肪酸合成的工作模型。

综上所述，在糖分积累条件下，增强植物营养器官中PEP向叶绿体的转运，可通过激活糖酵解关键酶PFK来加速胞质糖酵解，进而促进脂肪酸和脂质的积累。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Li-Qing Chen教授为本文的通讯作者，海南大学王将副研究员为本文的第一作者。

文章链接：

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/nph.71160