7月12日，西北農林科技大學聯合華南師范大學、美國蒙大拿州立大學在《Plant Biotechnology Journal》發(fā)表了題為“Creating ultra-high linolenic acid camelina by co-expressing AtFAD2sm with synonymous mutations and BnFAD3 in the fae1 mutant”的研究論文，成功開發(fā)出α-亞麻酸（ALA, 18:3）含量最高達69.5%的亞麻薺（Camelina sativa）新種質，創(chuàng)下油料作物ω-3脂肪酸含量的新紀錄！該成果為解決人類膳食中ω-3/ω-6脂肪酸嚴重失衡問題提供了創(chuàng)新性方案。該研究第一作者為農學院博士生李娜，通訊作者為張猛教授。
α-亞麻酸是人體必需的歐米伽3多不飽和脂肪酸，對預防心血管疾病、炎癥和癌癥至關重要。現代植物油工業(yè)為延長保質期，普遍培育高油酸/低亞麻酸品種，導致膳食中ω-6/ω-3比例嚴重失調（典型飲食比例達15:1，遠高于理想值1-4:1）。油料作物種子中亞麻酸合成需要Δ12-去飽和酶（FAD2）和Δ15-去飽和酶（FAD3）相繼催化形成，然而，自該兩種基因功能鑒定30余年來，其在亞麻酸改良上遇到了諸多障礙。其中最主要的問題是FAD2的轉基因共抑制問題（Du等，2019）。為改善油料作物亞麻酸含量，該團隊提出三重創(chuàng)新策略：1）雙酶協同表達：引入經同義突變優(yōu)化的擬南芥Δ12-去飽和酶基因AtFAD2sm（克服轉基因沉默），疊加甘藍型油菜Δ15-去飽和酶基因BnFAD3；2）時空精準調控：采用種子特異性啟動子（Phaseolin）確保酶在種子發(fā)育期高效表達；3）阻斷競爭通路：利用基因編輯敲除脂肪酸延長酶基因FAE1，阻止油酸（18:1）向超長鏈脂肪酸轉化，使代謝流定向涌向ALA合成（前期研究證實此突變不影響作物生長）。
該研究在全基因同義突變（FAD2sm）可以有效克服FAD2轉基因共抑制的研究基礎上，在擬南芥野生型上聯合表達BnFAD3。在確定可行性后，進而在野生型亞麻薺中聯合表達，將亞麻酸含量從30%提高到50%。進而在擬南芥fae1突變體中阻斷脂肪酸延遲通路后，聯合表達FAD2sm和BnFAD3，可以將亞麻酸含量從20%提高到50%。最后，在基因編輯的亞麻薺fae1突變體中，共表達AtFAD2sm+BnFAD3實現亞麻酸含量68.3%（OE 5-1株系），較野生型（31.1%）提升120%，較單過表達FAD3的對照（50%）提升39.4%。更為重要的是，亞麻酸含量穩(wěn)定遺傳至T4代，含量保持在65.1–69.5%，并且超高亞麻酸的積累沒有影響種子含油量、千粒重和發(fā)芽率等農藝性狀，該材料可以直接應用于生產，并且可以將該方案應用于其油料作物亞麻酸的改良。該成果顯著優(yōu)于此前報道的亞麻薺ALA紀錄（50%，Park et al. 2023）及油菜最高值（53%，Liu et al. 2024）。
這項研究完美詮釋了代謝工程‘開源節(jié)流’策略——通過阻斷競爭途徑釋放碳流，再以智能基因設計強化目標通路，為油料作物精準育種樹立新標桿。該研究得到國家自然科學基金（32171837和32400256）的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1111/pbi.70260
