布鲁克海文国家实验室的科学家发现了一种突变，使正常的拟南芥植物（左）缺乏甾醇（右）。他们进行了广泛的遗传和生化实验，以确定甾醇在油滴形成中的重要作用。图片来源：布鲁克海文国家实验室
科学家发现植物油积累所必需的甾醇
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——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中油储存和代谢的重要细胞器，”美国能源部布鲁克海文国家实验室的生物学家徐长城说，谁领导了这项研究。研究结果发表在Nature Communications ，可能会提出新的方法来设计各种植物组织的含油量。
布鲁克海文实验室生物学家 Changcheng Xu 和他的团队一直在探索让植物在叶子和茎中积累更多油脂的方法，这些油脂丰富的植物组织可以用于生物能源应用。图片来源：布鲁克海文国家实验室
这项工作对于告知旨在提高叶和茎含油量的基因工程策略可能特别重要。科学家们说，这些植物组织通常不会积聚油脂，但它们可以被设计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的积累，植物种子中油的主要自然积累。这些天然的植物油库为植物胚胎和幼苗以及动物和人类提供营养。
“我们发现，缺乏特定类型的甾醇会导致种子和叶子中的油脂积累减少，”徐说。
石油生产的绿灯
徐和他的团队多年来一直致力于增加植物叶子和茎中的油脂积累。
“与种子相比，叶子作为一种可能的生物能源材料要丰富得多，”他指出。 “此外，由于种子中的油用于食物，我们正在努力在植物的非种子部分（如叶子和茎）中积累油和其他商品生物产品，以避免食物和燃料之间的竞争。”
液滴发出绿色光：布鲁克海文实验室的科学家设计了拟南芥植物，使其表达附着在油质蛋白上的绿色荧光蛋白，油质蛋白是一种稳定脂滴 (LD) 的蛋白质。在上排，这些 LD 在荧光显微镜下很容易在对照植物的叶子中发现（左），但在缺乏甾醇的突变体的叶子中（右）则不然。下排电子显微镜图像显示甾醇突变体种子中 LD 大小增加但 LD 数量减少。图片来源：布鲁克海文国家实验室
该团队使用常见的实验室植物拟南芥在让叶子积累大量油脂方面取得了一些进展。
他们开发了一种巧妙的方法来跟踪石油积累。通过基因工程，他们创造了拟南芥植物，其中一种绿色荧光蛋白总是附着在一种叫做油质蛋白的蛋白质上。油质蛋白仅积聚在脂滴表面。它形成细胞内这些储油隔间周围的膜的一部分，以帮助稳定它们。如果植物组织样本（叶、茎或种子）含有脂滴，它们在荧光显微镜下会以小绿点的形式出现。
“我们用诱变剂处理了我们的拟南芥植物，试图引发突变，从而增加油的积累，”徐说，他使用荧光技术来识别具有更多和/或更大绿点的菌株。
具有讽刺意味的是，他们在几乎不积油的拟南芥菌株中发现了甾醇。
“当前工作的主要目的是找出导致石油积累急剧下降的基因改造，”徐说。 “我们认为追踪这个基因可能会给我们一些新的基因/蛋白质，这些基因/蛋白质对脂滴的形成或积累很重要。”
内部组装线索
在微观尺度上，科学家们知道脂滴是在细胞的“内质网”或 ER 中形成的。那是细胞内膜的内部网络（而不是细胞周围的膜），其作用类似于一种工厂——组装和包装各种材料，例如蛋白质和脂质。
油滴形成：油（黄色）积聚在形成内质网（ER）的膜层之间——内质网是植物细胞细胞质内的膜网络。液滴生长并最终夹断以悬浮在细胞质中。但是这个过程只发生在某些沿着膜富含甾醇和油质蛋白的微区中。 Brookhaven 团队假设甾醇对于这些形成液滴的微区的形成至关重要。图片来源：布鲁克海文国家实验室
当油开始在 ER 膜的两层之间积聚时，就会形成脂质储存液滴，但仅限于 ER 的某些区域。最终，当有足够的油存在时，小膜片会夹断，将油包裹在独立的隔间中。
正如 Brookhaven 的研究表明的那样，研究一种不积累这些脂滴的植物可以为驱动这一过程的生化因素提供线索，以及它发生的特定 ER 域的独特之处。
专注于基因
为了弄清楚是哪种突变引发了石油积累的急剧下降，布鲁克海文团队使用了一种称为位置克隆的技术——一种搜索染色体每个区域的方法，以查明导致感兴趣特征的特定基因。该技术将搜索范围缩小到植物染色体之一的特定区域。
“这个区域仍然包含数百个候选基因，”徐说。
在使用全基因组测序搜索该区域的任何突变后，该团队确定了一个他们怀疑涉及的基因。该基因编码一种酶，负责多步合成甾醇的一个生化步骤，甾醇是一种存在于内质网和其他细胞膜中的与胆固醇相关的分子。
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，基因敲除的植物没有积累脂滴。此外，加回未突变基因可恢复油滴积累。
“这项实验提供了明确的证据，证明甾醇在油滴的形成中起着至关重要的作用，”徐说。
但科学家们走得更远。他们还研究了如果他们在多步甾醇合成途径中从这种特定酶的“上游”突变酶基因会发生什么。他们还测量了这些突变体中的甾醇水平。
详细的研究使他们能够将特定类型的甾醇归零，这种甾醇在缺乏时会导致低油积累。
相同基因的突变导致叶片和种子中油脂积累减少。在更容易看到脂滴的种子中，科学家们还对其形状和大小进行了定量研究。
这些结果共同为这种特殊甾醇在脂滴形成中的普遍作用提供了证据。
“我们相信这种甾醇对于 ER 膜中微结构域的形成至关重要，该微结构域参与脂滴的形成，”Xu 说。 “甾醇的缺乏导致这种微区的形成有缺陷。”
既然他们知道这些基因被关闭时会发生什么，科学家们建议开启它们并提高其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。
该团队将在未来的实验中探索这些策略。
参考：“在种子发育过程中脂滴的协调组装需要甾醇”，作者：Linhui Yu、Jilian Fan、Chao Zhou 和 Changcheng Xu，2021 年 9 月 22 日，Nature Communications .
DOI：10.1038/s41467-021-25908-6
这项工作由美国能源部科学办公室 (BES) 资助。
