摘要：近日，Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了由东北农业大学陈庆山团队撰写的“Design of High-Diacylglycerol and Lecithin Soybean Seed Oil UsingGmPDATsandGm

近日， Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了由东北农业大学陈庆山团队撰写的“Design of High-Diacylglycerol and Lecithin Soybean Seed Oil Using GmPDATs and GmDGATs Knockout via a CRISPR-Cas9 System”论文。该研究通过CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除大豆中GmDGAT1A/B/C与GmPDAT1B/D/2A/2B基因，实现种子脂质合成途径重定向，成功创制出富含二酰甘油（DAG）和卵磷脂的大豆新种质。该成果为功能性食用油开发、大豆营养品质改良提供了有效策略与种质基础。

大豆是全球最重要的植物油原料之一，广泛应用于食品加工、饲料生产与生物燃料等领域。三酰甘油（TAG）是大豆油脂的主要成分，其经消化代谢后易转化为储能脂肪，增加机体代谢负担。DAG是天然的TAG替代脂质，具有促进脂肪氧化、抑制体质量增加、降低内脏脂肪含量、改善血清胆固醇水平、调节血糖等多种生理功能（Lee et al., 2020；Anikisetty et al., 2018）。此外，大豆油脂中还含有多种生物活性物质，如卵磷脂；在卵磷脂的组成成分中，磷脂酰胆碱（PC）占比最高，其次为磷脂酰乙醇胺（PE）和磷脂酰肌醇（PI）（Scholfield，1981）。卵磷脂兼具优良乳化特性与潜在健康益处 (如增强免疫力和缓解更年期症状），广泛应用于食品与医药领域（Higgins and Flicker, 2003）。然而，传统大豆油中DAG与卵磷脂含量较低，难以满足消费者对“营养+功能”的双重需求。

植物中TAG主要经Kennedy通路由DGAT（二酰甘油酰基转移酶）催化生成，亦可由PDAT（磷脂:二酰甘油酰基转移酶）以PC为酰基供体合成，这两种酶共同调控DAG—PC—TAG的碳流平衡（Zhang et al., 2009）。基于此，本研究采用CRISPR-Cas9技术在大豆中精准敲除 GmDGATs家族与GmPDATs家族关键成员，阻断TAG合成的两条主要通路，协同提升“高二酰甘油（高DAG）”与“高卵磷脂”两项优质性状，创制可直接应用的大豆新种质，并提出高效的油脂品质改良基因编辑策略。

本研究通过同源比对获得8个 GmPDAT家族基因和3个GmDGAT1家族基因（Roesler et al., 2016），结合基因表达、蛋白定位及功能互补验证等，选取GmPDAT1B/1D/2A/2B与GmDGAT1A /B/C作为候选基因。进一步构建含3个sgRNA的基因编辑载体（分别靶向GmDGAT1A/B/C、GmPDAT1B/D、Gm PDAT2A/B），通过农杆菌介导的大豆子叶节遗传转化体系，共获得34株T0阳性植株，其中11株在靶位发生突变（编辑效率32.35%），突变类型均为插入/缺失（indel）导致的移码突变。从突变株系（T1）中筛选出 8 个具有不同基因组合的纯合突变体（如dgat1ab/pdat2ab、dgat1abc/pdat1b2a等），用于后续成分与功能验证（图1）。

图1 GmDGATs-GmPDATs双基因敲除突变体的表型综合分析

脂质组学分析显示，所有突变体种子中DAG与PC含量均显著升高：其中突变体 c23-1的DAG与PC含量分别为野生型的10.0倍和7.56倍，突变体c23-3的DAG与PC含量分别为野生型的8.7倍和7.32倍。同时，突变体中磷脂酰肌醇（PI）、磷脂酰丝氨酸（PS）、磷脂酰甘油（PG）、磷脂酰乙醇胺（PE）含量也显著增加。此外，突变体种子外观及植株生长发育状态与野生型无显著差异，保障了新种质的育种实用性。本研究成功创制“高DAG-高卵磷脂”大豆新种质，同时验证了面向油脂品质定向改良的高效多基因编辑策略。

机制层面， GmDGAT1A/B/C基因敲除阻断了Kennedy途径中依赖酰基-CoA的TAG合成关键反应步骤，导致TAG合成前体物质DAG大量积累；而GmPDAT1B/D/2A/B基因敲除则抑制了以PC为酰基供体的TAG替代合成途径，促使PC及其他磷脂类物质积累。值得注意的是，同时敲除上述DGAT与PDAT家族基因可产生显著协同效应，尤其DGAT1A、DGAT1B与PDAT1B的联合敲除株系，其DAG与PC含量达到最高水平。这种双通路阻断策略可有效将代谢流从TAG合成途径导向DAG与PC的积累过程。

东北农业大学陈庆山教授、杨明亮副教授、胡振帮为本论文的通讯作者，东北农业大学赵莹副教授为本论文的第一作者，东北农业大学博士研究生张滨烁、田慧琳（已毕业）、刘洋、崔一凡（已毕业）、王思慧也参与了研究工作。本研究得到了科技创新2030-农业生物育种重大项目（2023ZD0403101）、国家自然科学基金（32501888、U23A201783、32272093）的资助。

论文链接：

参考文献：

l Anikisetty, M., Gopala Krishna, A.G., Panneerselvam, V., and Kamatham, A.N. (2018). Diacylglycerol (DAG) rich rice bran and sunflower oils modulate lipid profile and cardiovascular risk factors in Wistar rats.Journal of Functional Foods40117-127.

l Higgins, J.P., and Flicker, L. (2003). Lecithin for dementia and cognitive impairment. Cochrane Database Syst RevCd001015.

l Lee, W.J., Zhang, Z., Lai, O.M., Tan, C.P., and Wang, Y. (2020). Diacylglycerol in food industry: synthesis methods, functionalities, health benefits, potential risks and drawbacks. Trends in Food Science & Technology97114-125.

l Roesler, K., Shen, B., Bermudez, E., Li, C., Hunt, J., Damude, H.G., Ripp, K.G., Everard, J.D., Booth, J.R., Castaneda, L., Feng, L., and Meyer, K. (2016). An improved variant of soybean type 1 diacylglycerol acyltransferase increases the oil content and decreases the soluble carbohydrate content of soybeans. Plant Physiol171878-893.

l Scholfield, C.R. (1981). Composition of soybean lecithin. Journal of the American Oil Chemists Society58.

l Zhang, M., Fan, J., Taylor, D.C., and Ohlrogge, J.B. (2009). DGAT1 and PDAT1 acyltransferases have overlapping functions in Arabidopsis triacylglycerol biosynthesis and are essential for normal pollen and seed development.Plant Cell213885-3901.

来源：科学单人论