植物油通常用于食品加工、生物燃料、肥皂和香水等产业中。2021 年植物油的全球市场价值估计为 2414 亿美元，预计到 2027 年将增加到 3241 亿美元 [1]。提高植物油产量也有助于世界寻求可持续发展，减少产油作物所需的耕地数量。
设法让作物种子中产生更多油是农业的一大研究热点。然而，大多数产油作物 —— 如油棕、大豆、向日葵、油菜籽、花生 —— 的果实或种子中已经含有高比例的油，很难通过传统的作物杂交方法增加其含油量。
要想帮助植物在种子中储存更多油，秘诀在于一种植物蛋白质 WRINKLED1（WRI1）。二十多年来，科学家们已经证实 WRI1 在控制植物籽油生产方面起着重要作用。
新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University，NTU）的科学家成功地对 WRI1 进行了基因改良，这种蛋白控制着植物种子和食用坚果中的油积累。对拟南芥（Arabidopsis thaliana）实施这种改良后，植株种子中的油增幅达 15% 至 18%。
今年，NTU 生物科学学院高永贵副教授所在团队首次对 WRI1 的高分辨率结构进行了描绘和报告，相关文章发表在期刊《科学进展》（Science Advances）上，详细介绍了 WRI1 的分子结构以及它如何与植物 DNA 结合，向植物发出信号，进而增加种子油含量。
为提高植物油产量，该团队基于已揭示 WRI1-DNA 复合物的原子结构，修饰了 WRI1 以增强其对 DNA 的亲和力，增加油产量。在实验过程中，他们选择 WRI1 中的某些部分加以修饰，并产生了几种候选 WRI1。
接着，研究人员对这些候选 WRI1 做进一步测试，以评估它们激活植物细胞产油的能力。实验结果表明，与原始 WRI1 相比，修改版本的 WRI1 结合的 DNA 增加了十倍，对应种子的油含量也更高。
高永贵表示，要理解植物生产油的过程，不但需要准确地看到 WRI1 的结构，还需要了解它如何与相关 DNA 结合。这一过程中，WRI1 蛋白是一种重要的调节剂，它可以通知植物在种子内储存多少油。他们的工作相当于先看清 WRI1 这把“锁”，再去设计释放 WRI1 潜力的“钥匙”。
在原子水平上分析 WRI1 蛋白的晶体结构及其结合的双螺旋 DNA 链后，研究小组注意到该 DNA 结合域具有广泛保守的特性。这意味着不同种植物的 WRI1 蛋白几乎没有变化，也可能是许多植物的共同结合机制。
先以 WRI1 的晶体结构为“靶标”修饰 WRI1，增强蛋白质与其靶 DNA 的结合亲和力；再将编码这种修饰的 WRI1 蛋白的“指令”导入目标植物细胞，植物将在产生 WRI1 时使用这套新的“指令集”。
为观察修饰 WRI1 如何影响油积累，研究人员将修饰蛋白质和原始蛋白质分别注射到本氏烟草叶（Nicotiana benthamiana）中，并对三酰甘油（triacylglycerol，脂肪和油中膳食脂质的主要形式）水平进行分析。与注射原始 WRI1 的对照植株相比，经修饰 WRI1 蛋白处理的植株能检测到更显著的三酰甘油峰值。
随后的实验表明，处理组拟南芥种子中的油含量比对照组更多。这种转基因植物的后代也携带相同的改良 WRI1 蛋白，并在种子中产生更多的油。
“我们知道 WRI1 是一种与植物 DNA 序列结合并引发特定指令链的蛋白质，该指令链调节种子中油的积累。WRI1 与特定区域 DNA 结合力越强 —— 植物在其种子中浓缩的油就越多。该靶 DNA 在许多种子植物中高度保守，意味着许多植物具有完全相同的机制，因此，我们选择改进 WRI1 与其靶 DNA 结合的这一部分，在未来也能轻松地将我们的产油改良转化到许多不同类型的作物上。”马教授解释道。
“植物籽油对人类饮食至关重要，并有许多重要的工业用途。全球对植物油的需求正在迅速增加，我们的研究有助于可持续地改善种子油生产，并有可能减少农业对环境的影响。”马教授补充道。
展望未来，该团队已为这个基因修饰方法申请了专利，并正在寻找行业合作伙伴将他们的发明商业化。
“在一个农用耕地有限的世界中，如果我们希望解决世界饥饿问题，就需要先进的技术来种植更多具有更高营养价值的粮食。当我们能够增加可食用种子和坚果中的脂肪含量时，由于摄入的卡路里增加，一个人可以吃得更少，但仍然感到饱腹。因此，与其种植更多的作物来养活更多的人，我们也倾向于研究令作物具有更多卡路里和营养的方法，这样相同数量的食物可以养活更多的人。”著名食品安全专家陈教授点评道。
参考文献
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[1] Vegetable oil palm oil, canola oil, coconut oil and soybean oil) market: Global Industry Trends, share, size, growth, opportunity and forecast 2022-2027. Research and Markets – Market Research Reports. Retrieved October 5, 2022, from https://www.researchandmarkets.com/reports/5633273/vegetable-oil-palm-oil-canola-oil-coconut-oil
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[2] Qiao, Z., Kong, Q., Tee, W. T., Lim, A. R., Teo, M. X., Olieric, V., … & Gao, Y. G. 2022). Molecular basis of the key regulator WRINKLED1 in plant oil biosynthesis. Science advances, 834), eabq1211. DOI: 10.1126/sciadv.abq121
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[3] https://www.eurekalert.org/news-releases/970740
研究团队
通讯作者 Yong-Gui Gao：新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University）
（共同）第一作者 Zhu Qiao：新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University）
（共同）第一作者 Que Kong：新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University）
论文信息
发布期刊 《科学进展》（Science Advances）
发布时间 2022 年 8 月 24 日
论文标题 Molecular basis of the key regulator WRINKLED1 in plant oil biosynthesis
DOI：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq1211）
文章领域 植物科学
本文来自微信公众号：我是科学家 iScientist （ID：IamaScientist），编译：鳕鱼，编辑：靳小明，排版：尹宁流