南洋理工大学的科学家通过基因工程改造植物，使其产生更多植物油

新加坡南洋理工大学的科学家们成功地对植物中的一种重要蛋白质进行了生物工程改造，从而提高了植物果实和种子中油脂的产量——这是全球农业食品业的圣杯。他们正在申请专利的方法可以将种子中的油分含量提高15%到18%，这是一个显著的改进，因为主要的产油作物，如大豆、向日葵、油菜籽和花生，种子中的油分含量已经很高。这种创新可以帮助世界追求可持续发展，有助于减少产油作物所需的可耕地数量，同时提高产量，以满足世界对植物油日益增长的需求。它还有助于实现联合国的可持续发展目标，因为植物油是人类饮食的重要组成部分，在食品加工中广泛使用。

　　

   

   

图片:(从左至右)研究员朱桥博士手持一瓶植物油，高永贵副教授、马伟助理教授和孔克博士手持一个装有大豆的试管，前景是用于实验的烟草。    

图片来源:南洋理工大学新加坡分校

来自新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)的科学家成功地对一种植物蛋白质进行了基因改造，这种蛋白质负责植物种子和可食用坚果中油脂的积累。

展示他们的专利申请方法，模型植物拟南芥当它在实验室条件下与改良的蛋白质一起生长时，它的种子中多积累了15%到18%的油。

找到使作物在种子中产生更多油的方法是农业的圣杯。然而，大多数产油作物，如油棕、大豆、向日葵、油菜籽、花生，其果实或种子中含油量已经很高，很难通过传统的作物杂交方法来增加它们的含油量。

植物油通常用于食品加工、生物燃料、肥皂和香水，据估计，到2021年，植物油的全球市场价值为2414亿美元，预计到2027年将增加到3241亿美元。增加植物油的产量也可以帮助世界追求可持续发展，有助于减少产油作物所需的可耕地数量。

帮助植物在种子中储存更多油脂的秘密是一种叫做wringled1 (wr1)的蛋白质。科学家们在20多年前就知道，wr1在控制植物种子油生产中发挥着重要作用。

现在，由南洋理工大学生物科学学院高永贵副教授和马伟助理教授共同领导的团队首次对wr1的高分辨率结构进行了成像和报道。

发表在科学杂志上科学的进步该团队详细描述了wr1的分子结构，以及它如何与植物DNA结合，从而向植物发出信号，告诉植物种子中需要积累多少油。

基于对wr1 -DNA复合物的原子结构的了解，研究小组对wr1进行了修饰，以增强其对DNA的亲和力，以提高原油产量。在这种方法中，我们选择了wr1中的一些部分进行修饰，以改善其与DNA的结合，产生了几种形式的wr1。

然后进一步测试这些候选的wr1s，以评估它们激活植物细胞中油脂生产的能力。正如该团队所预期的那样，他们表明，与原始的WRI1相比，他们的修改版本的WRI1增加了10倍的DNA结合，最终导致其种子中更多的油含量。

结构生物学家高副教授说:“能够准确地看到wr1的样子，以及它如何与植物中负责石油生产的DNA结合，是理解整个过程的关键。”wr1是一种重要的调节剂，它告诉植物在种子中需要储存多少油。一旦我们能够可视化‘锁’，我们就可以设计‘钥匙’来解锁wr1的潜力。”

如何修改wr1  

在原子水平上分析了wr1蛋白的晶体结构和它所结合的双螺旋DNA链，研究小组注意到这个DNA结合域是广泛保守的。这意味着几乎没有变化，这表明它可能是许多植物物种的共同结合机制。

利用这种晶体结构的WRI1作为“目标”，研究小组然后研究修改WRI1，以增强蛋白质与目标DNA的结合亲和力。编码这种经过修饰的wr1蛋白的指令被引入到目标植物细胞中，之后，每当植物产生wr1时，就会使用这一新的“指令集”。

在实验室实验中，为了观察改性后的WRI1如何影响油的积累，将改性后的蛋白质和未改性的蛋白质都注入其中烟草benthamiana对三酰基甘油(脂肪和油中膳食脂质的主要形式)水平进行了分析。与引入未经过修饰的WRI1蛋白的对照植株相比，经过修饰的WRI1蛋白在三酰甘油产量方面产生了更显著的峰值。

随后的实验表明，转基因种子的含油量显著提高拟南芥含油量比未改性的多。这种转基因植物的后代也会携带同样的转基因wr1蛋白，并在种子中产生更多的油。

马助理教授是一名植物分子生物学家，从博士后培训开始就一直在研究WRI1基因。他表示，对该团队来说，修改WRI1基因以改善其与DNA的结合是合乎逻辑的举措。

“我们知道，wr1是一种蛋白质，它与植物的DNA序列结合，并触发一个特定的指令链，调节种子中油脂的积累。这种结合越紧密，植物在种子中聚集的油脂就越多。因此，我们选择改进与目标DNA结合的这部分wr1，这部分在许多种子植物中高度保守。高度保守意味着许多物种的植物将具有完全相同的机制，可以被修改，所以我们应该能够在未来将我们的产油改造很容易地转化为许多不同类型的作物。”马教授解释道。

“植物籽油对人类饮食至关重要，在许多重要的工业应用中都有应用。全球对植物油的需求正在迅速增长，我们的研究有助于以可持续的方式提高种子油产量，并有可能减少农业对环境的影响。”马助理教授补充说。

下一步，该团队已经通过该大学的创新和企业办公室为他们的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。

这项研究与NTU2025战略计划和大学的可持续发展宣言相一致，其目标是研究和开发新技术，实现更绿色的未来。

Michael Fam主席、南洋理工大学食品科学与技术项目主任William Chen教授发表了独立的专家评论，他说，解决世界饥饿问题有几种方法，包括增加食物产量或增加食物的热量和营养价值。

“在一个农业耕地有限的世界，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。当我们可以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有饱腹感，”陈教授说。陈教授是著名的食品安全专家，他没有参与这项研究。

“因此，我们不应该种植更多的作物来养活更多的人，我们还应该研究种植的作物有更多的热量和营养的方法，这样同样数量的食物可以养活更多的人。”

南洋理工大学的研究得到了新加坡教育部(MOE) Tier 1和Tier 2拨款的支持，这两项拨款通常以竞争的方式分别为研究项目提供高达20万美元和100万美元的资助。

文章标题

Molecular basis of the key regulator WRINKLED1 in plant oil biosynthesis