超长链脂肪酸(Very Long Chain Fatty Acids,VLCFAs)是指碳原子数目超过18的脂肪酸。这类脂肪酸是真核生物必需的组成成分,其碳链的长度、不饱和程度以及头部结构的极性,为超长链脂肪酸的结构和功能的多样性提供了基础,在生物体中具有广泛的生理功能。除此之外,超长链脂肪酸还是重要的化工原料,在工业、医疗、保健等领域具有不同的应用价值。植物油作为清洁能源成为了超长链脂肪酸生产的主要原料,提高植物种子中超长链脂肪酸的含量也成为了重要的育种目标。本研究通过调控植物中超长链脂肪酸合成途径上的关键基因,来影响其种子中的脂肪酸组成,为提高植物种子中超长链脂肪酸的含量提供参考依据。我们以芥酸和神经酸为例,针对其合成途径的关键基因开展了研究,得到了以下结果:1.从甘蓝型油菜基因组中克隆得到了FAE1基因在A、C基因组中相对应的拷贝Bna A.FAE1和Bna C.FAE1。序列比对发现这两个拷贝的DNA序列之间存在21个多态性位点,但只有5个造成了氨基酸位点的差异。将克隆得到的Bna A.FAE1和Bna C.FAE1在亚麻荠种子中特异表达,发现异源表达Bna A.FAE1的种子中C22:1含量比异源表达Bna C.FAE1的种子中含量高,而异源表达Bna C.FAE1的种子中C22:0的含量比异源表达Bna A.FAE1的种子高,说明Bna A.FAE1对单不饱和脂肪酸的亲和力可能比Bna C.FAE1高,而Bna C.FAE1对饱和脂肪酸的亲和力可能比Bna A.FAE1高。但在拟南芥fad2/fae1双突变体和酵母细胞中表达这两个基因时时,没有观察到类似的现象。对甘蓝型油菜祖先种白菜型油菜和甘蓝种子脂肪酸组成的分析,也没有观察到类似的差异。2.利用油酸含量高且多不饱和脂肪酸含量低的甘蓝型油菜与高芥酸油菜杂交,将突变的FAD2和FAD3基因导入高芥酸油菜的基因组中,培育芥酸含量高且多不饱和脂肪酸含量低的油菜。为了避免向高芥酸油菜中导入突变的FAE1基因,我们开发了Bn FAE1基因的共显性标记,并结合本实验室已开发的Bn FAD2和Bn FAD3的分子标记,在F2群体中筛选得到了2株芥酸含量高且多不饱和脂肪酸含量低的油菜单株。通过对其后代连续观察和芥酸测定,确认我们得到了C18:2含量低于10%,亚麻酸含量低于5%,芥酸含量高于40%的高芥酸、低多不饱和脂肪酸的甘蓝型油菜,并验证了这3个分子标记的准确性。3.我们在甘蓝型油菜种子中超表达Bn FAE1基因,可以将芥酸的含量由47%提高到了60%。在甘蓝型油菜种子中反义抑制Bn FAD2基因的表达,可将亚油酸的含量从12%降低到了7-8%,并且提高了油酸和芥酸的含量。将Bn FAE1超表达油菜株系与反义抑制Bn FAD2表达油菜株系杂交,在其F2单株中获得了芥酸含量超过Bn FAE1超表达油菜亲本的单株,芥酸含量最高达到63%。在甘蓝型油菜中表达来自酵母的LPAAT基因SLC1和SLC1-1,以及甘蓝的Bo LPAT基因,都不能在甘油骨架的sn-2位添加芥酸。在甘蓝型油菜种子中共表达来自荷包蛋花的Ld LPAAT和Bna A.FAE1可以显著提高油菜种子中芥酸的含量。将Ld LPAAT和Bna A.FAE1以及Bn LPAAT的RNAi抑制表达盒结构在油菜种子中共表达,同样可以提高种子中芥酸含量。4.我们调查了脂肪酸碳链酶中KCR、HCD和ECR与KCS相结合对超长链脂肪酸生产的作用。我们将银扇草中能够生成神经酸的La KCS在亚麻荠种子中表达,可以在亚麻荠种子中合成其原本没有的神经酸,最高含量可以达到12%。将La KCS与拟南芥中的At KCR、At HCD和At ECR中的每个基因分别组合,构建3个种子特异双基因共表达载体,转化亚麻荠,发现其种子中神经酸的含量并没有得到进一步地提高。将La KCS和At KCR以及At HCD一起在亚麻荠种子中共表达,仍然不能进一步提高神经酸的含量。对发育种子脂肪酸含量的动态观察表明,三基因共表达植株中神经酸的含量在种子发育早期比La KCS单基因表达植株种子中的神经酸含量高。以上结果表明,根据超长链脂肪酸合成途径上关键基因的特点,通过对其表达的调控,可以提高超长链脂肪酸的含量。本研究为高含量超长链脂肪酸的育种提供了参考依据。