植物蛋白的发现能够促进生物经济发展

ScienceDaily,2012年05月24日

爱荷华州立大学和萨克生物研究所的研究小组已经揭示了三个植物蛋白的功能，该发现能够帮助植物科学家们促进农作物籽油生产，从而有利于粮食、生物可再生化学品和生物燃料的生产。

通过基因活性分析（爱荷华小组）和蛋白结构测定（萨克小组），分别在模式株阿拉伯芥（拟南芥）中确定了三个相关蛋白，这些蛋白可能涉及到脂肪酸代谢。然后，爱荷华和萨克的研究人员共同来检验这种假设，结果表明这些蛋白的角色是调控植物中积累的脂肪酸的量和类型。研究人员还发现这些蛋白对温度非常敏感，而且这种特性可能在植物利用脂肪酸来减轻温度压力的过程中发挥重要作用。

该发现发表在《自然》杂志的网站上。通讯作者包括Eve Syrkin Wurtele，爱荷华州基因组学、发展和细胞生物学的教授；Joseph Noel，加利福尼亚州拉霍亚萨克研究所化学生物学和蛋白质组学Jack H. Skirball中心的教授和主任以及霍华德休斯医学研究所的研究员。

“这项研究对植物脂肪酸代谢的调节有重大影响。不管是对可持续粮食生产和营养，还是对生物可再生化学品和燃料而言，这都相当重要”，Noel称。

“因为高能分子如脂肪酸是植物利用太阳能合成的，所以这三类分子最终可能会为生物可再生产品提供最具成本效益和效率的原料来源”，Wurtele补充道。

尽管研究人员目前已经了解到，这三种蛋白---被称为脂肪酸结合蛋白1,、2和3或者FAP1、FAP2和FAP3---涉及植物组织（如叶子和种子）中脂肪酸的积累，但Wurtele称研究人员仍然未弄清楚在分子水平上这几种蛋白的物理机制。这点最终将使两个合作研究组能够预测性地改造植物，以获得更好的功能。

为了确定植物中蛋白的功能，Wurtele的研究小组发挥了他们在分子生物学和生物信息学（计算机技术应用到生物学研究中）方面的专长。

爱荷华州研究人员用到的一个工具是MetaOmGraph，这是他们为分析大量关于不同发育、环境和遗传条件下基因活性的模式的公共数据而开发的软件。该软件表明，FAP基因的表达模式类似于编码脂肪酸合成相关酶的基因的表达模式。分析结果还表明，在植物中油合成最多的区域，两种蛋白的积累最高。这些线索引导科学家们作出这样的预测，三种FAP蛋白对脂肪酸的积累很重要。

然后，爱荷华州的研究人员通过实验验证了该理论，他们将缺失FAP蛋白的突变植物中的脂肪酸和正常植物进行了对比。尽管突变株的表型是正常的，但是脂肪酸的总量大于正常株，且脂肪酸的类型不同。

Noel和萨克研究所的研究人员采用各种技术---包括X-射线晶体学和生物化学---为FAP1、FAP2和FAP3蛋白的结构定性，并且确定蛋白结合了脂肪酸。

“在拟南芥脂肪酸代谢中，这些蛋白看起来是关键的缺失环节，而且可能在其他植物中发挥相似的功能，因为我们发现相同的基因遍布整个植物王国”，Noel实验室的博士后研究员Ryan Philippe称。

这篇文章的第一作者有Micheline Ngaki，他是来自刚果的富布莱特学者和爱荷华州遗传、发育和细胞生物学的研究生；Gordon Louie，萨克研究所的研究员；和Philippe。其他合作者包括Ling Li，爱荷华州兼职助理教授以及遗传、发育和细胞生物学的副研究员；Gerard Manning、Florence Pojer和Elise Larsen，萨克Skirball中心霍华德休斯医学研究所的研究员。

该项研究部分是由国家科学基金会资助的，包括爱荷华州生物可再生化学品工程技术研究中心、国家癌症研究所、霍华德休斯医学研究所和Ngaki的富布莱特奖。另外的资助来自爱荷华州植物科学研究所。

发现FAP蛋白和植物脂肪酸之间的联系对于植物科学家来说可能是很有用的。

“如果研究人员能够确切了解植物在油籽生产中扮演了什么样的角色”，Ngaki称，“他们可能就能够调节新型植株中蛋白的活性，从而使其生产比目前作物更多的油或者更高质量的油。”

进一步来说，如果三个蛋白有助于植物调节压力，那么植物科学家们可能就能够利用这个特点来开发更耐受压力的植物，Wurtele称。而这样的话，农民就可以在不适宜粮食作物生长的贫瘠土地上种植作物，用于生物可再生燃料和化学品。

她称，所有的这些都为生物学研究指明了新的方向。

“我们正在进入预测生物学的时代”，Wurtele称，“这也就是说，利用计算方法来推测基因功能、模拟生物过程，并且预测将一个单基因替换到有机体复杂的生物网络后的结果。”