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本研究由Kiyoul Park（内布拉斯加大学林肯分校植物科学创新中心）、Truyen Quach（同前）、Teresa J. Clark（布鲁克海文国家实验室生物学系）等15位作者共同完成，于2024年11月9日发表在《Plant Biotechnology Journal》期刊上，标题为”Development of vegetative oil sorghum: from lab-to-field”。

学术背景
该研究属于植物代谢工程与生物能源领域。随着可持续航空燃料（Sustainable Aviation Fuel, SAF）需求的激增（美国能源部提出205年年产350亿加仑SAF的目标），传统油料作物（如油棕榈和大豆）的产油量已无法满足需求。C4禾本科植物（如高粱）因其高光合效率和生物量产量成为潜在替代原料，但其营养组织（叶片和茎秆）仅能短暂积累三酰甘油（Triacylglycerol, TAG）。研究团队旨在通过”推-拉-保护”（Push-Pull-Protect, 3P）策略改造高粱，使其营养组织稳定积累TAG，并建立从实验室到田间的完整研发管道。

研究流程
1. 基因构建与转化
- 设计两种载体策略：标准3P载体（含SbWRI1转录因子、AtDGAT1二酰基甘油酰基转移酶、SiOle油质蛋白）和针对中链脂肪酸（Medium-Chain Fatty Acids, MCFA）优化的载体（含CvLPAT溶血磷脂酸酰基转移酶和CvFATB硫酯酶）。
- 通过农杆菌介导法转化两种高粱基因型：粒用型Texas430（TX430）和糖用型Ramada。共获得66个T0代转化事件，通过薄层色谱（TLC）初筛，选出TAG含量最高的4个事件（TXHO-1/2和RMHO-1/2）。

1. 温室表型分析

   • T1代植株叶片TAG含量达2.5%干重（DW），茎秆达2.0% DW，较野生型提高36-49倍。气相色谱（GC）分析显示脂肪酸组成以C18:1（油酸）为主，未检测到预期MCFA。
     
   • 生物量测定显示转基因植株与野生型无显著差异，与先前甘蔗改造研究中观察到的生长抑制形成对比。
     

2. 田间试验

   • 2021-2022年在美国内布拉斯加州进行两季田间试验。2022年数据显示：
     
     • 叶片TAG在开花前（BF期）达峰值3.5% DW，茎秆在收获期（AH期）达3.5% DW，分别较野生型提高78倍和58倍。
       
     • 转录组分析发现质体同型乙酰辅酶A羧化酶（homomeric ACCase）基因Sb06g030100表达上调10倍，该酶是脂肪酸合成的限速步骤。
       

3. 系统生物学分析

   • RNA-seq鉴定出342个上调基因（涉及糖酵解、谷胱甘肽代谢等）和212个下调基因（与光系统I相关）。
     
   • 同位素示踪实验（13C-乙酸标记）显示转基因植株脂肪酸周转率更高，但MCFA占比反低于野生型，推测可能与β-氧化增强有关。
     

主要结果
- 载体优化：含MCFA相关基因的载体（pPTN1569/pPTN1586）意外产生更高TAG积累（叶片2.4% DW），优于标准3P载体（0.8% DW）。
- 田间稳定性：最佳事件TXHO-2在田间维持高产油性状，叶片TAG达5.5% DW，且生物量无损失。
- 代谢瓶颈：脂酶基因Sb03g348700表达上调60倍，可能限制TAG进一步积累；WRI1转录因子调控的质体ACCASE是潜在强化靶点。

结论与价值
本研究首次实现高粱营养组织TAG的田间稳定积累，单产潜力相当于大豆的1.4倍（按215加仑/公顷估算）。科学价值在于：
1. 揭示C4植物中WRI1对同型ACCASE的调控机制；
2. 提出MCFA代谢基因可能通过改变碳分配间接促进长链TAG积累；
3. 建立”设计-构建-测试-学习”（DBTL）循环体系，为后续优化提供方向。应用价值包括：
- 为SAF生产提供新型原料；
- 能量高粱与饲用高粱的协同开发潜力。

研究亮点
1. 方法创新：结合GoldenBraid模块化载体组装与农杆菌转化，降低转基因复杂性（对比基因枪法25个拷贝的既往研究）。
2. 表型突破：首次在C4作物中实现田间条件下营养组织TAG高产且无生长惩罚。
3. 跨尺度验证：整合转录组（RNA-seq）、代谢流（13C标记）和田间表型的三维数据链。

其他发现
- 组成型启动子（Ubiquitin）未影响种子含油量或发芽率；
- 根系TAG积累达1% DW但无生长抑制，暗示不同器官对脂代谢重塑的适应性差异。

（注：全文涉及专业术语如TAG（三酰甘油）、DGAT（二酰基甘油酰基转移酶）、ACCASE（乙酰辅酶A羧化酶）等均在首次出现时标注英文原词）