植物油由多种不饱和脂肪酸组成,主要包括油酸、亚油酸和亚麻酸等。不同植物中油脂含量及各种脂肪酸的组成差异较大。脂肪酸脱氢酶2(FAD2)是催化油酸生成亚油酸和亚麻酸的关键酶,对于植物种子中脂肪酸的组成至关重要。为了揭示FAD2对植物中脂肪酸以及油脂含量的影响,我们分别对FAD2基因家族进行了分子进化、生物催化与定向进化以及转录表达分析,具体的研究结果如下:首先,FAD2基因家族的分子进化关系研究结果显示,大多数植物中的FAD2基因没有发生分化形成了单系分支。但在部分双子叶植物中,FAD2基因分化形成了种子特异性表达和组成型表达两个分支。接着FAD2基因家族的基因结构分析结果表明,FAD2家族的蛋白结构相对保守,但其内含子外显子结构具有较大的分化。在藻类中FAD2基因具有7到9个内含子,但在陆地植物的祖先中内含子完全丢失,直到被子植物中内含子开始再次出现为0到4个。启动子区的分析也显示了FAD2基因出现了较大的分化。其次,我们选取四种油脂和脂肪酸含量差异的植物,大豆、紫苏、水稻和欧洲云杉,将其种子特异性或高表达的FAD2基因通过酵母表达系统进行全细胞催化分析,并将催化结果与种子油以及脂肪酸含量进行关联分析,结果发现FAD2酶的催化活性与种子总含油量显著正相关。这就表明了FAD2在植物中可能影响植物种子中总油脂的含量。再次,通过对组氨酸基序位点进行比对发现,位于GmaFAD2-1的143位点在组成型表达和种子特异性表达的FAD2中分化成酪氨酸和异亮氨酸。进一步对该位点的定向进化分析发现,异亮氨酸可以显著提高组成型FAD2的催化活性,酪氨酸可以使种子特异性GmaFAD2的活性降低,但该现象在紫苏中并没有出现,这就暗示了该位点可能是在分化的双子叶植物,尤其是豆科植物中,特异进化的控制FAD2活性的关键位点。最后,我们通过比较不同油脂含量大豆品系转录组测序结果发现,在油脂合成和代谢途径的所有关键酶中种子特异性FAD2基因的表达量最高,且在高油品系大豆中表达水平显著高于低油品系,该结果显示FAD2s的表达对于植物种子中油脂的含量也具有重要的作用。综上,FAD2基因家族在进化的过程出现了一定的分化,且植物中总油脂含量的变化是FAD2的催化活性和表达分化共同作用的结果。该研究结果对于油料作物的改良提供重要的理论基础,也为高品质油料作物的育种提供了依据。