摘要
超长链脂肪酸（Very long chain fatty acids,VLCFA）是调控细胞膜流动性和稳定性的关键因素，在植物适应温度变化中发挥重要作用。南极是世界上最冷的大陆，气候温度波动极大。苔藓是南极最多的陆生植物、生态系统的主要生产者。前期研究发现，南极苔藓（Pohlia nutans）的VLCFA水平在低温下显著上调，其基因组中VLCFA延伸反应的限速酶一β-酮脂酰CoA合成酶（β-ketoacyl-CoA synthase,PnKCS)发生了显著的基因家族扩张。本文比较了南极苔藓与模式植物小立碗藓（Physcomitrella patens）的低温抗性及脂质组成，分析了南极苔藓PnKCS家族的生物信息学特征，研究了其在酵母中的催化特性，并初步探究了其在小立碗藓中的生物学功能。具体结果如下: 4℃下，小立碗藓几乎不能生长，而南极苔藓的配子体面积和分枝数均显著增加。最适生长温度下，南极苔藓VLCFA水平是小立碗藓的3.22倍。低温下，两种苔藓的VLCFA水平均明显上调，南极苔藓中花生酸（C20∶0）、二十碳三烯酸（C20∶3）、花生四烯酸（C20∶4）以及二十六烷酸（C26∶0）等VLCFA含量分别是小立碗藓1.40、1.37、2.47和1.44倍。 南极苔藓PnKCS家族19个成员（PnKCS1-19）可分为10个亚类，同一亚类中同源基因的氨基酸（aa）序列相似度均超过95.0％,是由全基因组复制事件产生的。南极苔藓长期在低温下生长，PnKCS5/12/13/15/17/18表达水平显著上调;而短期低温处理，PnKCS1/3/4/5/6/11/12/15/16/17 和 PnKCS7/8/9/10/14/18 表达水平分别上调和下调。 在酵母中研究了 PnKCS家族的催化特性。结果发现，10个成员有催化活性。PnKCS4/6（aa 相似度 98.1％）催化合成 C20∶0-C24∶0 VLCFA,PnKCS4 催化能力约为PnKCS6的2倍。PnKCS12合成了少量的C26∶0 VLCFA,与其同源的PnKCS15无催化活性。PnKCS10/11与PnKCS13/17均催化合成C20∶0-C26∶0 VLCFA;其中，同源基因催化能力相近，异源表达 PnKCS 10/11 或 PnKCS13/17 酵母的 C20∶0、C22∶0、C24∶0 和 C26∶0 VLCFA水平分别约为空载的14.0、20.0、21.0和2.20倍或3.40、6.50、7.70和1.80倍。PnKCS5/7、PnKCS8均主要催化了 C28∶0VLCFA合成，分别是空载的5.67、18.6和6.01倍;PnKCS7和PnKCS8（aa相似度43.2％）还明显催化了新组分C30∶0 VLCFA的合成，分别占其VLCFA总量的2.28％和29.5％;而与PnKCS8同源的PnKCS9无催化活性。异源表达PnKCS3/4/5/6/7/8/10/11/13/16/17/19提高了酵母在低温下的生长速率。 根据催化特性和对低温的响应情况，在小立碗藓中异源表达了 12个PnKCS。结果发现，常温下，PnKCS对小立碗藓的生长无显著影响。10℃下，PnKCS7/8/10/11/12/13显著提高植物的生长速率，其配子体直径是野生型的1.23-1.32倍。PnKCS3/4降低了小立碗藓对低温的抗性，而PnKCS5/6/15/17对其低温抗性没有明显影响。常温下，异源表达PnKCS7、PnKCS10/11和PnKCS12小立碗藓的VLCFA水平较野生型分别增加了 20.9％、51.6％、24.6％和22.5％;其花生四烯酸（C20∶4）含量分别是野生型的1.32、1.69、1.34和1.27倍。低温显著提高了植物的VLCFA水平。与常温相比，野生型、异源表达PnKCS7、PnKCS10 和 PnKCS12 小立碗藓的 VLCFA 水平分别上调了 23.0％、30.0％、36.5％和 20.2％。此外，低温下，与野生型相比，PnKCS7和PnKCS12、PnKCS10分别显著上调了 C20∶4和C22∶1、C20∶4和C20∶5VLCFA。常温下，PnKCS7/8/12显著上调了小立碗藓脂肪酸去饱和酶（Fatty acid desaturase,PpFAD)PpFAD1 和 PpFAD2 的表达水平，而 PnKCS10/11/13仅上调了 PpFAD1的表达。低温下，与野生型相比，PnKCS7/8/10/11/12/13均显著上调了小立碗藓PpFAD1/2/3的表达。 综上，南极苔藓低温抗性强，其PnKCS家族多数成员响应低温;与已报道的KCS家族相比，部分PnKCS有更广泛的底物选择性（能催化4个循环，延长8个碳原子）,合成了新的更长碳链（C30）的VLCFA;异源表达PnKCS能增加小立碗藓超长链脂肪酸水平，促进其脂肪酸去饱和酶基因的表达，增强了植株对于低温的抗性。
NETL