南湖新闻网讯（通讯员 汪洋 王强）近日，园艺林学学院程运江教授、朱峰研究员研究团队联合生命科学技术学院殷平教授研究团队研究成果以“Structural basis of VLCFA chain-length determination by the KCS6-CER2 complex in plants”为题在“Science Advances”发表。研究以柑橘为例，揭示了植物超长链脂肪酸（VLCFAs）延伸关键酶复合物KCS6-CER2的结构基础及其决定脂肪酸碳链长度的分子机制。

超长链脂肪酸（VLCFAs，≥C20）在众多生命活动中发挥着至关重要的作用。植物中C20–C24 VLCFAs主要参与膜磷脂的合成，调节细胞膜的流动性和稳定性；C26–C28 VLCFAs在植物的花粉壁结构形成中具有关键作用；C30及以上的VLCFAs则主要参与形成植物表皮细胞外的蜡质结构，减少水分流失、紫外线损伤及高温胁迫等，对植物适应陆地环境至关重要。此外，VLCFAs还是化妆品、药品及生物燃料等工业领域的重要原料。

图1 植物超长链脂肪酸延伸机制的模式图

在真核生物中，VLCFAs的合成由内质网中的一系列酶催化完成，其中负责第1步反应的延伸酶决定合成VLCFAs的碳链长度。与动物和真菌中的延伸酶（ELOs）不同，植物通过β-酮酰辅酶A合酶（KCSs）和ECERIFERUM2（CER2）家族成员协同催化不同碳链长度VLCFAs的延伸（图1A）。尽管近年来在多种植物中陆续鉴定出一系列KCS和CER2家族成员，参与VLCFAs的延伸功能，但这两个家族如何协同控制不同碳链长度VLCFAs延伸的结构基础与生化机制仍不清楚，阻碍了对植物VLCFAs合成的靶向改良及其工业化应用。

图2 植物中VLCFA延伸的KCS6-CER2模块化系统

本研究以具有重要经济价值的园艺果树——柑橘为例，通过KCS家族及CER2家族的全基因组鉴定与酵母表达体系的功能验证，挖掘出了控制VLCFAs延伸的关键酶复合物KCS6-CER2，负责C24-C30 VLCFAs的延伸。基于KCS6-CER2复合物的结构分析，鉴定到了该复合物中延伸VLCFAs所需的底物结合区域——催化腔。其中，KCS6作为核心酶，提供延伸反应的活性中心以及催化腔的主体；CER2则作为辅因子，附在KCS6胞质侧的侧面，提供疏水“盖子”，进而拓展了KCS6的催化腔，使其能够容纳更长的VLCFAs底物（≥C28）。通过对催化腔中的关键氨基酸进行点突变，评估了各氨基酸控制延伸不同碳链长度VLCFAs的贡献，表明其催化腔的疏水性及体积共同决定了最终合成VLCFAs的碳链长度（图1B）。此外，系统发育进化树和功能验证实验表明，KCS6-CER2复合物起源于陆生维管植物且其延伸机制在物种间高度保守（图2）。

KCS6-CER2复合物延伸VLCFAs的分子机制解析，为未来靶向开发、设计合成特定碳链长度的VLCFAs及蜡质产物，进而有效延缓柑橘果实采后失水及提高其他作物耐旱性等提供了重要的理论基础。

园艺林学学院博士后汪洋、生命科学技术学院博士后官泽源和王强研究员为论文第一作者。程运江教授、殷平教授和朱峰研究员为论文通讯作者。华中农业大学邓秀新院士、张飞教授、徐强教授、王鹏蔚教授、Robert M. Larkin教授以及山东师范大学杨贤鹏副教授为本研究提供了重要指导。中国科学院技术大学冷冻电镜中心高永翔博士为冷冻电镜数据采集提供了大力支持。华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、作物遗传改良全国重点实验室和电镜中心公共平台为本研究提供了重要的仪器和技术支撑。本研究得到了国际（地区）合作项目、国家现代农业（柑橘）产业技术体系、洪山实验室基金等项目的资助。

审核人：程运江 殷平 朱峰

【英文摘要】

Very long-chain fatty acids (VLCFAs) govern plant adaptation and development in a chain length-dependent manner. The elongation of VLCFAs is mediated by 3-ketoacyl-CoA synthase (KCS) and ECERIFERUM2 (CER2) family protein cofactors, but the structural basis and mechanistic principles underlying chain-length determination remain elusive. Here, we report cryo-EM structures of citrus KCS6-CER2 and KCS6-CER2-like1 complexes, unveiling a kinked elongation tunnel whose hydrophobicity and volume determine VLCFA chain length. KCS6 functions as a catalytic module elongating VLCFAs up to chain length of 28 carbons (C28). CER2 family proteins further extend the tunnel formed by the KCS6 subunit, thus elongating VLCFAs to chain lengths longer than C28. These findings provide a plant-specific structural framework for VLCFA chain-length modulation and lay a foundation for engineering VLCFA biosynthesis for the improvement of crop resilience and VLCFA industrial value.

论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adz9463