能夠合成輔酶Q10的水稻新種質來了

　　輔酶Q10要不要補？什么情況下補？怎么選？……在社交平臺上，經常能看到此類咨詢帖。輔酶Q10與人體健康，尤其是心臟健康息息相關，是近年來最受歡迎的膳食補充劑之一。

　　然而，輔酶Q10不容易被人體吸收，且有些市售產品單片藥的輔酶Q10含量達200毫克，導致一些因劑量過大造成的副作用隨之產生。

　　中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越創新中心（以下簡稱分子植物卓越中心）辰山科學研究中心研究員陳曉亞團隊與中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員高彩霞團隊等合作，綜合應用多種生物學方法和技術，創制了能夠合成輔酶Q10的水稻新種質。據估計，該水稻每天可以為人體補充1~2毫克輔酶Q10，在滿足人體基本需求的同時，還能避免過量服用補充劑造成的影響。2月14日，相關研究發表于《細胞》。

　　論文上線后，《自然》配發的評論指出：“對陸生植物進化進行的系統分析，為培育輔酶Q10作物指明了方向。輔酶Q對細胞中產生能量的線粒體的正常功能至關重要，可作為補充劑改善心臟健康。該團隊使用引導編輯技術精準控制小麥和大米中的這種蛋白質，使其產生輔酶Q10。研究結果凸顯了如何利用植物進化史創制作物新性狀。”

　　一個“卡”了多年的難題

　　輔酶Q，又名泛醌或維生素Q，是一種廣泛存在于所有真核生物和部分細菌中的萜苯醌類化合物，在生物體內扮演了多種角色。在細胞的“發電廠”線粒體中，輔酶Q負責傳遞能量生產所需的“燃料”——電子，提高“發電”效率。同時，輔酶Q也是脂溶性抗氧化劑，能夠清除細胞內的氧自由基，并對抗鐵死亡。

　　人們很早就發現，不同物種合成的輔酶Q側鏈長度不同，并用Q右下角的數字指代側鏈長度。如人體內合成的輔酶Q10，側鏈由10個異戊二烯單元組成，而水稻等谷物以及一些蔬菜和水果，主要合成輔酶Q9。

　　“輔酶Q是通過側鏈‘掛’在細胞膜上的，其長短直接影響傳遞電子的性能。”陳曉亞介紹，“青蒿素、紫杉醇、天然橡膠等都屬于此類化合物，側鏈長度直接影響它們的功能。”

　　可見，探明輔酶Q側鏈長度的影響因素，不僅是一個亟待解決的科學問題，也具有重要的應用價值。

　　早在2018年，陳曉亞團隊就試圖探明其分子機制。已有研究表明，一種異戊烯基二磷酸合酶（Coq1）合成并決定了不同生物中輔酶Q側鏈的長度。但由于缺乏植物中輔酶Q類型的數據，團隊始終找不到突破口。

　　“我們對已知20種植物的Coq1氨基酸序列進行了分析，但始終找不到物種間的分布規律，也無法判斷影響下游合成反應的關鍵位點。”論文第一作者、上海辰山植物園副研究員許晶晶告訴《中國科學報》。

　　苦尋不到突破口之際，團隊意識到，或許是研究方法出了問題。擴大物種范圍，追蹤Coq1的演化特征，能否有一些新發現呢？

　　利用進化生物學撥開迷霧

　　分子植物卓越中心辰山科學研究中心由分子植物卓越中心與上海市綠化和市容管理局共建，近年來通過院地合作，在藥用植物與次生代謝、植物入侵、種質資源等方向展開了系列研究工作。

　　這項研究中，得益于上海辰山植物園豐富的植物資源，科研人員采集了包括苔蘚、蕨類、裸子植物和被子植物在內共67個科的134種植物樣品。

　　那段時間里，許晶晶專門把植物的系統發育樹打印出來放在辦公桌上，天天對著圖上的植物看。慢慢地，各物種輔酶Q類型及系統分布特征清晰起來。研究團隊發現，輔酶Q10是被子植物的祖先性狀，多數植物仍然合成輔酶Q10，而禾本科、菊科和葫蘆科植物等主要合成輔酶Q9。

　　接下來，研究團隊結合機器學習方法，對1000多種陸生植物的Coq1氨基酸序列進行深度分析，并結合分子植物卓越中心辰山科學研究中心副研究員李建戌團隊在結構生物學方面的工作，最終確定了水稻中決定鏈長的5個氨基酸位點，其中240位的氨基酸是決定鏈長的關鍵。

　　“在大數據時代，生物學研究也發生了變化。研究宏觀的科學家，需要從微觀的基因序列中尋找演化規律；研究微觀的科學家，則可以從生物多樣性中尋找有價值的性狀。”陳曉亞指出，機器學習等人工智能技術的引入，加速了研究進程。

　　結果顯示，在大多數情況下，當240位的氨基酸為亮氨酸（L）或纈氨酸（V）時，Coq1合成輔酶Q10；而當該位點為異亮氨酸（I）或甲硫氨酸（M）時，則合成輔酶Q9。

　　“另外幾個起到輔助作用的位點，能夠在合成輔酶Q的過程中穩定產物，讓側鏈更好地延伸，如果結合力不強，可能使得反應提前結束，得到側鏈更短的產物。”許晶晶補充說。

　　可在兩三年后推廣落地

　　基因編輯技術的出現，為生物性狀的定向改變提供了新工具。在植物中，基因編輯已成為一種高效安全的先進作物改良技術，且編輯的植物不含外源基因、遺傳穩定。

　　2019年，美國哈佛大學教授劉如謙團隊首次提出引導編輯技術能夠在基因組中實現特定位置的插入、刪除或堿基替換，而無須依賴DNA雙鏈斷裂或供體DNA模板。

　　“在水稻中，采用引導編輯技術，只需改變10多個核苷酸即可同時編輯5個氨基酸位點。”陳曉亞表示。

　　經過精準編輯的水稻后代的葉片和籽粒中輔酶Q10占總輔酶Q的75%，1克籽粒中的輔酶Q10達5微克，且對水稻的生長和產量沒有影響。

　　團隊成功編輯了主栽培水稻品種“秀水”，獲得了多個不同編輯程度的水稻，最高的株系中輔酶Q10占70%。值得一提的是，由于輔酶Q10具有抗氧化作用，富含輔酶Q10的作物更耐存儲，無須擔心長期保存后的營養丟失問題。

　　“在栽培種‘秀水’中的成功編輯，展示了這項研究工作產業化的潛力，預計在兩三年后可達到一定生產規模。”陳曉亞介紹，同時團隊正在小麥和生菜中開展研究。

　　中國科學院院士、中國熱帶農業科學院院長黃三文指出，這項研究為開發富含輔酶Q10的功能性水稻品種打開了通路，有望為人類提供新型膳食營養來源。同樣重要的是，該研究為基于植物進化生物學和基因編輯技術實現作物精準遺傳改良與種質創新提供了成功范例，有助于未來作物育種。