能够合成辅酶Q10的水稻新种质来了

　　辅酶Q10要不要补？什么情况下补？怎么选？……在社交平台上，经常能看到此类咨询帖。辅酶Q10与人体健康，尤其是心脏健康息息相关，是近年来最受欢迎的膳食补充剂之一。

　　然而，辅酶Q10不容易被人体吸收，且有些市售产品单片药的辅酶Q10含量达200毫克，导致一些因剂量过大造成的副作用随之产生。

　　中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心（以下简称分子植物卓越中心）辰山科学研究中心研究员陈晓亚团队与中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员高彩霞团队等合作，综合应用多种生物学方法和技术，创制了能够合成辅酶Q10的水稻新种质。据估计，该水稻每天可以为人体补充1~2毫克辅酶Q10，在满足人体基本需求的同时，还能避免过量服用补充剂造成的影响。2月14日，相关研究发表于《细胞》。

　　论文上线后，《自然》配发的评论指出：“对陆生植物进化进行的系统分析，为培育辅酶Q10作物指明了方向。辅酶Q对细胞中产生能量的线粒体的正常功能至关重要，可作为补充剂改善心脏健康。该团队使用引导编辑技术精准控制小麦和大米中的这种蛋白质，使其产生辅酶Q10。研究结果凸显了如何利用植物进化史创制作物新性状。”

　　一个“卡”了多年的难题

　　辅酶Q，又名泛醌或维生素Q，是一种广泛存在于所有真核生物和部分细菌中的萜苯醌类化合物，在生物体内扮演了多种角色。在细胞的“发电厂”线粒体中，辅酶Q负责传递能量生产所需的“燃料”——电子，提高“发电”效率。同时，辅酶Q也是脂溶性抗氧化剂，能够清除细胞内的氧自由基，并对抗铁死亡。

　　人们很早就发现，不同物种合成的辅酶Q侧链长度不同，并用Q右下角的数字指代侧链长度。如人体内合成的辅酶Q10，侧链由10个异戊二烯单元组成，而水稻等谷物以及一些蔬菜和水果，主要合成辅酶Q9。

　　“辅酶Q是通过侧链‘挂’在细胞膜上的，其长短直接影响传递电子的性能。”陈晓亚介绍，“青蒿素、紫杉醇、天然橡胶等都属于此类化合物，侧链长度直接影响它们的功能。”

　　可见，探明辅酶Q侧链长度的影响因素，不仅是一个亟待解决的科学问题，也具有重要的应用价值。

　　早在2018年，陈晓亚团队就试图探明其分子机制。已有研究表明，一种异戊烯基二磷酸合酶（Coq1）合成并决定了不同生物中辅酶Q侧链的长度。但由于缺乏植物中辅酶Q类型的数据，团队始终找不到突破口。

　　“我们对已知20种植物的Coq1氨基酸序列进行了分析，但始终找不到物种间的分布规律，也无法判断影响下游合成反应的关键位点。”论文第一作者、上海辰山植物园副研究员许晶晶告诉《中国科学报》。

　　苦寻不到突破口之际，团队意识到，或许是研究方法出了问题。扩大物种范围，追踪Coq1的演化特征，能否有一些新发现呢？

　　利用进化生物学拨开迷雾

　　分子植物卓越中心辰山科学研究中心由分子植物卓越中心与上海市绿化和市容管理局共建，近年来通过院地合作，在药用植物与次生代谢、植物入侵、种质资源等方向展开了系列研究工作。

　　这项研究中，得益于上海辰山植物园丰富的植物资源，科研人员采集了包括苔藓、蕨类、裸子植物和被子植物在内共67个科的134种植物样品。

　　那段时间里，许晶晶专门把植物的系统发育树打印出来放在办公桌上，天天对着图上的植物看。慢慢地，各物种辅酶Q类型及系统分布特征清晰起来。研究团队发现，辅酶Q10是被子植物的祖先性状，多数植物仍然合成辅酶Q10，而禾本科、菊科和葫芦科植物等主要合成辅酶Q9。

　　接下来，研究团队结合机器学习方法，对1000多种陆生植物的Coq1氨基酸序列进行深度分析，并结合分子植物卓越中心辰山科学研究中心副研究员李建戌团队在结构生物学方面的工作，最终确定了水稻中决定链长的5个氨基酸位点，其中240位的氨基酸是决定链长的关键。

　　“在大数据时代，生物学研究也发生了变化。研究宏观的科学家，需要从微观的基因序列中寻找演化规律；研究微观的科学家，则可以从生物多样性中寻找有价值的性状。”陈晓亚指出，机器学习等人工智能技术的引入，加速了研究进程。

　　结果显示，在大多数情况下，当240位的氨基酸为亮氨酸（L）或缬氨酸（V）时，Coq1合成辅酶Q10；而当该位点为异亮氨酸（I）或甲硫氨酸（M）时，则合成辅酶Q9。

　　“另外几个起到辅助作用的位点，能够在合成辅酶Q的过程中稳定产物，让侧链更好地延伸，如果结合力不强，可能使得反应提前结束，得到侧链更短的产物。”许晶晶补充说。

　　可在两三年后推广落地

　　基因编辑技术的出现，为生物性状的定向改变提供了新工具。在植物中，基因编辑已成为一种高效安全的先进作物改良技术，且编辑的植物不含外源基因、遗传稳定。

　　2019年，美国哈佛大学教授刘如谦团队首次提出引导编辑技术能够在基因组中实现特定位置的插入、删除或碱基替换，而无须依赖DNA双链断裂或供体DNA模板。

　　“在水稻中，采用引导编辑技术，只需改变10多个核苷酸即可同时编辑5个氨基酸位点。”陈晓亚表示。

　　经过精准编辑的水稻后代的叶片和籽粒中辅酶Q10占总辅酶Q的75%，1克籽粒中的辅酶Q10达5微克，且对水稻的生长和产量没有影响。

　　团队成功编辑了主栽培水稻品种“秀水”，获得了多个不同编辑程度的水稻，最高的株系中辅酶Q10占70%。值得一提的是，由于辅酶Q10具有抗氧化作用，富含辅酶Q10的作物更耐存储，无须担心长期保存后的营养丢失问题。

　　“在栽培种‘秀水’中的成功编辑，展示了这项研究工作产业化的潜力，预计在两三年后可达到一定生产规模。”陈晓亚介绍，同时团队正在小麦和生菜中开展研究。

　　中国科学院院士、中国热带农业科学院院长黄三文指出，这项研究为开发富含辅酶Q10的功能性水稻品种打开了通路，有望为人类提供新型膳食营养来源。同样重要的是，该研究为基于植物进化生物学和基因编辑技术实现作物精准遗传改良与种质创新提供了成功范例，有助于未来作物育种。