“基因剪刀”让高粱拥有“稻花香”

与野生高粱相比，动物们更“宠爱”香高粱。受访者供图

说起稻花香米，很多人脑中就会浮现出那浓郁的米香味儿。食物的香气不但可以激发食欲,还能给人留下深刻的嗅觉记忆。现在科学家通过基因编辑技术，让高粱也拥有了“稻花香”。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所（以下简称遗传发育所）谢旗研究组利用“基因剪刀”技术，在高粱中首次敲除了一种酶的基因，创制了这种新型香高粱。相关研究近日发表于《植物学报》（英文版）。

“这是一项非常棒的研究。”一位审稿人评价说，改良香高粱茎叶不仅对吸引食草动物具有良好的效果，籽粒在酿酒等工业中也具有广阔的应用前景。

扑鼻而来的“鲜虾味儿”

在位于北京中国科学院奥运园区的一座温室大棚里，记者看到了谢旗研究组培育的新型香高粱。把鼻尖凑近这种作物的叶片，就能闻到淡淡的米香。

为了让记者更直观地感受这种香气，论文第一作者、谢旗研究组博士生张丹分别采集了一片野生高粱和新型香高粱的叶片，将其浸泡在盛有低浓度的氢氧化钾溶液的安瓿管中。

几分钟后，记者打开管盖，感受到明显的嗅觉差异：一个安瓿管中是淡淡的青草味儿；而另一个安瓿管中浓郁的“鲜虾味儿”扑鼻而来。毋庸置疑，后一种肯定是香高粱。

实验中，右侧安瓿管中浸泡的叶片发出浓烈的香气。冯丽妃摄

香味是食品的一种重要品质性状，相较于普通大米，香米因其具有诱人的香味而更受消费者的喜欢，进而产生更高的经济价值。世界著名的印度茉莉香米和中国东北五常的稻花香米就是香米中的佼佼者。

那么，这种香味究竟是如何产生的呢？张丹向记者介绍，这是因为一种重要的挥发物2-乙酰-1-吡咯啉（以下简称2-AP）在起作用。“水稻中的甜菜碱醛脱氢酶（BADH2）的不同突变类型均可导致2-AP积累，产生香味。”她说。

“剪刀”下去 “香味”来了

科学家发现，2-AP挥发物实现机制在很多作物中都是保守的。比如除了水稻，玉米、高粱、一种菜豆、黄瓜等多种作物都会因此散发出独特的香味。

“目前，利用基因编辑技术已经获得了香稻品种和香型玉米材料。高粱是全球第五大作物，可用做主食、饲料作物、酿造业以及生物能源产业原料。”谢旗对《中国科学报》说，创制香型高粱材料，培育稻花香型高粱品种，将引领高粱作为高粱膳食纤维食品、酿酒、酿醋、饲草动物饲料等产业的高品质发展。

利用“基因剪刀”CRISPR/Cas9，研究组敲除了高粱的SbBADH2基因，创制了新型香高粱。相比于野生型，突变体的种子和叶片均散发出了独特的茉莉花香味。经过检测，突变体籽粒和叶中2-AP含量的显著积累。在突变体干种子中，2-AP含量可达每千克0.177毫克，在突变体植株嫩叶中其含量高达每千克0.801毫克。

“香味是主粮和水果的重要特征。过去虽然在一个野生高粱中发现了芳香种质，但难以用于大规模工业化生产。”一位审稿人写道，作者用CRISPR/Cas9技术培育了香高粱，这对于在大豆、大麦、和小麦等其他作物中改良该基因片段提供了示范。

让食物更具吸引力

这款新型香高粱已经“俘获”了一些哺乳动物的胃。

在兔子喂食实验中，研究人员将野生型高粱和sbbadh2突变植株的叶子低温烘干后磨成粉，分别均匀混入饲料中。他们发现相比于野生型对照，添加编辑的香高粱植株干粉的饲料，对兔子更具有吸引力，显著提高了兔子的采食量。

我国是饲料进口大国。据报道，2020年我国粮食累计进口超1.4亿吨，其中将近80%的农产品进口用于发展养殖业的饲料。高粱是青贮饲料的第二大来源。谢旗表示，希望将香高粱的性状与他们研究的其他优异高粱性状相结合，对畜牧业的健康发展起到一定的促进作用。

据介绍，该研究组先后开发了甜高粱、耐盐碱高粱的等种质资源，并已经过国家审批，目前已在新疆、宁夏、甘肃、内蒙、山东、江苏等地实现了50万亩的推广种植，推进了精准扶贫和乡村振兴。

除了作为饲料，高粱也是我国酿酒和酿醋的主要原料。香高粱的引入又会给这些领域带来怎样的变化呢？谢旗透露，目前课题组正在和中科院微生物所的科学家合作，尝试用香高粱酿酒，改善其风味和品质。

“目前，我们还是在实验室中培育和种植少量的香高粱突变作物。”谢旗表示，今年1月底《农业用基因编辑植物安全评价指南（试行）》的公布，将进一步促进我国生物育种技术和产业发展。未来，香高粱衍生食品、特色香酒和特色香醋等高粱产品有望走上餐桌。

谢旗在办公室工作。冯丽妃摄

谢旗组博士生张丹和高级工程师唐三元为该论文的共同第一作者，谢旗研究员和于菲菲副研究员为共同通讯作者。遗传发育所褚金芳研究组和实验动物中心给予相关技术支持。该工作得到中国科学院种子精准设计与创造A类先导专项的资助，唐三元高级工程师得到中科院青促会项目资助。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1111/jipb.13232