【大國糧策】水稻進(jìn)化中丟掉的“祖?zhèn)骷寄堋?，被科學(xué)家用基因編輯找回來了

在億萬年的生命演化長河中，植物不斷調(diào)整自身的生存策略。研究團(tuán)隊(duì)通過分析67科134種植物（從苔蘚到被子植物）發(fā)現(xiàn)，輔酶Q10的合成能力原本是大多數(shù)被子植物的“祖?zhèn)骷寄堋薄Ｈ欢?，禾本科作物（如水稻、小麥）在進(jìn)化中卻“退化”了這一能力，轉(zhuǎn)而合成鏈長更短的輔酶Q9。

這還不得想辦法把“祖?zhèn)骷寄堋闭一貋?？！研究團(tuán)隊(duì)鎖定了一種名為Coq1的酶，它能催化輔酶Q側(cè)鏈的延伸。原來，禾本科作物的Coq1酶在進(jìn)化中發(fā)生了關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)的變異，導(dǎo)致其無法合成含10個(gè)異戊二烯單元的輔酶Q10，只能生成9個(gè)單元的輔酶Q9。這種“退化”可能是禾本科植物適應(yīng)特定環(huán)境的策略，但代價(jià)是失去了對(duì)人體健康更重要的輔酶Q10合成能力。

梳理清楚了緣由，下一步就是恢復(fù)發(fā)生變異的點(diǎn)位。研究團(tuán)隊(duì)通過基因編輯技術(shù)，精準(zhǔn)修復(fù)了水稻Coq1酶上的5個(gè)變異位點(diǎn)，相當(dāng)于“重啟”了被進(jìn)化關(guān)閉的輔酶Q10合成通路。

改寫生命密碼的基因編輯技術(shù)

基因編輯技術(shù)是21世紀(jì)生命科學(xué)領(lǐng)域的革命性突破，它允許科學(xué)家像“文字編輯”一樣精確修改生物體的DNA序列。

目前主流技術(shù)包括：

CRISPR/Cas9系統(tǒng)：通過細(xì)菌免疫系統(tǒng)改造的「基因剪刀」，可精準(zhǔn)切割特定DNA片段；

TALEN系統(tǒng)：利用人工設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)識(shí)別特定DNA序列進(jìn)行切割；

引導(dǎo)編輯技術(shù)：最新一代技術(shù)，無需切斷DNA雙鏈即可實(shí)現(xiàn)堿基替換，極大提高安全性和精準(zhǔn)度。

本次研究中，科學(xué)家正是采用引導(dǎo)編輯技術(shù)，分析1000多種植物基因序列，通過機(jī)器學(xué)習(xí)鎖定決定輔酶Q鏈長的關(guān)鍵酶Coq1，精準(zhǔn)修改其5個(gè)氨基酸位點(diǎn)。這種“無痕編輯”既保留了水稻原有遺傳穩(wěn)定性，又激活了其合成輔酶Q10的潛能。

正如中國科學(xué)院院士、中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長黃三文評(píng)價(jià)所言，如何尋找基因編輯的靶標(biāo)來提高培育更高產(chǎn)、營養(yǎng)更豐富的作物是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的一個(gè)重大科學(xué)問題。這項(xiàng)突破性研究為開發(fā)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(yǎng)來源。同樣重要的是，該研究為基于植物進(jìn)化生物學(xué)和基因編輯技術(shù)實(shí)現(xiàn)作物精準(zhǔn)遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新提供了一個(gè)成功范例，為未來作物育種助力。

可以期待的是，或許在不遠(yuǎn)的未來，會(huì)有更多“會(huì)治病的主食”從實(shí)驗(yàn)室走向田野，讓健康真正成為“一日三餐的自然饋贈(zèng)”。

作者：宋雅娟

科學(xué)審核：高彩霞（中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員）