科学“点金术”孕育“Q10水稻”

陈晓亚院士和研究团队在实验室里研究试验方法 郜阳 摄

辅酶Q10是网上销售“长盛不衰”的营养保健品，它和人体健康尤其是心脏健康息息相关。

日前，中科院分子植物科学卓越创新中心辰山科学研究中心陈晓亚团队与中科院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队等合作，联合创制辅酶Q10水稻新种质。北京时间今天凌晨，相关成果在国际顶尖学术期刊《细胞》上在线发表。

从Q9“走向”Q10

心脏领域临床专家向记者介绍，辅酶Q10是线粒体呼吸链的电子传递体，也是一种脂溶性抗氧化剂，存在于人体所有组织细胞中。它在细胞能量产生过程中发挥关键作用，同时还参与能量供应、抗氧化和中和氧自由基等过程。

正常情况下，人体组织对辅酶Q10的需求可以通过自身合成满足，无须外源性补充。然而，随着年龄增长，人体内源性合成辅酶Q10的能力会逐渐下降，某些病理情况也会影响其合成能力。此时，外源性补充辅酶Q10有助于维持其在血液和组织中的正常浓度。

据悉，人每天从食物中可获取3到5毫克的辅酶Q10，而天然谷物无法提供这种物质。陈晓亚介绍，不同物种合成的辅酶Q侧链长度不同，人和哺乳动物能够合成辅酶Q10，而水稻等主要粮食作物则主要合成辅酶Q9。研究发现，Coq1基因合成并决定了辅酶Q侧链的长度。科研团队提出，创制辅酶Q10作物，提高植物食品中辅酶Q10的含量，是一种性价比高且环境友好的营养强化新方法，具有重大意义。

创制“合成水稻”

辅酶Q9和辅酶Q10看似相近，但不同物种合成的辅酶Q侧链长度不同，其分子机制长期以来一直不明。得益于上海辰山植物园丰富的植物资源，研究团队采集了包括苔藓、石松、蕨类、裸子植物和被子植物在内的67个科134种植物样品。

“我们发现，植物中辅酶Q10和Q9的分布具有明显的科属特异性，70%的检测物种主要合成Q10，而禾本科、菊科和葫芦科植物等主要合成辅酶Q9。”论文共同第一作者、上海辰山植物园科研助理、副研究员许晶晶介绍。

要精准改造农作物性状，创造高营养品质，首先需要精确锚定性状形成的关键因子。结合对千余种陆生植物辅酶Q侧链合成酶Coq1氨基酸序列的进化分析和机器学习，科研团队最终确定了决定链长的五个氨基酸位点，并通过精准编辑技术，成功创制了主要合成辅酶Q10的水稻。陈晓亚表示：“经过测算，食用辅酶Q10水稻，每天能让人多吸收1到2毫克的辅酶Q10，且高温蒸煮不会对其营养成分造成破坏。”

中科院院士、中国热带农业科学院院长黄三文指出，这项成果不仅深化了人们对辅酶Q生物合成途径的理解，更为作物营养强化提供了新的分子靶点，“研究也有望为人类提供新型膳食营养来源”。

实现模式创新

每次重要的突破，背后都是脚踏实地的积淀。许晶晶表示，创制合成辅酶Q10的水稻经历了“三步走”：首先通过转基因方法提高番茄中辅酶Q10的含量，相关成果发表在《代谢工程》上；随后鉴定了一种关键酶，成果发表在《科学》子刊上。此次科研团队利用的是基因编辑技术，这是一种高效安全的先进作物改良技术，编辑后的植物不含外源基因，遗传稳定，近年来在发达国家发展迅速。“Q10水稻的研制成功，不仅丰富了辅酶Q10的食物来源，也为大数据和AI辅助育种提供了范例。”

记者了解到，科研团队培育的辅酶Q10水稻新种目前已收获第二代。科学家还将这一成果应用于小麦和生菜，并已取得一定进展。不过，目前辅酶Q10水稻仍处于实验室阶段，距离大规模种植还有一段路要走。许晶晶表示：“接下来，我们计划通过基因编辑进一步提高水稻中辅酶Q10的含量。根据此前研究番茄的经验，提升空间值得期待。”

值得一提的是，辅酶Q10水稻的诞生也是一次模式创新——中科院分子植物科学卓越创新中心与上海辰山植物园“院地携手”实现了重大成果突破。如今，上海辰山植物园已构建起植物多样性保护、代谢与资源植物开发利用、园艺与生物技术三大特色研究板块，成功打造了三个省部级以上科研基地，初步形成“一室两中心三平台”的科研体系。本报记者 郜阳 金旻矣