2月14日，中國科學(xué)院院士、分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員陳曉亞團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員高彩霞團(tuán)隊(duì)等，在《細(xì)胞》（Cell）上在線發(fā)表了題為《基于植物進(jìn)化的輔酶Q10性狀設(shè)計(jì)》（Design of CoQ10 crops based on evolutionary history）的研究論文。該研究通過剖析輔酶Q在陸生植物中的演化軌跡與關(guān)鍵酶自然變異，解析了植物輔酶Q側(cè)鏈長度控制的分子機(jī)制，并利用引導(dǎo)編輯技術(shù)改變水稻基因組Coq1酶的5個(gè)氨基酸，創(chuàng)制了合成輔酶Q10的水稻新種質(zhì)，同時(shí)使小麥編輯取得了重要進(jìn)展。

 

　　輔酶Q10與人體健康尤其是心臟健康相關(guān)。輔酶Q10是線粒體呼吸鏈的電子傳遞體也是脂溶性抗氧化劑。不同物種合成的輔酶Q側(cè)鏈長度不同。人體自身合成輔酶Q10，側(cè)鏈由10個(gè)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，側(cè)鏈含有9個(gè)異戊二烯單元。創(chuàng)制輔酶Q10作物，提高植物食品中輔酶Q10的含量，是性價(jià)比高且環(huán)境友好的營養(yǎng)強(qiáng)化新方法。

 

　　目前，不同物種合成的輔酶Q側(cè)鏈長度不同的原因及分子機(jī)制尚不清楚。得益于上海辰山植物園豐富的植物資源，該團(tuán)隊(duì)采集了包括苔蘚、石松、蕨類、裸子植物和被子植物在內(nèi)的67個(gè)科134種植物樣品。研究檢測各物種輔酶Q類型和系統(tǒng)分布特征發(fā)現(xiàn)，輔酶Q10是被子植物的祖先性狀，多數(shù)植物仍合成輔酶Q10，而禾本科、菊科和葫蘆科植物等主要合成輔酶Q9。

 

　　若要精準(zhǔn)改造農(nóng)作物性狀，創(chuàng)造高營養(yǎng)品質(zhì)，則需要精確錨定性狀形成的關(guān)鍵因子。該研究通過對1000多種陸生植物輔酶Q側(cè)鏈合成酶Coq1氨基酸序列的進(jìn)化分析和機(jī)器學(xué)習(xí)，確定了決定鏈長的5個(gè)氨基酸位點(diǎn)。研究通過精準(zhǔn)編輯，創(chuàng)制了主要合成輔酶Q10的水稻。它的葉片和籽粒中輔酶Q10占總輔酶Q的75%，籽粒中輔酶Q10達(dá)5 μg/g，且對水稻產(chǎn)量沒有影響。

 

　　Q10水稻的研制成功，有望豐富輔酶Q10的食物來源，并為大數(shù)據(jù)和AI輔助育種提供范例。

 

　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國科學(xué)院以及上海市、云南省等的支持。