上海
靠吃米饭就能给人体补充有助于心血管健康的辅酶Q10？或许几年之后，市场上就能买到这种神奇大米。
2月14日凌晨，国际顶尖学术期刊《细胞》发表来自中国科学家的最新成果：他们只改动了水稻辅酶Q基因上的十几个核苷酸“字母”，就使这座“植物工厂”从辅酶Q9改为“生产”辅酶Q10。目前，这种新稻种质的培育工作正在逐步推进。
这项研究还开启了一条以进化生物学指导基因编辑的新思路。而在辅酶Q10大米诞生的背后，还隐藏着一段中国科学院与上海辰山植物园长达十多年的院地合作佳话。
探寻亿年进化线索，让水稻重拾“祖业”
辅酶Q10不仅与心脏健康息息相关，还是线粒体呼吸链的电子传递体，更是一种脂溶性抗氧化剂，有助于改善人体疲劳、降血脂、提升免疫力。
其实，辅酶Q是一个大家族，不同物种合成的辅酶Q略有不同。比如人体合成的是辅酶Q10，而小鼠、水稻、拟南芥合成的是辅酶Q9，大肠杆菌则合成辅酶Q8。
多年前，中国科学院院士陈晓亚提出一个疑问：这种差异仅在辅酶Q的一条侧链的长短，为何会这样？
中国科学院分子植物科学卓越创新中心与上海辰山植物园开启院地合作，为解开这个科学问题带来了契机。陈晓亚说：“感谢辰山团队采集的丰富样本，让我们从对苔藓、石松、蕨类等67个科134种植物样品的辅酶Q检测中，发现了一些特别的线索。”
检测发现，合成辅酶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（包括水稻、小麦等作物）、菊科和葫芦科植物等主要合成辅酶Q9。“更有趣的是，水稻仍带有合成辅酶Q10的基因，只是已残缺不全。”陈晓亚猜测，可能自上亿年前的某次基因复制事件开始，禾本科植物将这套基因打入了“冷宫”。
这让研究组产生了一个大胆的想法：能否让水稻重拾“祖业”，对合成辅酶Q9的基因稍加改造，使其转而合成辅酶Q10？
从番茄到大米，辅酶Q10含量已接近肉类
2015年，此次论文第一作者许晶晶加入陈晓亚研究组，在辰山植物园用转基因方法，将番茄中的辅酶Q10含量提升了7倍。于是，团队开始尝试陈晓亚这个大胆想法。
要精准改造农作物性状，创造高营养品质，首先要精确锚定性状形成的关键基因位点。“这太难了，有些位点怎么也看不出、找不到。”许晶晶说，在陈晓亚的指点下，她尝试跳出禾本科，在被子植物的大视野中，对1000多种陆生植物辅酶Q侧链合成酶Coq1的氨基酸序列进行分析。“2021年，我们确定了辅酶Q合成中的一个关键酶分子，成果发表在《科学》子刊上。”
这需要大量实验数据并结合进化和机器学习分析。作为论文共同第一作者，中国科学院分子植物科学卓越创新中心年轻研究组长李建戌副研究员说，“阿尔法折叠”给研究提供了很多帮助。
令团队惊喜的是，他们最终确定了5个氨基酸位点，总共只需改动十几个核苷酸“字母”，就能让基因指令从“合成辅酶Q9”变为“合成辅酶Q10”。在中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员高彩霞的高水平基因编辑技术指导支持下，他们很快创制出了辅酶Q10水稻新种质。
“我们使用江南地区广泛种植的水稻品种‘秀水134’进行创制，现已取得可喜进展。”许晶晶介绍，这一新品种中每克稻米的辅酶Q10含量达5微克，含量已与肉类接近，未来还有提升空间——如果该种质得到大面积推广，或许人们通过吃饭就能补充一定量的辅酶Q10。而且，由于辅酶Q10化学性质比较稳定，蒸煮过程中不易被破坏，可通过饮食较好被人体吸收。
院地合作为优秀青年科学家拓宽成长路径
《自然》杂志在对此次《细胞》论文同步发表的亮点评论中称，该成果“对陆生植物进化过程的细致分析，为培育能产出一种广受欢迎的抗氧化剂补充剂的作物指明了方向”。 研究组已在尝试让小麦、生菜等更多作物和蔬菜“改道”合成辅酶Q10。
“这是为辰山植物园迈向国家植物园的关键节点献上的珍贵礼物。”在上海辰山植物园执行园长、分子植物卓越中心辰山科学研究中心副主任胡永红看来，超越园林观赏，科研将是国家植物园要承担的一块重要功能。
与辰山植物园建设同步，辰山科学研究中心创建于2005年。为吸引人才，中国科学院史无前例地给了上海辰山植物园20个创新编制，用于引进高层次人才。博士后出站时，许晶晶因此留在辰山科学研究中心成为科研助理。如今，在《细胞》杂志发表重要成果后，许晶晶的下一步发展将是独立建研究组。
中国科学院分子植物卓越创新中心党委书记张余表示，中心已在考虑为优秀青年人才拓宽成长路径，让他们获得更广阔的成长空间。
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