探索植物辅酶Q10合成新路径 我国创制水稻新种质

作为人体必需的营养成分，辅酶Q10缺乏会导致严重的疾病，影响心脏、肾脏等组织和器官的功能。长期以来，辅酶Q10是全球销量最大的营养剂之一，但植物辅酶Q10合成途径尚未完全解析。

2月14日，记者从中国科学院分子植物科学卓越创新中心辰山科学研究中心获悉，该中心陈晓亚院士团队与中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队等合作展开研究。研究团队通过系统分析辅酶Q在陆生植物中的演化轨迹及关键酶自然变异，解析了植物辅酶Q侧链长度控制的分子机制，利用引导编辑技术改变水稻基因组Coq1酶的5个氨基酸，创制了合成辅酶Q10的水稻新种质，小麦编辑也取得重要进展。相关研究成果于北京时间2月14日发表在《细胞》上。

辅酶Q10是线粒体呼吸链的电子传递体，是脂溶性抗氧化剂，也是人体“发电机”的关键元件。成年人体内辅酶Q10含量自20岁开始逐渐降低。目前，人类可以通过日常饮食和相关营养剂补充辅酶Q10。但营养剂辅酶Q10较难被人体吸收，而蔬果谷物中的辅酶Q10含量较低。

陈晓亚院士（右二）观察水稻新种质。受访者供图

“通过日常饮食补充辅酶Q10是最佳方式。人类每天从食物中获取的辅酶Q10含量约在3—5毫克，其中从谷物中获取的几乎为0毫克。而我们联合创制的水稻新种质的辅酶Q10含量是每千克5毫克，甚至还有进一步提高的空间。”陈晓亚说，“因此，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。”

辅酶Q的侧链长度是形成辅酶Q10的关键，不同物种合成的辅酶Q侧链长度不同。例如人体自身合成辅酶Q10，侧链由10个异戊二烯单元组成，而水稻等谷物以及一些蔬菜和水果主要合成辅酶Q9，侧链含有9个异戊二烯单元。

长期以来，不同物种合成的辅酶Q侧链长度为何不同，其分子机制一直不明。得益于上海辰山植物园丰富的植物资源，该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共67个科134种植物样品。研究团队检测各物种辅酶Q类型及系统分布特征，发现辅酶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、菊科和葫芦科植物等主要合成辅酶Q9。

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因子。“2018年，陈院士跟我讨论‘只要找到这个氨基酸位点，就能得到富含辅酶Q10的水稻’，但是找到关键位点并非易事。”论文第一作者、上海辰山植物园副研究员许晶晶说，“直到近几年，我们从进化的角度去思考，成功揭示了其关键规律，并利用人工智能和大数据分析等技术，很快锁定了用于水稻基因编辑的关键位点。”

结合对1000多种陆生植物辅酶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能决定链长的5个氨基酸位点。通过精准编辑，创制了主要合成辅酶Q10的水稻，其叶片和籽粒中辅酶Q10占总辅酶Q的75%，每克籽粒中辅酶Q10达5微克，且对水稻产量没有影响。Q10水稻的研制成功，将大大丰富辅酶Q10的食物来源，也为大数据和AI辅助育种提供了范例。

魏路

记者 王春