魏路 科技日報記者 王春
作為人體必需的營養(yǎng)成分，輔酶Q10缺乏會導(dǎo)致嚴(yán)重的疾病，影響心臟、腎臟等組織和器官的功能。長期以來，輔酶Q10是全球銷量最大的營養(yǎng)劑之一，但植物輔酶Q10合成途徑尚未完全解析。
2月14日，記者從中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心辰山科學(xué)研究中心獲悉，該中心陳曉亞院士團(tuán)隊與中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞團(tuán)隊等合作展開研究。研究團(tuán)隊通過系統(tǒng)分析輔酶Q在陸生植物中的演化軌跡及關(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，利用引導(dǎo)編輯技術(shù)改變水稻基因組Coq1酶的5個氨基酸，創(chuàng)制了合成輔酶Q10的水稻新種質(zhì)，小麥編輯也取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果于北京時間2月14日發(fā)表在《細(xì)胞》上。
輔酶Q10是線粒體呼吸鏈的電子傳遞體，是脂溶性抗氧化劑，也是人體“發(fā)電機(jī)”的關(guān)鍵元件。成年人體內(nèi)輔酶Q10含量自20歲開始逐漸降低。目前，人類可以通過日常飲食和相關(guān)營養(yǎng)劑補充輔酶Q10。但營養(yǎng)劑輔酶Q10較難被人體吸收，而蔬果谷物中的輔酶Q10含量較低。
陳曉亞院士（右二）觀察水稻新種質(zhì)。受訪者供圖
“通過日常飲食補充輔酶Q10是最佳方式。人類每天從食物中獲取的輔酶Q10含量約在3—5毫克，其中從谷物中獲取的幾乎為0毫克。而我們聯(lián)合創(chuàng)制的水稻新種質(zhì)的輔酶Q10含量是每千克5毫克，甚至還有進(jìn)一步提高的空間。”陳曉亞說，“因此，創(chuàng)制輔酶Q10作物，提高植物食品中輔酶Q10的含量，是一種性價比高且環(huán)境友好的營養(yǎng)強化新方法?！?br style="box-sizing: border-box; padding: 0px; margin: 0px;"/>
輔酶Q的側(cè)鏈長度是形成輔酶Q10的關(guān)鍵，不同物種合成的輔酶Q側(cè)鏈長度不同。例如人體自身合成輔酶Q10，側(cè)鏈由10個異戊二烯單元組成，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個異戊二烯單元。
長期以來，不同物種合成的輔酶Q側(cè)鏈長度為何不同，其分子機(jī)制一直不明。得益于上海辰山植物園豐富的植物資源，該團(tuán)隊采集了包括苔蘚、石松、蕨類、裸子植物和被子植物在內(nèi)的共67個科134種植物樣品。研究團(tuán)隊檢測各物種輔酶Q類型及系統(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)植物仍然合成輔酶Q10，而禾本科、菊科和葫蘆科植物等主要合成輔酶Q9。
要精準(zhǔn)改造農(nóng)作物性狀，創(chuàng)造高營養(yǎng)品質(zhì)，首先要精確錨定性狀形成的關(guān)鍵因子?！?018年，陳院士跟我討論‘只要找到這個氨基酸位點，就能得到富含輔酶Q10的水稻’，但是找到關(guān)鍵位點并非易事?！闭撐牡谝蛔髡?、上海辰山植物園副研究員許晶晶說，“直到近幾年，我們從進(jìn)化的角度去思考，成功揭示了其關(guān)鍵規(guī)律，并利用人工智能和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，很快鎖定了用于水稻基因編輯的關(guān)鍵位點?！?/span>
結(jié)合對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)，科研團(tuán)隊最終確定了能決定鏈長的5個氨基酸位點。通過精準(zhǔn)編輯，創(chuàng)制了主要合成輔酶Q10的水稻，其葉片和籽粒中輔酶Q10占總輔酶Q的75%，每克籽粒中輔酶Q10達(dá)5微克，且對水稻產(chǎn)量沒有影響。Q10水稻的研制成功，將大大豐富輔酶Q10的食物來源，也為大數(shù)據(jù)和AI輔助育種提供了范例。