基于进化历史设计富含辅酶Q10的作物

本研究聚焦于解决作物中辅酶Q10合成难题，通过基因编辑技术成功改造水稻和小麦，使其合成对人类健康有益的辅酶Q10，为开发新型膳食辅酶Q10来源开辟新途径。

　　辅酶Q（CoQ）是细胞能量代谢和抗氧化防御的关键分子，人类合成CoQ₁₀，而许多作物如谷物和部分蔬菜/水果合成CoQ₉。由于CoQ₁₀的健康益处，将其引入作物一直是研究热点，但相关酶Coq1控制链长的具体氨基酸残基尚不清楚。为此，中国科学院的研究人员开展了一项基于进化历史的研究，通过分析大量陆生植物中CoQ₉和CoQ₁₀的分布以及Coq1序列变异，揭示了决定CoQ侧链长度的关键氨基酸变化，并利用基因编辑技术成功使水稻和小麦合成CoQ₁₀，为开发富含CoQ₁₀的作物提供了理论基础和技术支持。研究成果发表在国际知名期刊《Cell》上。

研究背景

辅酶Q（CoQ），又称泛醌，是线粒体呼吸链中重要的电子传递体，参与细胞能量代谢，同时作为一种抗氧化剂，对细胞的多种功能至关重要。CoQ的缺乏与多种疾病相关，包括线粒体功能障碍、神经退行性疾病和心血管疾病。人类能够合成CoQ₁₀，但随着年龄增长或某些药物（如他汀类药物）的使用，体内CoQ₁₀水平会降低。因此，CoQ₁₀作为一种营养补充剂被广泛使用。然而，大多数谷物和部分蔬菜/水果作物合成的是CoQ₉，而非CoQ₁₀。将CoQ₁₀引入作物不仅能提高其营养价值，还能为人类健康提供额外益处。但此前，由于缺乏对控制CoQ侧链长度的关键酶Coq1氨基酸残基的了解，这一目标难以实现。

研究方法

研究人员首先对134种陆生植物进行了CoQ₉和CoQ₁₀的分布分析，结合超过1000种植物的Coq1序列变异，通过进化分析和基因编辑技术，揭示了CoQ₁₀合成的进化历史，并确定了关键氨基酸位点。主要技术方法包括：

1. 基因编辑技术：利用CRISPR/Cas9系统对水稻和小麦的Coq1基因进行编辑，引入特定氨基酸突变。
2. 进化分析：通过构建系统发育树和祖先状态重建，分析CoQ₉和CoQ₁₀的进化历程。
3. 代谢分析：通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术检测植物中CoQ₉和CoQ₁₀的含量。

研究结果

CoQ₉和CoQ₁₀的分布与进化

研究人员发现，CoQ₁₀是开花植物的祖先状态，而CoQ₉在多个独立的进化分支中出现。CoQ₉主要集中在禾本科（Poaceae）、菊科（Asteraceae）和葫芦科（Cucurbitaceae）等草本植物中。通过对134种植物的分析，研究人员发现CoQ₁₀在近70%的物种中占主导地位，而CoQ₉则在37个物种中被检测到，这些物种分布在12个不同的科中。

关键氨基酸位点的发现

通过对Coq1基因的序列分析，研究人员发现第240位氨基酸的变化（如由亮氨酸L变为异亮氨酸I或蛋氨酸M）是导致CoQ侧链长度变化的主要因素。这一发现为通过基因编辑技术改造作物合成CoQ₁₀提供了理论依据。

基因编辑实现CoQ₁₀合成

研究人员利用基因编辑技术对水稻和小麦的Coq1基因进行改造，成功使这些作物合成CoQ₁₀。在水稻中，通过多重基因编辑，研究人员将Coq1基因的第166位赖氨酸（K）和第240-256位氨基酸片段替换为番茄Coq1基因的相应片段，最终使水稻中CoQ₁₀的含量显著增加。在小麦中，研究人员通过编辑三个亚基因组中的Coq1基因，成功使小麦合成CoQ₁₀。

研究结论与讨论

本研究通过揭示CoQ₉和CoQ₁₀的进化历史和关键氨基酸位点，为开发富含CoQ₁₀的作物提供了理论基础。通过基因编辑技术，研究人员成功使水稻和小麦合成CoQ₁₀，为人类健康提供了新的膳食来源。这一研究不仅解决了作物中CoQ₁₀合成的技术难题，还为其他作物的营养强化提供了新的思路。此外，该研究还强调了进化生物学在农业生物技术中的应用价值，展示了通过进化分析指导基因编辑的潜力。未来的研究可以进一步探索CoQ₁₀在植物中的生理功能，以及如何通过基因编辑技术优化作物的营养成分。