从 “淀粉炸弹” 到 “营养黄金”！这种水稻如何让白米饭逆袭成 “健康主食”？

水稻是全球超1/3人口的主食，其籽粒碾制后成为大米，为人们提供物质能量。但大米的营养较单一，富含淀粉但缺乏矿物质及维生素。科学家们通过不懈努力，成功培育出能够合成辅酶Q10的水稻，其籽粒中辅酶Q10含量可达每克5微克，这不仅提升了大米的营养价值，也展现了科技在农业领域的巨大潜力。那么，辅酶Q10是什么？这种特殊水稻又是如何诞生的呢？

1. 辅酶Q10是什么？

辅酶Q10，也许这个名字听起来有些陌生，但它在我们的身体中扮演着重要的角色。

我们的身体好似一个复杂的化学工厂，每时每刻都在进行着化学反应。这些反应需要一种叫作“酶”的催化剂来加速进行。大多数酶是由蛋白质构成的，它们就像催化剂一样，让化学反应迅速发生。

然而，在某些情况下，蛋白质可能无法单独完成催化过程，这时就需要一些分子量较小的分子来协助。这些分子与酶紧密合作，共同完成催化过程。这些分子被称为“辅酶”。

辅酶Q就是一类重要的辅酶。在真核生物中，辅酶Q主要存在于线粒体中，它帮助细胞进行有氧呼吸，从而生成细胞代谢能量的“货币”——三磷酸腺苷（ATP）。

辅酶Q家族成员的分子结构中都包含一个醌基，这也是其名称中“Q”的来源。醌基上连接着一条由多个异戊二烯单元组成的侧链，这条侧链形似“尾巴”。不同辅酶Q中的异戊二烯单元数量各不相同，辅酶Q10就是得名于这条“尾巴”含有10个异戊二烯单元。类似地，在不同生物中，还存在辅酶Q9、辅酶Q6等。

人体自身能够合成辅酶Q10，特别是在心脏、肝脏、胰腺等代谢活跃的器官中含量较高。但随着人体衰老，辅酶Q10的含量会逐渐减少，这反映了机体代谢能力的减弱。而从食物中获取的辅酶Q10，是机体辅酶Q10的重要补充来源。

动物组织中含有较高水平的辅酶Q10，植物中的含量相对较少。作为主食之一的水稻，本身并不具备合成辅酶Q10的能力。但如果能让水稻合成辅酶Q10，那么人们通过日常饮食摄入米饭，就能轻松地补充辅酶Q10，这对于提升大众健康水平意义重大。

2. 植物辅酶Q类型“大摸底”

科学家在植物中做了一次“大摸底”，通过检测67个科、134种不同的植物辅酶Q的类型，他们发现植物中主要存在辅酶Q9和辅酶Q10。

演化史上较早出现的植物，例如石松类、蕨类和裸子植物等，它们体内合成的是辅酶Q10。而较晚出现的被子植物，多数也能合成辅酶Q10。然而，在以西瓜、黄瓜为代表的葫芦科，以向日葵、生菜为代表的菊科，以及以水稻为代表的禾本科等少数类群中，合成的则是辅酶Q9。这说明，合成辅酶Q10是被子植物的一个祖先性状，而葫芦科、菊科和禾本科这些合成辅酶Q9的“异类”，其实是在演化过程中产生的新性状，这也反映出被子植物演化的多样性。

3. 找到关键基因

科学家从分子生物学和生物化学的角度，探究了植物合成不同辅酶Q的机制。在植物中有一种称为Coq1的酶，用来执行辅酶Q分子中异戊二烯侧链的合成。在不同植物中，Coq1的氨基酸序列组成存在差异，从而使得一些植物合成辅酶Q10，而另一些则合成辅酶Q9。

通过进一步研究，科学家发现，Coq1第240位的氨基酸，对合成辅酶Q的类型有着决定性作用。在大多数植物中，具有活性的Coq1在这一位点的氨基酸是亮氨酸；但在水稻中，这一位点则变成了甲硫氨酸。正是这一变化，使得水稻合成的是辅酶Q9而非辅酶Q10。

Coq1的第240位氨基酸附近，是Coq1催化异戊二烯结合的核心催化位点。在这个催化位点周边的氨基酸变化，都会影响辅酶Q侧链的伸长。由此，科学家提出了一个大胆的设想：如果使用人工手段改造水稻Coq1酶的催化位点，使得它具有合成10个异戊二烯单元侧链的能力，这样的水稻就能够合成辅酶Q10了。

4. 精准编辑，让水稻合成辅酶Q10

那么，如何精确地改造Coq1的催化位点，又不影响水稻其他酶的功能呢？这时，号称“基因手术刀”的基因编辑技术就派上用场了。

基因编辑技术，能够让人们在不引入外源基因的情况下，对目标基因进行定点突变、增加或删除特定DNA片段等操作，从而实现基因组水平上的精确编辑。

目前，最常用也最成熟的基因编辑手段莫过于CRISPR技术，即通过在特定位置添加、删除或改变DNA实现基因编辑。而在辅酶Q10水稻的创制过程中，科学家采用了CRISPR技术的“升级版本”——一种名为Grand Editing的新型基因编辑技术。这种编辑技术能够实现对更长DNA片段的编辑。如果说之前的基因编辑技术是对“字”和“词”进行修改的话，那么这项新技术就是可以对“短语”甚至“句子”进行修改。

基因编辑技术能够让人类对目标基因进行编辑，实现对特定 DNA 片段的敲除或加入等的技术。新型的基因编辑技术Gfand- Editing 可以支持更长DNA序列的编辑（供图/郗旺）

运用新型基因编辑技术，科学家对水稻Coq1进行了精确的修改，让它具有了能够合成10个异戊二烯侧链的能力。由此创制出的水稻也不负众望，体内的辅酶Q10含量大大提高，而且更惊喜的是，这些能够合成辅酶Q10的水稻在诸如生长趋势、产量等方面都与没有改造的水稻相当。这更进一步证明了基因编辑的准确性和有效性。

辅酶Q10水稻的诞生，让传统的农作物具备了更加优良的营养特性，而更为重要的是，它为农作物新品种的精确育种进行了富有价值的实践。相信在不久的未来，通过科学家们的辛勤钻研，还会有更多更好的新型农作物出现，为国家粮食安全、人民营养健康再创新功。

责任编辑｜高琳岳焕琦

运营编辑｜岳焕琦

质量审核 | 赵青云 王维嘉

图文来源 | 《知识就是力量》杂志《辅酶Q10水稻诞生记》，撰文/郗旺（上海辰山植物园），原创作品转载请注明来源。