科學(xué)普及 | 基因編輯水稻、小麥，咋吃也不胖

近日，國家衛(wèi)健委發(fā)布了《中國居民營養(yǎng)與慢性病狀況報(bào)告（2020年）》，報(bào)告顯示居民超重肥胖問題不斷凸顯，慢性病患病、發(fā)病仍呈上升趨勢。18歲及以上居民男性和女性的平均體重分別為69.6千克和59千克，與2015年發(fā)布結(jié)果相比分別增加3.4千克和1.7千克。城鄉(xiāng)各年齡組居民超重肥胖率繼續(xù)上升。高血壓、糖尿病、慢性阻塞性疾病患病率和癌癥患病率和2015年相比有所上升，已成為影響人們健康和生活質(zhì)量的社會問題。

由此可見，隨著人們生活水平的不斷提高，膳食平衡和飲食健康已成為人們不得不關(guān)注的問題。人們對功能型、專用型、營養(yǎng)保健型的優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的多樣化需求日益增加。開發(fā)功能性營養(yǎng)專用食品，在日常飲食生活中預(yù)防和控制疾病的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)醫(yī)食同源是解決上述問題的有效途徑。

人們平時(shí)常吃的主食大米、面粉、玉米、雜糧、土豆等糧食的主要成分是淀粉，食物中的淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，抗性淀粉(resistant starch)是一類不易被人體消化的淀粉，又叫做抗酶解淀粉或難消化淀粉，主要存在于高直鏈、低支鏈淀粉顆粒中，其含量與直鏈淀粉含量呈直線正相關(guān)。

直鏈淀粉和支鏈淀粉結(jié)構(gòu)

抗性淀粉在人體口腔、食道、胃、小腸等消化器官內(nèi)不能被酶分解，到達(dá)大腸后，在腸道微生物作用下被分解為乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸(SCFAs)和核黃素(VB2)、尼克酸(VB3)等維生素。這些有益成分為人類腸道菌群的代謝提供了健康的環(huán)境和必需的營養(yǎng)，對腸道菌群穩(wěn)態(tài)保持、提高人體免疫力具有重要的作用，同時(shí)可以降低糖尿病、高血脂和肥胖癥等多種慢性疾病風(fēng)險(xiǎn)?？剐缘矸圩鳛橐环N重要的膳食纖維資源，正逐步成為新一代健康功能食品的代表，越來越受到廣泛的青睞。

因此，培育高抗性淀粉谷物作物已成為國內(nèi)外育種和功能食品研究的熱點(diǎn)。然而，水稻和小麥作為我國前兩大的口糧作物，由于高抗性淀粉種質(zhì)資源較為缺乏，利用常規(guī)技術(shù)難以培育出高抗性淀粉的水稻和小麥品種。

基因編輯技術(shù)示意圖

基因編輯技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種能夠定向改造生物基因組DNA的工具，其中應(yīng)用最為廣泛的是CRISPR/Cas9系統(tǒng)，它利用來源于細(xì)菌的具有DNA切割活性的Cas9蛋白和用于識別DNA特定目標(biāo)區(qū)域的引導(dǎo)RNA，能夠使基因組DNA在目標(biāo)位置被切開，隨后通過不同的修復(fù)機(jī)制，完成對DNA中堿基序列的改造，比如插入或刪除若干堿基、替換單個(gè)堿基或一段堿基序列。這將直接引起基因編碼的氨基酸發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)基因功能的喪失或改變?；蚪M編輯技術(shù)就像一把帶有GPS導(dǎo)航的基因剪刀，可以在基因的特定位置進(jìn)行精確的裁剪和修飾。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所的夏蘭琴研究員團(tuán)隊(duì)，針對常規(guī)技術(shù)培育高抗性淀粉水稻和小麥新品種面臨的難題，利用基因編輯技術(shù)，分別對水稻和小麥中的淀粉分支酶（starch branching enzyme，SBE）基因進(jìn)行了定點(diǎn)敲除，創(chuàng)制了高抗性淀粉的水稻和小麥。淀粉分支酶是直接參與支鏈淀粉生物合成的關(guān)鍵酶，能夠催化直鏈淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)橹ф湹矸?，通過敲除淀粉分支酶基因可以使支鏈淀粉合成受阻，有效增加直鏈淀粉和抗性淀粉含量。水稻中淀粉分支酶基因（SBEIIb）功能喪失后，籽粒中直鏈淀粉和抗性淀粉的含量最高分別可增加到25.0%和9.8%。

基因編輯水稻（左）和小麥（右）的淀粉結(jié)構(gòu)

與水稻不同，小麥?zhǔn)堑湫偷牧扼w作物，它的許多基因具有3個(gè)拷貝。在小麥中淀粉分支酶基因（SBEIIa）的3個(gè)拷貝都同時(shí)編輯時(shí)，籽粒中抗性淀粉含量的提升是最為明顯的，可以達(dá)到11.0%～15.1%，而基因編輯前的小麥抗性淀粉含量僅有1.1%~1.8%。同時(shí)，基因編輯小麥的直鏈淀粉、可溶性戊聚糖和蛋白質(zhì)含量也顯著增加。消化后，還原糖含量顯著降低，說明創(chuàng)制的高抗性淀粉小麥具有潛在的營養(yǎng)保健功能。

可以看到，這些通過基因編輯技術(shù)創(chuàng)制的高抗性淀粉水稻和小麥都已將基因編輯工具分離出去，是均不含轉(zhuǎn)基因成分的水稻和小麥新種質(zhì)。利用基因編輯技術(shù)成功提高了谷類作物的抗性淀粉含量，可以有效改善人體健康，防止或降低一些非傳染行慢病性疾病發(fā)生，滿足了不同消費(fèi)人群的飲食需求。

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出品：科普中國

撰稿：閆磊（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所）

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