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科学普及 | 基因编辑水稻、小麦,咋吃也不胖


2021年01月22日

近日,国家卫健委发布了《中国居民营养与慢性病状况报告(2020年)》,报告显示居民超重肥胖问题不断凸显,慢性病患病、发病仍呈上升趋势。18岁及以上居民男性和女性的平均体重分别为69.6千克和59千克,与2015年发布结果相比分别增加3.4千克和1.7千克。城乡各年龄组居民超重肥胖率继续上升。高血压、糖尿病、慢性阻塞性疾病患病率和癌症患病率和2015年相比有所上升,已成为影响人们健康和生活质量的社会问题。

由此可见,随着人们生活水平的不断提高,膳食平衡和饮食健康已成为人们不得不关注的问题。人们对功能型、专用型、营养保健型的优质农产品的多样化需求日益增加。开发功能性营养专用食品,在日常饮食生活中预防和控制疾病的发生,实现医食同源是解决上述问题的有效途径。

人们平时常吃的主食大米、面粉、玉米、杂粮、土豆等粮食的主要成分是淀粉,食物中的淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成,抗性淀粉(resistant starch)是一类不易被人体消化的淀粉,又叫做抗酶解淀粉或难消化淀粉,主要存在于高直链、低支链淀粉颗粒中,其含量与直链淀粉含量呈直线正相关。

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直链淀粉和支链淀粉结构

抗性淀粉在人体口腔、食道、胃、小肠等消化器官内不能被酶分解,到达大肠后,在肠道微生物作用下被分解为乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸(SCFAs)和核黄素(VB2)、尼克酸(VB3)等维生素。这些有益成分为人类肠道菌群的代谢提供了健康的环境和必需的营养,对肠道菌群稳态保持、提高人体免疫力具有重要的作用,同时可以降低糖尿病、高血脂和肥胖症等多种慢性疾病风险。抗性淀粉作为一种重要的膳食纤维资源,正逐步成为新一代健康功能食品的代表,越来越受到广泛的青睐。

因此,培育高抗性淀粉谷物作物已成为国内外育种和功能食品研究的热点。然而,水稻和小麦作为我国前两大的口粮作物,由于高抗性淀粉种质资源较为缺乏,利用常规技术难以培育出高抗性淀粉的水稻和小麦品种。

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基因编辑技术示意图

基因编辑技术是近年来发展起来的一种能够定向改造生物基因组DNA的工具,其中应用最为广泛的是CRISPR/Cas9系统,它利用来源于细菌的具有DNA切割活性的Cas9蛋白和用于识别DNA特定目标区域的引导RNA,能够使基因组DNA在目标位置被切开,随后通过不同的修复机制,完成对DNA中碱基序列的改造,比如插入或删除若干碱基、替换单个碱基或一段碱基序列。这将直接引起基因编码的氨基酸发生变化,从而实现基因功能的丧失或改变。基因组编辑技术就像一把带有GPS导航的基因剪刀,可以在基因的特定位置进行精确的裁剪和修饰。

中国农业科学院作物科学研究所的夏兰琴研究员团队,针对常规技术培育高抗性淀粉水稻和小麦新品种面临的难题,利用基因编辑技术,分别对水稻和小麦中的淀粉分支酶(starch branching enzyme,SBE)基因进行了定点敲除,创制了高抗性淀粉的水稻和小麦。淀粉分支酶是直接参与支链淀粉生物合成的关键酶,能够催化直链淀粉转变为支链淀粉,通过敲除淀粉分支酶基因可以使支链淀粉合成受阻,有效增加直链淀粉和抗性淀粉含量。水稻中淀粉分支酶基因(SBEIIb)功能丧失后,籽粒中直链淀粉和抗性淀粉的含量最高分别可增加到25.0%和9.8%。

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基因编辑水稻(左)和小麦(右)的淀粉结构

与水稻不同,小麦是典型的六倍体作物,它的许多基因具有3个拷贝。在小麦中淀粉分支酶基因(SBEIIa)的3个拷贝都同时编辑时,籽粒中抗性淀粉含量的提升是最为明显的,可以达到11.0%~15.1%,而基因编辑前的小麦抗性淀粉含量仅有1.1%~1.8%。同时,基因编辑小麦的直链淀粉、可溶性戊聚糖和蛋白质含量也显著增加。消化后,还原糖含量显著降低,说明创制的高抗性淀粉小麦具有潜在的营养保健功能。

可以看到,这些通过基因编辑技术创制的高抗性淀粉水稻和小麦都已将基因编辑工具分离出去,是均不含转基因成分的水稻和小麦新种质。利用基因编辑技术成功提高了谷类作物的抗性淀粉含量,可以有效改善人体健康,防止或降低一些非传染行慢病性疾病发生,满足了不同消费人群的饮食需求。


参考文献

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出品:科普中国

稿:闫磊(中国农业科学院作物科学研究所)

监制:中国作物学会 光明网科普事业部

统筹:程维红 徐琴

策划:宋雅娟 赵清建