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用地瓜制作可降解薄膜,淀粉不够“直”怎么办?


2020年08月10日

红薯又叫番薯,山芋,地瓜,是喜温作物,不耐寒。红薯最初是由明朝万历年间福建华侨陈振龙将其带回了中国,在粮食生产远远供不应求的古代,这种高产的块根类作物在救荒年代很快传播到浙江、山东、河南等地,救了很多人的命。

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1 甘薯一览

甘薯,最重要的特征是它的块根中富含淀粉,甘薯储藏根中的大量淀粉可以用作工业生产的原材料。淀粉主要是由直链和支链淀粉构成,确切地说,高直链淀粉相对于支链淀粉具有更好的工业性能和工业利用价值。直链淀粉,就是我们平常看到的遇碘液变蓝的那种,在工业上可用来制作薄膜、涂料、粘合剂等,尤其是制作可降解薄膜,代替聚乙烯等塑料,非常环保。但是呢,目前自然甘薯品系直链淀粉含量介于15%-30%之间,不能满足工业上的应用需求。这就需要我们对甘薯的淀粉品质进行改良。

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2 淀粉中糖苷键示意图

直链淀粉,是由许多D-葡萄糖通过α-1,4-糖苷键连接成一条直链;支链淀粉则是在有一些直链葡萄糖通过α-1,6-糖苷键连接在其他直链上,形成像树杈一样的支链淀粉。直链淀粉的分子间容易结合,易发生凝沉,糊化(糊化就是溶胀但不溶解,这是一种高聚物中间态,比如用100度沸水去煮无论直的还是支的都能完全糊化,但若是60度温水则只有支链能溶胀)越难,而其切应力强, 成膜性能较佳。若是理化修饰直链淀粉,则可使其功能增强。

目前,从基因调控层面对淀粉可以进行有效的品质改良。所谓基因,是指生物细胞内有遗传能力的物质,它们可以指导细胞合成各种蛋白质,并向生物细胞发出各种命令,引导生物发育与生命机能的运作。那么如何不让一个基因发挥功能呢?

有三种方法:(1)从源头抓,把那个基因给弄得不转录了;(2)让基因转录出的RNA失效;当DNA转录出的RNA被清除时,遗传信息传递不下去,这个基因也相当于没法发挥功能了,就好比司令部被屏蔽了,下面的军队接收不到信号了,这就是RNA干扰技术的原理;(3)把这基因产生的蛋白质给清除掉。

我们今天着重讲一下从源头抓,就是基因编辑技术。它与我们常听的转基因育种技术完全不同,这个操作不转入别人家的基因,只是对作物内部存在的基因进行修饰,比如敲除一些不良基因。目前应用最为广泛的基因编辑技术非CRISPR/Cas9莫属了。CRISPR全称为clustered regularly interspaced short palindromic repeats,是细菌中成簇存在的具有规律间隔的短回文重复序列,是细菌通过切割双链DNA使其断裂而获得性免疫抵抗病毒入侵的有效手段;CasCRISPR associated protein,即CRISPR相关蛋白,本质是一种DNA内切酶。图2为大家简单介绍了一下原理:CRISPR是那段绿色序列,与某个基因组序列匹配上了,Cas蛋白在识别序列的旁边把DNA分子切断,而后生物体会启动DNA双链断裂修复机制,这个机制一般会导致断口处少一部分,就会导致此处的基因被破坏,那么也就达到了基因敲除的目的。打个比方,就好比是警察按照指纹,严格匹配到嫌疑犯,而后将其抓获(切断DNA),这大概就是CRISPR/Cas9的原理。

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3 CRISPR/Cas9原理简图

CRISPR/Cas9介导的基因组编辑是分子育种的革命性技术,已成功对水稻、番茄、马铃薯等多种农作物进行了品质改良。然而,这样的好技术却没有对甘薯育种带来太大改善。

这是因为甘薯基因组庞大(90条染色体),遗传背景复杂(是异源六倍体),自交不亲和,遗传转化困难,使得甘薯基础研究严重滞后,新品种培育和品质改良十分困难。

但是,只要思想不滑坡,办法总比困难多!

20199月,以王红霞博士为第一作者,张鹏研究员为通讯作者在International Journal of Molecular Sciences杂志发表了一篇论文,首次实现了CRISPR/Cas9编辑甘薯淀粉合成基因,改良淀粉的品质。他们成功使用CRISPR/Cas9技术对负责甘薯直链淀粉合成的GBSSI基因和负责支链合成的SBEII基因进行编辑,从而分别获得高支链和高直链的淀粉。这,是对甘薯淀粉品质改良的一大进步!这为食品加工及工业应用提供新型原材料,也为今后甘薯的育种提供了新的思路和技术。所以以后,我们想要什么类型的淀粉就有什么,这就是精准的编辑基因的魅力。这,就是,科技的力量。

 

出品:科普中国

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

作者:王红霞 鞠好庆 张鹏

   中国科学院分子植物科学卓越创新中心

   国家重点研发计划资助项目((2018YFD1000700, 2018YFD1000705)