Cell顶刊 | 陈晓亚院士携手高彩霞团队成功创制辅酶Q10水稻新种质

2025年2月14日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心辰山科学研究中心陈晓亚院士团队和中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队合作在国际权威期刊️上在线发表了题为“️Design of CoQcrops based on evolutionary history”的研究论文。

该研究旨在探索植物中辅酶Q（CoQ）侧链长度的进化机制，特别是通过分析Coq1基因的变异，揭示从CoQ（10个异戊二烯单元）向CoQ（9个单元）多次独立进化的遗传基础，并通过基因编辑技术改良主要粮食作物，使其能够积累更多的CoQ。️迈维代谢提供了植物广泛靶向代谢组的检测分析服务。

️辅酶Q水稻新种质的创制

️发表期刊：Cell

️IF：45.5

️发表时间：2025年2月

️客户单位：中国科学院分子植物科学卓越创新中心辰山科学研究中心&中国科学院遗传发育生物学研究所

️关键发现：通过对134种陆生植物的系统发育分析和祖先状态重建，发现CoQ是被子植物的祖先状态，而CoQ在多个被子植物谱系中独立进化出来，特别是在禾本科、菊科和葫芦科等草本植物中占主导地位。

图1 CoQ和CoQ及其相关的Coq1氨基酸残基在陆地植物中的分布

️核心机制：通过对Coq1酶的序列分析和功能测定，发现Coq1酶的第240位氨基酸残基的变化是CoQ形式转变的关键因素，其中亮氨酸（L）或缬氨酸（V）导致CoQ的产生，而异亮氨酸（I）或蛋氨酸（M）导致CoQ的产生。

图2 Site 240的变化会影响侧链长度

️创新成果：结合对1000多种陆生植物辅酶Q侧链合成酶Coq1氨基酸序列的遗传进化分析和机器学习，最终确定了决定链长的5个关键氨基酸位点。通过基因编辑技术，研究人员成功地在水稻和小麦中修改了Coq1基因，使其能够合成CoQ。编辑后的植物中CoQ含量显著增加，基因编辑后的水稻叶片和籽粒中辅酶Q占总辅酶Q的75%，籽粒中辅酶Q达5 μg/g，随后对20天后熟期（20-DPA）的谷粒进行了代谢组分析，发现尽管基因编辑改变了Coq1基因，导致CoQ含量显著增加，但对植物的整体代谢影响较小，说明其对植物的生长和发育无负面影响。

图3 通过基因组编辑生成辅酶Q水稻品系

综上，这些发现不仅揭示了CoQ和CoQ在植物进化中的分布和进化历史，还为通过基因编辑技术改良作物的营养成分提供了科学依据。