在上海市綠化和市容管理局的大力支持與悉心指導下，2025年2月14日，上海辰山植物園的科研成果有了新的飛躍。中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心辰山科學研究中心陳曉亞院士團隊與中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所高彩霞團隊聯(lián)合攻關(guān)，在國際權(quán)威期刊《細胞》Cell上在線發(fā)表了題為“Design of CoQ10crops based on evolutionary history(基于植物進化的輔酶Q10性狀設(shè)計)”的科研論文。上海辰山植物園副研究員許晶晶作為第一作者，與團隊解析了植物輔酶Q側(cè)鏈長度控制的分子機制，通過系統(tǒng)分析輔酶Q在陸生植物中的演化軌跡及關(guān)鍵酶自然變異，利用引導編輯技術(shù)改變水稻基因組Coq1酶的5個氨基酸，創(chuàng)制了合成輔酶Q10的水稻新種質(zhì)，小麥編輯也取得重要進展。

該研究工作主要在上海辰山植物園完成。文章發(fā)表標志著上海辰山植物園科研水平的國際認可和領(lǐng)先地位，為人類健康與城市市民生活品質(zhì)提升增添了濃墨重彩的一筆。

輔酶Q10與人體健康，尤其是心臟健康息息相關(guān)，它是線粒體呼吸鏈的電子傳遞體，也是脂溶性抗氧化劑。不同物種合成的輔酶Q側(cè)鏈長度不同，人體自身合成輔酶Q10，側(cè)鏈由10個異戊二烯單元(C50)組成，而水稻等谷物以及一些蔬菜和水果，主要合成輔酶Q9，側(cè)鏈含有9個異戊二烯單元(C45)。創(chuàng)制輔酶Q10作物，提高植物食品中輔酶Q10的含量，是一種性價比高且環(huán)境友好的營養(yǎng)強化新方法，我們?nèi)粘ｏ嬍持休o酶Q10來源少，這一成果對食物性輔酶Q10人體日常外源性補充，做出了重大貢獻。

圖1. 植物輔酶Q種類的進化和關(guān)聯(lián)氨基酸

為什么不同物種合成的輔酶Q側(cè)鏈長度不同，其分子機制一直不明。得益于上海辰山植物園豐富的植物資源，該團隊采集了包括苔蘚、石松、蕨類、裸子植物和被子植物在內(nèi)的共67個科134種植物樣品。檢測各物種輔酶Q類型及系統(tǒng)分布特征，發(fā)現(xiàn)輔酶Q10是被子植物的祖先性狀，多數(shù)植物仍然合成輔酶Q10，而禾本科、菊科和葫蘆科植物等主要合成輔酶Q9。

要精準改造農(nóng)作物性狀，創(chuàng)造高營養(yǎng)品質(zhì)，首先要精確錨定性狀形成的關(guān)鍵因子。結(jié)合對1000多種陸生植物輔酶Q側(cè)鏈合成酶Coq1氨基酸序列的進化分析和機器學習，科研團隊最終確定了決定鏈長的5個氨基酸位點。通過精準編輯，創(chuàng)制了主要合成輔酶Q10的水稻，其葉片和籽粒中輔酶Q10占總輔酶Q的75%，籽粒中輔酶Q10達5 μg/g，且對水稻產(chǎn)量沒有影響?；蚓庉嬕殉蔀橐环N高效安全的先進作物改良技術(shù)，編輯的植物不含外源基因、遺傳穩(wěn)定，近年來在發(fā)達國家發(fā)展迅速。Q10水稻的研制成功，將大大豐富輔酶Q10的食物來源，也為大數(shù)據(jù)和AI輔助育種提供了一個范例。

圖2. 引導編輯創(chuàng)制Q10水稻

上海辰山植物園許晶晶副研究員、遺傳發(fā)育所博士生雷源、上海交通大學張曉凡博士、上海辰山植物園李建戌副研究員為共同第一作者，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心陳曉亞院士和中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所高彩霞研究員為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金委員會、中國科學院、上海市科學技術(shù)委員會、上海市綠化和市容管理局辰山專項、云南省科技廳、新基石等項目的資助。

上海辰山植物園自2010年開園以來，以“精研植物，愛傳大眾”為使命，立足華東，面向東亞和南北美洲，圍繞唇形科、蘭科、芍藥科、蕨類、殼斗科、旋花科、蓮科等重點研究類群，開展資源植物保育與可持續(xù)利用研究。十余載砥礪前行，不斷凝練科研方向，逐步構(gòu)建起植物多樣性保護、代謝與資源植物開發(fā)利用、園藝與生物技術(shù)三大特色研究板塊，成功打造三個省部級以上科研基地，初步形成“一室兩中心三平臺”的科研體系，科研成果也實現(xiàn)了從量變到質(zhì)變的“三級跳”。

一級跳(2010 - 2015)：中心建立，開辟啟航

上海辰山植物園在建立之初，得益于上海市政府和中國科學院的大力支持，迅速完成科研基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并啟動全球范圍內(nèi)的研究組長招募?？蒲袌F隊在植物分類與系統(tǒng)進化、外來入侵植物研究等領(lǐng)域取得了初步成果，出版了多部關(guān)于中國和東亞植物分類學的重要專著，多篇論文在Frontiers in Plant Science、Plant Systematics and Evolution、Phytotaxa等國際主流刊物相繼發(fā)表，為中國植物學研究奠定了堅實基礎(chǔ)。

二級跳(2016 - 2024)：集中發(fā)力，成就顯著

在2016至2024年間，上海辰山植物園科研團隊在植物代謝和功能基因組學領(lǐng)域取得重大進展。2017年，上海辰山植物園團隊與國際合作伙伴一同發(fā)布了甘薯基因組圖譜，開創(chuàng)了復雜基因組解析的新方法。此外，上海辰山植物園的研究成果也頻繁亮相于Nature Plant、Molecular Plant、Nature Communications、Science Advances等國際頂尖期刊，成功破解了丹參、黃芩、牡丹、益母草等關(guān)鍵藥用植物的基因組，并深入解析了丹參酮、黃芩素、芍藥苷、益母草堿等活性成分的生物合成路徑和調(diào)控機制。在植物保育與進化領(lǐng)域，團隊同樣取得突破，例如甘肅楓楊的種群遺傳學研究與柳屬植物性染色體的演化機制。這些研究成果不僅豐富了植物科學的理論框架，也為藥用植物的開發(fā)提供了堅實基礎(chǔ)。

三級跳(2025—)歷史新高，突破遠航

團隊的研究在2025年達到新高點，成功在《細胞》Cell期刊發(fā)表關(guān)于輔酶Q10合成的研究，標志著上海辰山植物園科研水平的國際認可和領(lǐng)先地位。這不僅展示了團隊的研究能力，也預示著上海辰山植物園在全球植物科學研究領(lǐng)域的影響力將進一步擴大。

未來展望：持續(xù)創(chuàng)新，全球合作

在上海市政府的統(tǒng)籌規(guī)劃和中國科學院的大力支持下，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心辰山科學研究中心通過院地合作實現(xiàn)重大成果突破，為植物資源的科學保護與有效利用提供了堅實的科研保障。我們將繼續(xù)專注于“次生代謝與資源植物開發(fā)利用”、“園藝與生物技術(shù)”和“植物多樣性保育”三大核心研究領(lǐng)域。利用多組學方法和先進技術(shù)，深入研究藥用植物和藥食同源植物中的活性小分子，并篩選、優(yōu)化、創(chuàng)制對人類健康有益的植物資源。

積極推動城市生態(tài)系統(tǒng)服務的研究，通過綠色基礎(chǔ)設(shè)施和生態(tài)設(shè)計，將自然元素融入城市規(guī)劃中，優(yōu)化城市綠化和生態(tài)服務，促進城市與自然的和諧共生。加強對本土及外來植物種質(zhì)資源的系統(tǒng)收集和數(shù)字化管理，通過建立更為廣泛的種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫，支持生物多樣性的研究與保護，同時發(fā)展這些資源的戰(zhàn)略性利用項目。加強與全球科研機構(gòu)的合作，共享研究成果，提升國際影響力。

未來，雙方將繼續(xù)深化合作，不斷探索植物科學的新邊界，為上海持續(xù)高效推進植物科學發(fā)展、服務生態(tài)環(huán)境建設(shè)貢獻更多力量。

專家點評

黃三文

中國科學院院士、中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院院長

進化生物學指導的基因編輯讓水稻合成輔酶Q10

全球范圍內(nèi)已有多個基因編輯食品獲得商業(yè)化許可，但如何尋找基因編輯的靶標來提高培育更高產(chǎn)、營養(yǎng)更豐富的作物是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的一個重大科學問題。

陳曉亞研究團隊與高彩霞研究團隊等合作在《細胞》Cell發(fā)表最新研究成果，成功培育出輔酶Q10水稻。水稻只合成輔酶Q9，而人類需要輔酶Q10。輔酶Q10是細胞能量代謝的關(guān)鍵成分，具有抗氧化、保護心臟的重要作用。研究團隊運用CRISPR-cas9基因編輯工具，成功改造了水稻中輔酶Q合成途徑的關(guān)鍵酶——長鏈異戊烯基轉(zhuǎn)移酶Coq1的5個特定氨基酸。這些位點的選擇并非偶然，而是基于對植物進化基因組數(shù)據(jù)的深度挖掘和系統(tǒng)分析。

大約5億年前，綠色植物登陸。到今天地球上的陸生植物有約40萬種，其中大多數(shù)(約90%)是被子植物(有花植物)。巨大的生物多樣性讓我們的生活豐富多彩，也蘊藏著寶貴的基因資源。研究植物進化規(guī)律有助于揭示植物適應環(huán)境的機制，為作物改良、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和全球糧食安全提供重要科學依據(jù)。該研究首次揭示了輔酶Q10是被子植物的祖先形式，而禾本科、菊科、葫蘆科等植物主要合成輔酶Q9。通過系統(tǒng)分析不同植物類群的輔酶Q類型及Coq1的氨基酸序列，并結(jié)合生化實驗與分子動力學模擬，研究團隊成功鑒定出Coq1中一個關(guān)鍵氨基酸是輔酶Q類型轉(zhuǎn)變的分子開關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了我們對輔酶Q生物合成途徑的理解，更為作物營養(yǎng)強化提供了新的分子靶點。

這項突破性研究為開發(fā)富含輔酶Q10的功能性水稻品種打開了通路，有望為人類提供新型膳食營養(yǎng)來源。同樣重要的是，該研究為基于植物進化生物學和基因編輯技術(shù)實現(xiàn)作物精準遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新提供了一個成功范例，為未來作物育種助力。