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与中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队等合作在国际权威期刊Cell上在线发表了题为“Design of CoQ₁₀ crops based on evolutionary history（基于植物进化的辅酶Q₁₀性状设计）”的科研论文。该研究通过系统分析辅酶Q在陆生植物中的演化轨迹及关键酶自然变异，解析了植物辅酶Q侧链长度控制的分子机制，利用引导编辑技术改变水稻基因组Coq1酶的5个氨基酸，创制了合成辅酶Q₁₀的水稻新种质，小麦编辑也取得重要进展。

辅酶Q₁₀与人体健康，尤其是心脏健康息息相关，它是线粒体呼吸链的电子传递体，也是脂溶性抗氧化剂。不同物种合成的辅酶Q侧链长度不同，人体自身合成辅酶Q₁₀，侧链由10个异戊二烯单元（C50）组成，而水稻等谷物以及一些蔬菜和水果，主要合成辅酶Q₉，侧链含有9个异戊二烯单元（C45）。创制辅酶Q₁₀作物，提高植物食品中辅酶Q₁₀的含量，是一种性价比高且环境友好的营养强化新方法，意义重大。

为什么不同物种合成的辅酶Q侧链长度不同，其分子机制一直不明。得益于上海辰山植物园丰富的植物资源，该团队采集了包括苔藓、石松、蕨类、裸子植物和被子植物在内的共67个科134种植物样品。检测各物种辅酶Q类型及系统分布特征，发现辅酶Q₁₀是被子植物的祖先性状，多数植物仍然合成辅酶Q₁₀，而禾本科、菊科和葫芦科植物等主要合成辅酶Q₉。

要精准改造农作物性状，创造高营养品质，首先要精确锚定性状形成的关键因子。结合对1000多种陆生植物辅酶Q侧链合成酶Coq1氨基酸序列的进化分析和机器学习，科研团队最终确定了决定链长的5个氨基酸位点。通过精准编辑，创制了主要合成辅酶Q₁₀的水稻，其叶片和籽粒中辅酶Q₁₀占总辅酶Q的75%，籽粒中辅酶Q₁₀达5 μg/g，且对水稻产量没有影响。基因编辑已成为一种高效安全的先进作物改良技术，编辑的植物不含外源基因、遗传稳定，近年来发展迅速。Q₁₀水稻的研制成功，将大大丰富辅酶Q₁₀的食物来源，也为大数据和AI辅助育种提供了一个范例。

上海辰山植物园许晶晶副研究员、遗传发育所博士生雷源、上海交通大学张晓凡博士、分子植物卓越中心辰山科学研究中心李建戌副研究员为共同第一作者，分子植物卓越中心辰山科学研究中心陈晓亚院士和遗传发育所高彩霞研究员为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委员会、中国科学院、上海市科学技术委员会、上海市绿化和市容管理局辰山专项、云南省科技厅、新基石等项目的资助。

在上海市政府的统筹规划和中国科学院的大力支持下，中国科学院分子植物科学卓越创新中心和上海市绿化和市容管理局共建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，通过院地合作实现重大成果突破，为辰山植物园建设成为国际一流植物园，持续聚焦植物资源的科学保护与有效利用提供坚实科研保障。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.01.023

图1. 植物辅酶Q种类的进化和关联氨基酸

图2. 引导编辑创制Q₁₀水稻

专家点评：

1. Nature针对该项研究同步发表亮点点评：

对陆生植物进化进行的系统分析，为培育辅酶Q₁₀作物指明了方向。辅酶Q对细胞中产生能量的线粒体的正常功能至关重要，可作为补充剂来改善心脏健康。该团队使用引导编辑技术来精准控制小麦和大米中的这种蛋白质，使其产生辅酶Q₁₀。研究结果突显了如何利用植物进化史来创制作物新性状。

2. 黄三文（中国科学院院士、中国热带农业科学院院长）

进化生物学指导的基因编辑让水稻合成辅酶Q₁₀

全球范围内已有多个基因编辑食品获得商业化许可，但如何寻找基因编辑的靶标来提高培育更高产、营养更丰富的作物是现代农业生物技术的一个重大科学问题。

陈晓亚研究团队与高彩霞研究团队等合作在《细胞》(Cell)发表最新研究成果，成功培育出辅酶Q₁₀水稻。水稻只合成辅酶Q₉，而人类需要辅酶Q₁₀。辅酶Q₁₀是细胞能量代谢的关键成分，具有抗氧化、保护心脏的重要作用。研究团队运用CRISPR-cas9基因编辑工具，成功改造了水稻中辅酶Q合成途径的关键酶——长链异戊烯基转移酶Coq1的5个特定氨基酸。这些位点的选择并非偶然，而是基于对植物进化基因组数据的深度挖掘和系统分析。

大约5亿年前，绿色植物登陆。到今天地球上的陆生植物有约40万种，其中大多数（约90%）是被子植物（有花植物）。巨大的生物多样性让我们的生活丰富多彩，也蕴藏着宝贵的基因资源。研究植物进化规律有助于揭示植物适应环境的机制，为作物改良、农业可持续发展和全球粮食安全提供重要科学依据。该研究首次揭示了辅酶Q₁₀是被子植物的祖先形式，而禾本科、菊科、葫芦科等植物主要合成辅酶Q₉。通过系统分析不同植物类群的辅酶Q类型及Coq1的氨基酸序列，并结合生化实验与分子动力学模拟，研究团队成功鉴定出Coq1中一个关键氨基酸是辅酶Q类型转变的分子开关。这一发现不仅深化了我们对辅酶Q生物合成途径的理解，更为作物营养强化提供了新的分子靶点。

这项突破性研究为开发富含辅酶Q₁₀的功能性水稻品种打开了通路，有望为人类提供新型膳食营养来源。同样重要的是，该研究为基于植物进化生物学和基因编辑技术实现作物精准遗传改良与种质创新提供了一个成功范例，为未来作物育种助力。