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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育生物學研究所高彩霞團隊聯合攻關，在國際權威期刊《細胞》Cell上在線發表了題為“Design of CoQ10crops based on evolutionary history(基于植物進化的輔酶Q10性狀設計)”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側鏈長度控制的分子機制，通過系統分析輔酶Q在陸生植物中的演化軌跡及關鍵酶自然變異，利用引導編輯技術改變水稻基因組Coq1酶的5個氨基酸，創制了合成輔酶Q10的水稻新種質，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。文章發表標志著上海辰山植物園科研水平的國際認可和領先地位，為人類健康與城市市民生活品質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，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側鏈長度不同，人體自身合成輔酶Q10，側鏈由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，側鏈含有9個異戊二烯單元(C45)。創制輔酶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境友好的營養強化新方法，我們日常飲食中輔酶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種類的進化和關聯氨基酸

為什么不同物種合成的輔酶Q側鏈長度不同，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的共67個科134種植物樣品。檢測各物種輔酶Q類型及系統分布特征，發現輔酶Q10是被子植物的祖先性狀，多數植物仍然合成輔酶Q10，而禾本科、菊科和葫蘆科植物等主要合成輔酶Q9。

要精準改造農作物性狀，創造高營養品質，首先要精確錨定性狀形成的關鍵因子。結合對1000多種陸生植物輔酶Q側鏈合成酶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，且對水稻產量沒有影響。基因編輯已成為一種高效安全的先進作物改良技術，編輯的植物不含外源基因、遺傳穩定，近年來在發達國家發展迅速。Q10水稻的研制成功，將大大豐富輔酶Q10的食物來源，也為大數據和AI輔助育種提供了一個范例。

圖2. 引導編輯創制Q10水稻

上海辰山植物園許晶晶副研究員、遺傳發育所博士生雷源、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新中心陳曉亞院士和中國科學院遺傳與發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利用研究。十余載砥礪前行，不斷凝練科研方向，逐步構建起植物多樣性保護、代謝與資源植物開發利用、園藝與生物技術三大特色研究板塊，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，科研成果也實現了從量變到質變的“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，迅速完成科研基礎設施建設，并啟動全球范圍內的研究組長招募。科研團隊在植物分類與系統進化、外來入侵植物研究等領域取得了初步成果，出版了多部關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表，為中國植物學研究奠定了堅實基礎。

二級跳(2016 - 2024)：集中發力，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布了甘薯基因組圖譜，開創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控機制。在植物保育與進化領域，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提供了堅實基礎。

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期刊發表關于輔酶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域的影響力將進一步擴大。

未來展望：持續創新，全球合作

在上海市政府的統籌規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新中心辰山科學研究中心通過院地合作實現重大成果突破，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。我們將繼續專注于“次生代謝與資源植物開發利用”、“園藝與生物技術”和“植物多樣性保育”三大核心研究領域。利用多組學方法和先進技術，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、優化、創制對人類健康有益的植物資源。

積極推動城市生態系統服務的研究，通過綠色基礎設施和生態設計，將自然元素融入城市規劃中，優化城市綠化和生態服務，促進城市與自然的和諧共生。加強對本土及外來植物種質資源的系統收集和數字化管理，通過建立更為廣泛的種質資源數據庫，支持生物多樣性的研究與保護，同時發展這些資源的戰略性利用項目。加強與全球科研機構的合作，共享研究成果，提升國際影響力。

未來，雙方將繼續深化合作，不斷探索植物科學的新邊界，為上海持續高效推進植物科學發展、服務生態環境建設貢獻更多力量。

專家點評

黃三文

中國科學院院士、中國熱帶農業科學院院長

進化生物學指導的基因編輯讓水稻合成輔酶Q10

全球范圍內已有多個基因編輯食品獲得商業化許可，但如何尋找基因編輯的靶標來提高培育更高產、營養更豐富的作物是現代農業生物技術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合成途徑的關鍵酶——長鏈異戊烯基轉移酶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據的深度挖掘和系統分析。

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(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。研究植物進化規律有助于揭示植物適應環境的機制，為作物改良、農業可持續發展和全球糧食安全提供重要科學依據。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。通過系統分析不同植物類群的輔酶Q類型及Coq1的氨基酸序列，并結合生化實驗與分子動力學模擬，研究團隊成功鑒定出Coq1中一個關鍵氨基酸是輔酶Q類型轉變的分子開關。這一發現不僅深化了我們對輔酶Q生物合成途徑的理解，更為作物營養強化提供了新的分子靶點。

這項突破性研究為開發富含輔酶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實現作物精準遺傳改良與種質創新提供了一個成功范例，為未來作物育種助力。