“基因剪刀”讓高粱擁有“稻花香”

與野生高粱相比，動物們更“寵愛”香高粱。受訪者供圖

說起稻花香米，很多人腦中就會浮現出那濃郁的米香味兒。食物的香氣不但可以激發食欲,還能給人留下深刻的嗅覺記憶。現在科學家通過基因編輯技術，讓高粱也擁有了“稻花香”。

近日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所（以下簡稱遺傳發育所）謝旗研究組利用“基因剪刀”技術，在高粱中首次敲除了一種酶的基因，創制了這種新型香高粱。相關研究近日發表于《植物學報》（英文版）。

“這是一項非常棒的研究。”一位審稿人評價說，改良香高粱莖葉不僅對吸引食草動物具有良好的效果，籽粒在釀酒等工業中也具有廣闊的應用前景。

撲鼻而來的“鮮蝦味兒”

在位于北京中國科學院奧運園區的一座溫室大棚里，記者看到了謝旗研究組培育的新型香高粱。把鼻尖湊近這種作物的葉片，就能聞到淡淡的米香。

為了讓記者更直觀地感受這種香氣，論文第一作者、謝旗研究組博士生張丹分別采集了一片野生高粱和新型香高粱的葉片，將其浸泡在盛有低濃度的氫氧化鉀溶液的安瓿管中。

幾分鐘后，記者打開管蓋，感受到明顯的嗅覺差異：一個安瓿管中是淡淡的青草味兒；而另一個安瓿管中濃郁的“鮮蝦味兒”撲鼻而來。毋庸置疑，后一種肯定是香高粱。

實驗中，右側安瓿管中浸泡的葉片發出濃烈的香氣。馮麗妃攝

香味是食品的一種重要品質性狀，相較于普通大米，香米因其具有誘人的香味而更受消費者的喜歡，進而產生更高的經濟價值。世界著名的印度茉莉香米和中國東北五常的稻花香米就是香米中的佼佼者。

那么，這種香味究竟是如何產生的呢？張丹向記者介紹，這是因為一種重要的揮發物2-乙酰-1-吡咯啉（以下簡稱2-AP）在起作用。“水稻中的甜菜堿醛脫氫酶（BADH2）的不同突變類型均可導致2-AP積累，產生香味。”她說。

“剪刀”下去 “香味”來了

科學家發現，2-AP揮發物實現機制在很多作物中都是保守的。比如除了水稻，玉米、高粱、一種菜豆、黃瓜等多種作物都會因此散發出獨特的香味。

“目前，利用基因編輯技術已經獲得了香稻品種和香型玉米材料。高粱是全球第五大作物，可用做主食、飼料作物、釀造業以及生物能源產業原料。”謝旗對《中國科學報》說，創制香型高粱材料，培育稻花香型高粱品種，將引領高粱作為高粱膳食纖維食品、釀酒、釀醋、飼草動物飼料等產業的高品質發展。

利用“基因剪刀”CRISPR/Cas9，研究組敲除了高粱的SbBADH2基因，創制了新型香高粱。相比于野生型，突變體的種子和葉片均散發出了獨特的茉莉花香味。經過檢測，突變體籽粒和葉中2-AP含量的顯著積累。在突變體干種子中，2-AP含量可達每千克0.177毫克，在突變體植株嫩葉中其含量高達每千克0.801毫克。

“香味是主糧和水果的重要特征。過去雖然在一個野生高粱中發現了芳香種質，但難以用于大規模工業化生產。”一位審稿人寫道，作者用CRISPR/Cas9技術培育了香高粱，這對于在大豆、大麥、和小麥等其他作物中改良該基因片段提供了示范。

讓食物更具吸引力

這款新型香高粱已經“俘獲”了一些哺乳動物的胃。

在兔子喂食實驗中，研究人員將野生型高粱和sbbadh2突變植株的葉子低溫烘干后磨成粉，分別均勻混入飼料中。他們發現相比于野生型對照，添加編輯的香高粱植株干粉的飼料，對兔子更具有吸引力，顯著提高了兔子的采食量。

我國是飼料進口大國。據報道，2020年我國糧食累計進口超1.4億噸，其中將近80%的農產品進口用于發展養殖業的飼料。高粱是青貯飼料的第二大來源。謝旗表示，希望將香高粱的性狀與他們研究的其他優異高粱性狀相結合，對畜牧業的健康發展起到一定的促進作用。

據介紹，該研究組先后開發了甜高粱、耐鹽堿高粱的等種質資源，并已經過國家審批，目前已在新疆、寧夏、甘肅、內蒙、山東、江蘇等地實現了50萬畝的推廣種植，推進了精準扶貧和鄉村振興。

除了作為飼料，高粱也是我國釀酒和釀醋的主要原料。香高粱的引入又會給這些領域帶來怎樣的變化呢？謝旗透露，目前課題組正在和中科院微生物所的科學家合作，嘗試用香高粱釀酒，改善其風味和品質。

“目前，我們還是在實驗室中培育和種植少量的香高粱突變作物。”謝旗表示，今年1月底《農業用基因編輯植物安全評價指南（試行）》的公布，將進一步促進我國生物育種技術和產業發展。未來，香高粱衍生食品、特色香酒和特色香醋等高粱產品有望走上餐桌。

謝旗在辦公室工作。馮麗妃攝

謝旗組博士生張丹和高級工程師唐三元為該論文的共同第一作者，謝旗研究員和于菲菲副研究員為共同通訊作者。遺傳發育所褚金芳研究組和實驗動物中心給予相關技術支持。該工作得到中國科學院種子精準設計與創造A類先導專項的資助，唐三元高級工程師得到中科院青促會項目資助。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1111/jipb.13232