用地瓜制作可降解薄膜 淀粉不夠“直”怎么辦？

出品：科普中國(guó)

監(jiān)制：中國(guó)作物學(xué)會(huì) 光明網(wǎng)科普事業(yè)部

統(tǒng)籌：程維紅 徐琴

策劃：宋雅娟 趙清建

作者：王紅霞 鞠好慶 張鵬

中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2018YFD1000700,2018YFD1000705）

紅薯又叫番薯，山芋，地瓜，是喜溫作物，不耐寒。紅薯最初是由明朝萬(wàn)歷年間福建華僑陳振龍將其帶回了中國(guó)，在糧食生產(chǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)供不應(yīng)求的古代，這種高產(chǎn)的塊根類作物在救荒年代很快傳播到浙江、山東、河南等地，救了很多人的命。

圖1 甘薯一覽

甘薯，最重要的特征是它的塊根中富含淀粉，甘薯儲(chǔ)藏根中的大量淀粉可以用作工業(yè)生產(chǎn)的原材料。淀粉主要是由直鏈和支鏈淀粉構(gòu)成，確切地說(shuō)，高直鏈淀粉相對(duì)于支鏈淀粉具有更好的工業(yè)性能和工業(yè)利用價(jià)值。直鏈淀粉，就是我們平?？吹降挠龅庖鹤兯{(lán)的那種，在工業(yè)上可用來(lái)制作薄膜、涂料、粘合劑等，尤其是制作可降解薄膜，代替聚乙烯等塑料，非常環(huán)保。但是呢，目前自然甘薯品系直鏈淀粉含量介于15%-30%之間，不能滿足工業(yè)上的應(yīng)用需求。這就需要我們對(duì)甘薯的淀粉品質(zhì)進(jìn)行改良。

圖2 淀粉中糖苷鍵示意圖

直鏈淀粉，是由許多D-葡萄糖通過(guò)α-1,4-糖苷鍵連接成一條直鏈；支鏈淀粉則是在有一些直鏈葡萄糖通過(guò)α-1,6-糖苷鍵連接在其他直鏈上，形成像樹(shù)杈一樣的支鏈淀粉。直鏈淀粉的分子間容易結(jié)合，易發(fā)生凝沉，糊化（糊化就是溶脹但不溶解，這是一種高聚物中間態(tài)，比如用100度沸水去煮無(wú)論直的還是支的都能完全糊化，但若是60度溫水則只有支鏈能溶脹）越難，而其切應(yīng)力強(qiáng), 成膜性能較佳。若是理化修飾直鏈淀粉，則可使其功能增強(qiáng)。

目前，從基因調(diào)控層面對(duì)淀粉可以進(jìn)行有效的品質(zhì)改良。所謂基因，是指生物細(xì)胞內(nèi)有遺傳能力的物質(zhì)，它們可以指導(dǎo)細(xì)胞合成各種蛋白質(zhì)，并向生物細(xì)胞發(fā)出各種“命令”，引導(dǎo)生物發(fā)育與生命機(jī)能的運(yùn)作。那么如何不讓一個(gè)基因發(fā)揮功能呢？

有三種方法：（1）從源頭抓，把那個(gè)基因給弄得不轉(zhuǎn)錄了；（2）讓基因轉(zhuǎn)錄出的RNA失效；當(dāng)DNA轉(zhuǎn)錄出的RNA被清除時(shí)，遺傳信息傳遞不下去，這個(gè)基因也相當(dāng)于沒(méi)法發(fā)揮功能了，就好比司令部被屏蔽了，下面的軍隊(duì)接收不到信號(hào)了，這就是RNA干擾技術(shù)的原理;（3）把這基因產(chǎn)生的蛋白質(zhì)給清除掉。

我們今天著重講一下從源頭抓，就是基因編輯技術(shù)。它與我們常聽(tīng)的轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)完全不同，這個(gè)操作不轉(zhuǎn)入 “別人家的”基因，只是對(duì)作物內(nèi)部存在的基因進(jìn)行修飾，比如敲除一些“不良基因”。目前應(yīng)用最為廣泛的基因編輯技術(shù)非CRISPR/Cas9莫屬了。CRISPR全稱為clustered regularly interspaced short palindromic repeats，是細(xì)菌中成簇存在的具有規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列，是細(xì)菌通過(guò)切割雙鏈DNA使其斷裂而獲得性免疫抵抗病毒入侵的有效手段；Cas為CRISPR associated protein，即CRISPR相關(guān)蛋白，本質(zhì)是一種DNA內(nèi)切酶。圖2為大家簡(jiǎn)單介紹了一下原理：CRISPR是那段綠色序列，與某個(gè)基因組序列匹配上了，Cas蛋白在識(shí)別序列的旁邊把DNA分子切斷，而后生物體會(huì)啟動(dòng)DNA雙鏈斷裂修復(fù)機(jī)制，這個(gè)機(jī)制一般會(huì)導(dǎo)致斷口處少一部分，就會(huì)導(dǎo)致此處的基因被破壞，那么也就達(dá)到了基因敲除的目的。打個(gè)比方，就好比是警察按照指紋，嚴(yán)格匹配到嫌疑犯，而后將其抓獲（切斷DNA），這大概就是CRISPR/Cas9的原理。

圖3 CRISPR/Cas9原理簡(jiǎn)圖

CRISPR/Cas9介導(dǎo)的基因組編輯是分子育種的革命性技術(shù)，已成功對(duì)水稻、番茄、馬鈴薯等多種農(nóng)作物進(jìn)行了品質(zhì)改良。然而，這樣的好技術(shù)卻沒(méi)有對(duì)甘薯育種帶來(lái)太大改善。

這是因?yàn)楦适砘蚪M龐大，有90條染色體；遺傳背景復(fù)雜，是異源六倍體；自交不親和，遺傳轉(zhuǎn)化困難等特性，使得甘薯基礎(chǔ)研究嚴(yán)重滯后，新品種培育和品質(zhì)改良十分困難。

但是，只要思想不滑坡，辦法總比困難多。

2019年9月，以王紅霞博士為第一作者，張鵬研究員為通訊作者在International Journal of Molecular Sciences雜志發(fā)表了一篇論文，首次實(shí)現(xiàn)了CRISPR/Cas9編輯甘薯淀粉合成基因，改良淀粉的品質(zhì)。他們成功使用CRISPR/Cas9技術(shù)對(duì)負(fù)責(zé)甘薯直鏈淀粉合成的GBSSI基因和負(fù)責(zé)支鏈合成的SBEII基因進(jìn)行編輯，從而分別獲得高支鏈和高直鏈的淀粉。這，是對(duì)甘薯淀粉品質(zhì)改良的一大進(jìn)步！這為食品加工及工業(yè)應(yīng)用提供新型原材料, 也為今后甘薯的育種提供了新的思路和技術(shù)。所以，以后我們想要什么類型的淀粉就有什么，這就是精準(zhǔn)的編輯基因的魅力。這，就是科技的力量。