Nature Plants在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心陳曉亞研究組撰寫的題為Dirigent gene editing of gossypol enantiomers for toxicity-depleted cotton seeds的研究論文。該研究鑒定并表征了棉花中控制左旋和右旋棉酚生物合成的關(guān)鍵蛋白，通過基因編輯技術(shù)清除左旋棉酚，獲得了低毒或無毒棉籽且對(duì)棉花抗蟲能力無顯著影響。該工作首次實(shí)現(xiàn)了通過基因編輯特異選擇化合物對(duì)映異構(gòu)體，為復(fù)雜天然產(chǎn)物的不對(duì)稱合成開辟了新途徑，對(duì)作物遺傳改良和分子設(shè)計(jì)育種具有重要意義。

　　棉酚是棉花中重要的萜類植保素，廣泛存在于錦葵科棉屬植物中。它由兩分子半棉酚氧化偶聯(lián)生成，具有軸手性，形成的兩個(gè)對(duì)映異構(gòu)體生物活性迥異(圖A)。其中，左旋棉酚對(duì)人類和非反芻動(dòng)物具有生殖毒性，限制了棉籽中豐富的油脂和蛋白質(zhì)的利用。雖然已培育出完全不含棉酚的棉花品種，但這些品種更易受到病蟲害侵襲。相比之下，右旋棉酚不影響哺乳動(dòng)物精子的產(chǎn)生，但與左旋棉酚具有相似的抗蟲抗菌活性。因此，選擇性抑制左旋棉酚合成并保留右旋棉酚的棉籽，可在降低棉籽生殖毒性的同時(shí)保留其抗病蟲能力。

　　該團(tuán)隊(duì)通過生物信息學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)引導(dǎo)蛋白(DIR)基因GhDIR5和GhDIR6與已知棉酚合成途徑基因共表達(dá)。與酶蛋白不同，GhDIR5和GhDIR6分泌到棉花腺體中，位于細(xì)胞外。GhDIR5和眾多DIR基因串聯(lián)排列在同一串DIR基因簇中(A04)，而GhDIR6孤立于另一條染色體上(D05)，且在空間上分離。酶活實(shí)驗(yàn)顯示GhDIR6可控制右旋棉酚的生物合成，而GhDIR5控制左旋棉酚的生物合成(圖A)。研究顯示，通過CRISPR-Cas9介導(dǎo)的基因編輯技術(shù)敲除GhDIR5，可阻止棉籽中左旋棉酚的形成(圖B)，而右旋棉酚和其他結(jié)構(gòu)類似的萜類化合物水平?jīng)]有顯著變化，因而棉花抗蟲性得以保留。與野生型棉籽相比，左旋棉酚含量降低的基因編輯棉籽對(duì)小鼠精細(xì)胞等細(xì)胞系的毒性顯著降低。此外，分子模擬和突變分析揭示了左旋和右旋棉酚控制蛋白的三個(gè)關(guān)鍵氨基酸殘基，在對(duì)映體選擇性中起到關(guān)鍵作用，同時(shí)，結(jié)合進(jìn)化分析，推測(cè)負(fù)責(zé)左旋棉酚的DIR基因是從500萬~ 1300萬年前在棉屬植物演化、擴(kuò)散過程中選擇而來，這正是嚙齒類動(dòng)物大爆發(fā)的時(shí)間，推測(cè)嚙齒類動(dòng)物的繁盛加速了具有抗生殖毒性的左旋棉酚及其控制蛋白的出現(xiàn)。

　　綜上，該研究鑒定到棉花體內(nèi)控制棉酚軸手性的關(guān)鍵蛋白，通過基因編輯選擇性去除了對(duì)哺乳動(dòng)物有害的左旋棉酚，不僅可以保持棉花病蟲能力，而且為棉籽蛋白和棉籽油的安全利用開辟了新途徑。該研究對(duì)利用合成生物學(xué)選擇性操縱軸手性異構(gòu)體的形成具有重要的參考價(jià)值。此外，GhDIR5可用于工業(yè)化生產(chǎn)左旋棉酚，為制備抗精子、抗病毒和抗腫瘤藥物前體提供了新的技術(shù)路線。

　　研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、 國家自然科學(xué)基金等的支持。中科院昆明植物研究所、海南省崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室等的科研人員參與研究。

　　基因編輯GhDIR5降低棉籽生殖毒性。(A)棉酚由兩分子半棉酚氧化偶聯(lián)形成。GhDIR5和GhDIR6分別控制左旋和右旋棉酚生成。(B)GhDIR5基因敲除棉花株系的棉籽中左旋棉酚比例顯著降低。