出品：科普中國

監制：中國作物學會 光明網科普事業部

統籌：程維紅 徐 琴

策劃：宋雅娟 趙清建

作者：闫磊 中國農科院作物科學研究所助理研究員

近日，國家衛健委發布了《中國居民營養與慢性病狀況報告（2020年）》，報告顯示居民超重肥胖問題不斷凸顯，慢性病患病、發病仍呈上升趨勢。18歲及以上居民男性和女性的平均體重分别為69.6千克和59千克，與2015年發布結果相比分别增加3.4千克和1.7千克。城鄉各年齡組居民超重肥胖率繼續上升。高血壓、糖尿病、慢性阻塞性疾病患病率和癌症患病率和2015年相比有所上升，已成為影響人們健康和生活質量的社會問題。

由此可見，随着人們生活水平的不斷提高，膳食平衡和飲食健康已成為人們不得不關注的問題。人們對功能型、專用型、營養保健型的優質農産品的多樣化需求日益增加。開發功能性營養專用食品，在日常飲食生活中預防和控制疾病的發生，實現醫食同源是解決上述問題的有效途徑。

人們平時常吃的主食大米、面粉、玉米、雜糧、土豆等糧食的主要成分是澱粉，食物中的澱粉由直鍊澱粉和支鍊澱粉組成，抗性澱粉(resistant starch)是一類不易被人體消化的澱粉，又叫做抗酶解澱粉或難消化澱粉，主要存在于高直鍊、低支鍊澱粉顆粒中，其含量與直鍊澱粉含量呈直線正相關。

圖1 直鍊澱粉和支鍊澱粉結構

抗性澱粉在人體口腔、食道、胃、小腸等消化器官内不能被酶分解，到達大腸後，在腸道微生物作用下被分解為乙酸、丙酸、丁酸等短鍊脂肪酸(SCFAs)和核黃素(VB2)、尼克酸(VB3)等維生素。這些有益成分為人類腸道菌群的代謝提供了健康的環境和必需的營養，對腸道菌群穩态保持、提高人體免疫力具有重要的作用，同時可以降低糖尿病、高血脂和肥胖症等多種慢性疾病風險。抗性澱粉作為一種重要的膳食纖維資源，正逐步成為新一代健康功能食品的代表，越來越受到廣泛的青睐。

因此，培育高抗性澱粉谷物作物已成為國内外育種和功能食品研究的熱點。然而，水稻和小麥作為我國前兩大的口糧作物，由于高抗性澱粉種質資源較為缺乏，利用常規技術難以培育出高抗性澱粉的水稻和小麥品種。

圖2 基因編輯技術示意圖

基因編輯技術是近年來發展起來的一種能夠定向改造生物基因組DNA的工具，其中應用最為廣泛的是CRISPR/Cas9系統，它利用來源于細菌的具有DNA切割活性的Cas9蛋白和用于識别DNA特定目标區域的引導RNA，能夠使基因組DNA在目标位置被切開，随後通過不同的修複機制，完成對DNA中堿基序列的改造，比如插入或删除若幹堿基、替換單個堿基或一段堿基序列。這将直接引起基因編碼的氨基酸發生變化，從而實現基因功能的喪失或改變。基因組編輯技術就像一把帶有GPS導航的基因剪刀，可以在基因的特定位置進行精确的裁剪和修飾。

中國農業科學院作物科學研究所的夏蘭琴研究員團隊，針對常規技術培育高抗性澱粉水稻和小麥新品種面臨的難題，利用基因編輯技術，分别對水稻和小麥中的澱粉分支酶（Starch branching enzyme，SBE）基因進行了定點敲除，創制了高抗性澱粉的水稻和小麥。澱粉分支酶是直接參與支鍊澱粉生物合成的關鍵酶，能夠催化直鍊澱粉轉變為支鍊澱粉，通過敲除澱粉分支酶基因可以使支鍊澱粉合成受阻，有效增加直鍊澱粉和抗性澱粉含量。水稻中澱粉分支酶基因（SBEIIb）功能喪失後，籽粒中直鍊澱粉和抗性澱粉的含量最高分别可增加到25.0%和9.8%。

圖3 基因編輯水稻（左）和小麥（右）的澱粉結構

與水稻不同，小麥是典型的六倍體作物，它的許多基因具有3個拷貝。在小麥中澱粉分支酶基因（SBEIIa）的3個拷貝都同時編輯時，籽粒中抗性澱粉含量的提升是最為明顯的，可以達到11.0%-15.1%，而基因編輯前的小麥抗性澱粉含量僅有1.1%-1.8%。同時，基因編輯小麥的直鍊澱粉、可溶性戊聚糖和蛋白質含量也顯著增加。消化後，還原糖含量顯著降低，說明創制的高抗性澱粉小麥具有潛在的營養保健功能。

可以看到，這些通過基因編輯技術創制的高抗性澱粉水稻和小麥都已将基因編輯工具分離出去，是均不含轉基因成分的水稻和小麥新種質。利用基因編輯技術成功提高了谷類作物的抗性澱粉含量，可以有效改善人體健康，防止或降低一些非傳染行慢病性疾病發生，滿足了不同消費人群的飲食需求。

參考文獻

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來源： 光明網

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