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：王紅霞 鞠好慶 張鵬

中國科學院分子植物科學卓越創新中心

國家重點研發計劃資助項目（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曆年間福建華僑陳振龍将其帶回了中國，在糧食生産遠遠供不應求的古代，這種高産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澱粉，甘薯儲藏根中的大量澱粉可以用作工業生産的原材料。澱粉主要是由直鍊和支鍊澱粉構成，确切地說，高直鍊澱粉相對于支鍊澱粉具有更好的工業性能和工業利用價值。直鍊澱粉，就是我們平常看到的遇碘液變藍的那種，在工業上可用來制作薄膜、塗料、粘合劑等，尤其是制作可降解薄膜，代替聚乙烯等塑料，非常環保。但是呢，目前自然甘薯品系直鍊澱粉含量介于15%-30%之間，不能滿足工業上的應用需求。這就需要我們對甘薯的澱粉品質進行改良。

圖2 澱粉中糖苷鍵示意圖

直鍊澱粉，是由許多D-葡萄糖通過α-1,4-糖苷鍵連接成一條直鍊；支鍊澱粉則是在有一些直鍊葡萄糖通過α-1,6-糖苷鍵連接在其他直鍊上，形成像樹杈一樣的支鍊澱粉。直鍊澱粉的分子間容易結合，易發生凝沉，糊化（糊化就是溶脹但不溶解，這是一種高聚物中間态，比如用100度沸水去煮無論直的還是支的都能完全糊化，但若是60度溫水則隻有支鍊能溶脹）越難，而其切應力強, 成膜性能較佳。若是理化修飾直鍊澱粉，則可使其功能增強。

目前，從基因調控層面對澱粉可以進行有效的品質改良。所謂基因，是指生物細胞内有遺傳能力的物質，它們可以指導細胞合成各種蛋白質，并向生物細胞發出各種“命令”，引導生物發育與生命機能的運作。那麼如何不讓一個基因發揮功能呢？

有三種方法：（1）從源頭抓，把那個基因給弄得不轉錄了；（2）讓基因轉錄出的RNA失效；當DNA轉錄出的RNA被清除時，遺傳信息傳遞不下去，這個基因也相當于沒法發揮功能了，就好比司令部被屏蔽了，下面的軍隊接收不到信号了，這就是RNA幹擾技術的原理;（3）把這基因産生的蛋白質給清除掉。

我們今天着重講一下從源頭抓，就是基因編輯技術。它與我們常聽的轉基因育種技術完全不同，這個操作不轉入 “别人家的”基因，隻是對作物内部存在的基因進行修飾，比如敲除一些“不良基因”。目前應用最為廣泛的基因編輯技術非CRISPR/Cas9莫屬了。CRISPR全稱為clustered regularly interspaced short palindromic repeats，是細菌中成簇存在的具有規律間隔的短回文重複序列，是細菌通過切割雙鍊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相關蛋白，本質是一種DNA内切酶。圖2為大家簡單介紹了一下原理：CRISPR是那段綠色序列，與某個基因組序列匹配上了，Cas蛋白在識别序列的旁邊把DNA分子切斷，而後生物體會啟動DNA雙鍊斷裂修複機制，這個機制一般會導緻斷口處少一部分，就會導緻此處的基因被破壞，那麼也就達到了基因敲除的目的。打個比方，就好比是警察按照指紋，嚴格匹配到嫌疑犯，而後将其抓獲（切斷DNA），這大概就是CRISPR/Cas9的原理。

圖3 CRISPR/Cas9原理簡圖

CRISPR/Cas9介導的基因組編輯是分子育種的革命性技術，已成功對水稻、番茄、馬鈴薯等多種農作物進行了品質改良。然而，這樣的好技術卻沒有對甘薯育種帶來太大改善。

這是因為甘薯基因組龐大，有90條染色體；遺傳背景複雜，是異源六倍體；自交不親和，遺傳轉化困難等特性，使得甘薯基礎研究嚴重滞後，新品種培育和品質改良十分困難。

但是，隻要思想不滑坡，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雜志發表了一篇論文，首次實現了CRISPR/Cas9編輯甘薯澱粉合成基因，改良澱粉的品質。他們成功使用CRISPR/Cas9技術對負責甘薯直鍊澱粉合成的GBSSI基因和負責支鍊合成的SBEII基因進行編輯，從而分别獲得高支鍊和高直鍊的澱粉。這，是對甘薯澱粉品質改良的一大進步！這為食品加工及工業應用提供新型原材料, 也為今後甘薯的育種提供了新的思路和技術。所以，以後我們想要什麼類型的澱粉就有什麼，這就是精準的編輯基因的魅力。這，就是科技的力量。

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