分子植物卓越中心揭示棉酚对映异构体生成机制并创制棉籽低毒新材料
3月17日，Nature Plants在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心陈晓亚研究组撰写的题为Dirigent gene editing of gossypol enantiomers for toxicity-depleted cotton seeds的研究论文。该研究鉴定并表征了棉花中控制左旋和右旋棉酚生物合成的关键蛋白，通过基因编辑技术清除左旋棉酚，获得了低毒或无毒棉籽且对棉花抗虫能力无显著影响。该工作首次实现了通过基因编辑特异选择化合物对映异构体，为复杂天然产物的不对称合成开辟了新途径，对作物遗传改良和分子设计育种具有重要意义。
棉酚是棉花中重要的萜类植保素，广泛存在于锦葵科棉属植物中。它由两分子半棉酚氧化偶联生成，具有轴手性，形成的两个对映异构体生物活性迥异（图A）。其中，左旋棉酚对人类和非反刍动物具有生殖毒性，限制了棉籽中丰富的油脂和蛋白质的利用。虽然已培育出完全不含棉酚的棉花品种，但这些品种更易受到病虫害侵袭。相比之下，右旋棉酚不影响哺乳动物精子的产生，但与左旋棉酚具有相似的抗虫抗菌活性。因此，选择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时保留其抗病虫能力。
该团队通过生物信息学分析，发现两个引导蛋白（DIR）基因GhDIR5和GhDIR6与已知棉酚合成途径基因共表达。与酶蛋白不同，GhDIR5和GhDIR6分泌到棉花腺体中，位于细胞外。GhDIR5和众多DIR基因串联排列在同一串DIR基因簇中（A04），而GhDIR6孤立于另一条染色体上（D05），且在空间上分离。酶活实验显示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（图A）。研究显示，通过CRISPR-Cas9介导的基因编辑技术敲除GhDIR5，可阻止棉籽中左旋棉酚的形成（图B），而右旋棉酚和其他结构类似的萜类化合物水平没有显著变化，因而棉花抗虫性得以保留。与野生型棉籽相比，左旋棉酚含量降低的基因编辑棉籽对小鼠精细胞等细胞系的毒性显著降低。此外，分子模拟和突变分析揭示了左旋和右旋棉酚控制蛋白的三个关键氨基酸残基，在对映体选择性中起到关键作用，同时，结合进化分析，推测负责左旋棉酚的DIR基因是从500万~ 1300万年前在棉属植物演化、扩散过程中选择而来，这正是啮齿类动物大爆发的时间，推测啮齿类动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现。
综上，该研究鉴定到棉花体内控制棉酚轴手性的关键蛋白，通过基因编辑选择性去除了对哺乳动物有害的左旋棉酚，不仅可以保持棉花病虫能力，而且为棉籽蛋白和棉籽油的安全利用开辟了新途径。该研究对利用合成生物学选择性操纵轴手性异构体的形成具有重要的参考价值。此外，GhDIR5可用于工业化生产左旋棉酚，为制备抗精子、抗病毒和抗肿瘤药物前体提供了新的技术路线。
研究工作得到国家重点研发计划、中科院战略性先导科技专项、 国家自然科学基金等的支持。中科院昆明植物研究所、海南省崖州湾种子实验室等的科研人员参与研究。
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基因编辑GhDIR5降低棉籽生殖毒性。（A）棉酚由两分子半棉酚氧化偶联形成。GhDIR5和GhDIR6分别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显著降低。
