科技创新进展：利用合成生物学手段成功创制籽粒油脂含量媲美大豆的水稻种质
近日，我所种子发育团队在Plant Communications在线发表了“Multi-gene Engineering Boosts Oil Content in Rice Grains”的研究论文，该研究利用合成生物学手段将水稻种子油脂含量从2.3%提升至11.7%，为高产的水稻、玉米、马铃薯、木薯等淀粉类粮食作物转换为油料用途提供了新的技术途径和思路。
淀粉或油脂是植物光合产物在种子中的两种主要储存形式。油料作物（大豆、油菜等）通常具有高油脂、高蛋白、低产特性（大豆含油量~15-26%，蛋白含量~40%，单产~2吨/公顷），而粮食作物（水稻、马铃薯等）产量相对较高，但油脂、蛋白含量偏低（水稻含油量~2-3%，蛋白含量~10%，单产~7吨/公顷）。近年来，我国植物油脂供给大量依赖于大豆和油菜籽的进口，已成为农业产业结构中最严重的“卡脖子”问题。除在油料作物中提升单产和油脂含量外，利用粮食作物的高产特性，改造油脂合成通路，提升粮食作物籽粒的油脂含量也是解决我国这一“卡脖子”问题的重要途径。理论上，水稻在产量不变的前提下，油脂含量从~2%提升至~6%即可成为大豆的替代油脂来源。
该研究通过集成“提效”、“引流”和“扩容”三个策略来提升水稻种子的油脂含量。首先利用水稻胚乳特异性启动子驱动拟南芥油脂合成限速基因AtDGAT1在胚乳中表达，以提升种子中油脂合成效率；其次，利用CRISPR-Cas9技术敲除水稻淀粉合成的关键基因AGPL2，部分关闭淀粉合成通路，将碳源引流至油脂合成通路；然后，通过敲除负调控稻米糊粉层厚度的基因MTSSB1，增加油脂储存组织糊粉层厚度，以扩大水稻种子中油脂的库容。最终在我国南方稻区的主栽品种南粳46中创制了高油脂水稻种质AtDGAT1/agpl2/mtssb1，其糙米中油脂相对含量由2.33%提升至11.72%，为目前已报道的淀粉类粮食作物中的最高油脂水平，媲美大豆等油料作物，单粒种子油脂含量也由~0.5 mg提升至~1 mg。但是，由于油脂合成效率仍偏低，高油脂水稻种质的籽粒产量下降了~40%。文章表明，从油料作物中引入高效的油脂合成通路，并适度将碳源底物从淀粉合成引流至油脂合成，将是进一步提升水稻油脂含量和维持合理产量水平的关键。
创制高油脂水稻种质的模式图
该研究得到国家自然科学基金项目、浙江省自然科学基金项目以及中国水稻研究所重点研发项目的资助。 我所博士研究生刘西西和李志永特聘副研究员为该论文的共同第一作者，我所张健研究员为该论文的通讯作者，我所应杰政研究员和浙江大学都浩研究员提供了悉心的实验指导。该研究所用骨架载体由华南农业大学刘耀光院士馈赠。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590346223002821