香味是谷物最重要的食味品质性状之一，印度的巴斯马蒂（Basmati）香米和泰国茉莉花型香米是两个最为知名的具有“爆米花香味”的香米品种，其市场价格是普通大米的两倍，但依然深受市场欢迎。经研究发现，香米独特的“爆米花”味道是2-乙酰基-1-吡咯啉(2-AP)产生的，人们对该物质敏感度很高，在含量极低的情况下就可以感受到香味存在。大量研究表明这种香味在不同作物中均受甜菜碱脱氢酶-BADH2基因调控：BADH2活性丧失导致植物体内γ-Aminobutyraldehyde (GABald) 大量积累，经非酶促反应形成2-AP，从而产生“爆米花”香味。
谷子是起源中国的重要旱作栽培作物之一，具有长达一万二千年的驯化、种植历史，在民众膳食结构改善和种植业结构调整中发挥着重要作用。然而，目前为止尚未有“爆米花香”型香米种质被发现报道。
近日，JIPB在线发表了中国农业科学院作物科学研究所刁现民研究组题为“De novo creation of popcorn-like fragrant foxtail millet”的Brief Communications 文章（https://doi.org/10.1111/jipb.13556）。该团队通过CRISPR/Cas9技术对谷子BADH2基因进行了编辑，成功创制了谷子首个“爆米花香”型新种质。
研究组利用全球1200份代表性谷子及其野生近缘种种质分析，通过对BADH2基因变异以及香味表型鉴定，均未能鉴定到自然存在的香谷子种质资源。鉴于此，研究团队为了创制具有爆米花香味的小米，首先鉴定了谷子中BADH基因家族，发现谷子和水稻一样存在BADH1和BADH2两个同源基因，之后利用CRISPR/Cas9技术编辑了谷子SiBADH2基因。最终筛选得到缺失153bp的纯合突变体，该突变体BADH2蛋白第20aa-70aa的缺失导致三级结构上表现为缺失一个α螺旋和两个β折叠。相比于野生型，sibadh2编辑突变体的籽粒和叶片均散发出独特的香味，通过GC-MS检测突变体籽粒和叶中2-AP的含量显著增加，分别达到0.05 mg/kg和0.38 mg/kg，同时其他农艺性状未发生显著变化，为谷子品质育种提供了全新的种质。
图 香型谷子创制的策略
刁现民研究员课题组近年来在谷子基因资源、基因功能和育种研究方面取得一系列进展：构建了首个谷子高质量图基因组，鉴定出多个谷子驯化、育种改良位点和基因(He et al., 2023)；挖掘了谷子产量重要基因SGD1, 揭示了其调控禾本科作物籽粒大小的分子机制(Tang et al., 2023)；先后揭示了DPY1基因在谷子株型和干旱胁迫的精细调控中的分子机制(Zhao et al., 2020; Zhao et al., 2023)；鉴定了谷子短日照光周期属性的决定因子SiPHYC(Wang et al., 2022)；利用SiPKS2基因开发了谷子智能全不育系统(Zhang et al., 2023)；同时培育成中谷2、中谷19等多个谷子主推品种。相关研究对谷子种质资源、功能基因组和育种工作具有重要促进作用。
博士研究生张艳艳为本论文第一作者，刁现民研究员为通讯作者。作科所的贺强研究员和吴传银研究员也参与了该项研究工作。研究得到国家自然科学基金(32241042, U21A20216, 31771807)、国家重点研发计划(2021YFF1000103)、国家现代农业产业技术体系(CARS06-13.5-A04)和中国农业科学院农业科技创新计划的资助。
参考文献:
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