小米的營養秘訣，科學家找到了依據

從路邊的狗尾巴草到結出小米的谷子，經過老祖先幾千年的馴化選擇，小米成為生活中最主要的雜糧之一，凝練出至今仍然適用的購物指南——黃燦燦的小米最好吃，這背后的遺傳機制直到最近才被真正挖掘。7月7日，山西農業大學雜糧種質創新與分子育種山西省重點實驗室聯合華中農業大學、北京工商大學、中國農業科學院作物科學研究所等單位通過全基因組重測序、轉錄組、代謝組、抗炎組多組學聯合分析，揭示了谷子馴化選擇中代謝物定向變化的遺傳機制和抗炎效果。該研究已發表在植物學領域頂級期刊Molecular Plant。

C4作物再探索

為什么要研究谷子？山西是小米的故鄉，太行山以西、太岳山以東的地區，歷來是山西小米的主產區，也是優質小米生長的地方。同時，谷子是公認的C4禾谷類的模式植物，山西農業大學等單位多年來與農科院合作利用迷你谷子構建C4禾谷類作物研究的模式植物體系。因此，以谷子為目標開展規模龐大的全基因組重測序具有十分重要的現實及科研意義。

自然界的植物主要有C3和C4兩種類型，以及極少數介于兩者中間的類型。山西農業大學生命科學院王興春教授介紹道，簡單來說，C4植物比C3植物多了一個“加壓泵”，可以加快植物吸收二氧化碳參與光合作用的速度。水稻就是典型的C3植物，國外科學家想把水稻改造為C4植物，以此大幅提高產能，以解決人口增長帶來的糧食安全問題，但至今人類對于C4植物的認識還不夠深入。兩年前，山西農業大學王興春教授開發了禾谷類C4模式植物，以谷子作為參照物就成為研究C4植物的首選。

2017-2019年，在山西太谷的山西農業大學校區里，生命科學學院的本科生、研究生和老師們共同經營了一片谷子試驗田，這里種植了400多個谷子品種，包括栽培品種、農家品種、野生狗尾草品種，每個品種的谷子種植了四排。這些品種大多來自國家種質資源庫，還有部分野生狗尾草品種是由學生們在各自家鄉特意收集。

谷子在籽粒灌漿中期只有兩周時間，這是籽粒內含物從液體向乳液轉化的關鍵時期，但取樣時機對于從未接觸谷子種植的學生們來說并不容易判斷。冒著烈日，李旭凱花了兩個月時間來帶著學生們如何判斷取樣時機，他們在體驗了籽粒手感后，拿鑷子一粒粒小心夾住小米裝在液氮的不銹鋼容器，因為部分品種沒有存活，最終收集了398份谷子品種作為研究材料。

“此次樣本規模不算小，我們委托百邁客生物基因對這些研究對象進行高通量全基因重測序，這是我們該研究的起點”，李旭凱介紹道。

“金色的小米最好吃”

為了探究不同谷子種質資源間代謝物差異，論文第一作者李旭凱副教授委托其他高校，利用超高效液相色譜-串聯質譜對谷子籽粒代謝產物進行了定量分析。以迷你谷子模式植物xiaomi為參考基因組，研究者們開展了籽粒代謝產物圖譜分析，研究結果清晰地體現的遺傳標記之間的進化關系。

研究者們分析灌漿中期籽粒轉錄組，探討了基因表達與代謝產物水平和含量的關系。在數據中檢測到24,800個表達基因，占注釋基因的72.0%，通過加權相關網絡分析，確定了23個高度相關的共表達模塊。將這些模塊進行注釋，以確定其潛在的生物學功能，并確定了幾種代謝模式，例如，研究者給工作中的分子分配了不同的身份，戴上了相應的“帽子”。類黃酮和類胡蘿卜素生物合成在“藍色”和“青色”模塊中高度富集；脂肪酸代謝在“綠色”模塊中富集；二萜類生物合成在“粉色”模塊中富集。

其中，研究者們發現PSY1蛋白在催化類胡蘿卜素生成中起著起步且關鍵的功能，他們利用基因編輯技術獲得了該基因突變體材料，發現突變體材料籽粒中的類胡蘿卜素含量遠低于野生型籽粒；同時與野生型相比，葉黃素和玉米黃質分別降低了25.5%和34.4%。這些結果表明了PSY1基因與谷子顏色變異之間的聯系，同時也說明了mGWAS方法是識別與代謝產物相關性狀相關的關鍵候選基因的有效手段。

剝開狗尾巴的種子，會發現他們的種子是灰黑色，口感也是十分干澀，還有極稀少的白色、綠色谷。經過老祖先的馴化選擇，百姓收獲的谷子籽粒慢慢都變成了金燦燦的顏色，這些都是老祖先“意外之舉”，而上述研究也驗證了這一選擇的“科學性”。

李旭凱介紹道，“PSY1基因和類胡蘿卜素生物合成有很大關聯，豐富的不飽和脂肪酸是米油的來源，研究發現，不飽和脂肪酸和類胡蘿卜素分子通過化學鍵緊密且牢固的聯系在一起，它們的外在表現就是黃色的籽粒。經過幾千年的馴化選擇，流傳下來的受歡迎的品種都是黃色為主，小米中不飽和脂肪酸和類胡蘿卜素含量與小米營養價值相關，我們找到了老百姓的直覺背后的科學依據。”

印證小米能緩解腸胃炎癥

2018年，李旭凱在武漢聽了一個場關于谷子代謝物抗炎效果的學術報告，當時已有研究表明食用小米可以減輕甚至治愈慢性消化系統疾病。但小米代謝產物含量和特征變化背后的關鍵遺傳基礎，以及代謝物與消炎養胃作用之間的關聯尚不清楚。李旭凱和團隊其他研究者們產生了深入此項研究的想法。

細胞因子因其抗炎功能而聞名。為了研究不同谷子粉末提取物的抗炎作用，研究者們開展了大規模的離體抗炎實驗，發現了83種潛在功效物質。這83種潛在功效物質中只有極少數是已知物質。

此外還發現了具有抗炎特性的代謝物，如類黃酮、酰胺和有機酸。代謝抗炎因子網絡顯示，除了wh1094（柚皮素查爾酮、黃烷酮）和wh1526”（5-O-p-香豆酰奎寧酸、氨基酸）兩種小分子化合物之外，大多數代謝產物并沒有鑒定出其物質結構和類型，小米抗炎物質精準鑒定提供了豐富的侯選庫。已有研究表明這兩種代謝物具有顯著的抗炎活性。

李旭凱表示，很多功能物質都來自不同生物的次級代謝物，我們研究了上百種次級代謝物，其中包括非常多未知的化合物這些是后期小米營養保健品、新型藥用合成物活新型功效的篩選和挖掘的基礎。后續有關小米營養成分的科學機理是我們的研究方向，真正找到它的營養秘訣。