棉花是世界范围广泛种植的最重要的经济作物之一，其棉纤维是纺织工业的重要原料，棉籽中含有丰富的蛋白质、油脂及碳水化合物，是棉籽油的生产原料。但棉籽积累大量棉酚，限制了棉籽中丰富的油脂和蛋白质的利用。棉酚是棉花主要的植保素，由两分子半棉酚氧化偶联生成，形成两个轴手性对映异构体（图 1），棉籽对人类和非反刍动物的生殖毒性源于左旋棉酚。虽然研究人员已培育出完全不含棉酚的棉花品种，但无酚棉更容易受到病虫害侵袭。由于右旋棉酚不影响哺乳动物精子的产生，却与左旋棉酚具有相似的抗虫抗菌活性，因而选择性抑制左旋棉酚合成并保留右旋棉酚，可在降低棉籽生殖毒性的同时保留其抗病虫能力。

图1：棉酚对映异构体 (左侧结构式为左旋棉酚，右侧结构式为右旋棉酚)

该研究以已知棉酚合成途径酶基因为“诱饵”，发现两个与已报道酶基因共表达的引导蛋白（DIR）基因，分别命名为GhDIR5和GhDIR6。体外实验表明GhDIR6控制右旋棉酚的合成，而GhDIR5控制着左旋棉酚的生成（图 2A）。通过CRISPR-Cas9介导的基因编辑技术敲除GhDIR5，获得的基因编辑棉籽不含左旋棉酚或仅积累极少量的左旋棉酚（图 2B），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，因而棉花抗虫能力得以保留（图 2 C-D）。

进一步测试棉籽对小鼠精细胞等细胞系的毒性，发现基因编辑的棉籽毒性显著降低（图 2 E-F）。此外，该研究还进行了分子模拟、突变分析和进化分析，揭示了DIR蛋白在对映体选择性中起关键作用的三个氨基酸残基，并推测大约500万~ 1300万年前，负责左旋棉酚的DIR基因在棉属植物演化、扩散过程中选择而来，这与啮齿类动物大爆发的时间吻合，暗示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。

图2：对GhDIR5进行基因编辑降低棉籽生殖毒性同时保留棉花抗虫能力。（A）GhDIR5和 GhDIR6体外活性分析。棉酚由两分子半棉酚氧化偶联形成。1，半棉酚；RvLac, 漆树漆酶。（B）GhDIR5基因编辑棉籽中左旋棉酚比例显著降低；（C-D）GhDIR5基因编辑棉花与野生型棉花抗虫能力相近；（E-F）GhDIR5基因编辑棉籽毒性降低。异常小鼠生精细胞数量和每个生精小管内空泡数量越多，表示小鼠精细胞受毒害程度越高。

陈晓亚课题组博士研究生林嘉玲为本文第一作者，黄金泉副研究员和陈晓亚研究员为共同通讯作者。其余作者包括中国科学院昆明植物研究所方欣副研究员，中科院分子植物科学卓越创新中心李建戌副研究员，海南省崖州湾种子实验室陈志文研究员、陈晓亚研究组研究生吴文凯和王凌健副研究员等，英国Cathie Martin教授也为本工作的完成做出了贡献。

研究工作得到国家重点研发计划、中科院先导专项、 国家自然科学基金等项目资助。

相关论文信息：

https://www.nature.com/articles/s41477-023-01376-2