「菰米似故鄉」 新研究揭開中國菰和水稻基因組的秘密

原標題:「菰米似故鄉」 新研究揭開中國菰和水稻基因組的秘密

2020年4月,新冠疫情剛剛暴發不久,一位在義大利米蘭留學的中國留學生,收到了來自中國大使館的健康包,健康包上有一張白紙,寫著一句小詩「細理遊子緒,菰米似故鄉」,撥動了每一位中華兒女的心弦。

這種「似故鄉」的菰米,究竟是什麼?大多數人對這個名詞並不熟悉,但一定熟悉它的另外一個名字,茭白。作為水生蔬菜的茭白,其實就是菰受到茭白黑粉菌侵染後形成的膨大莖。

在漫長的歷史中,菰曾經作為糧食,也曾作為蔬菜。它是如何演變的?近日,一項來自中國農業科學院煙草研究所(暨青島特種作物研究中心)的研究,揭開了這一秘密。

群體狀態的菰。受訪者供圖

從主食到蔬菜,中國菰的命運演變

菰屬於禾本科稻族菰屬,是與水稻屬親緣關係中,除假稻屬外,和水稻最近的一個重要作物。

煙草所副研究員閆寧告訴記者,菰屬植物有4個種,有北美的水生菰、沼生菰和得克薩斯菰,而原產於中國的菰,被稱為中國菰。中國菰在中國各地,尤其是長江和淮河流域的湖泊、河流、溝渠、池塘中都有分佈,在歷史上,也曾流傳到日本、韓國、印度和東南亞中南半島等。

菰米是菰的穎果,也就是菰的種子。中國人食用菰米的歷史,可以追溯到3000年前的周代。《周禮》中載,「凡王之饋,食用六榖」,鄭玄注「六榖:稌、黍、稷、梁、麥、菰。菰,雕胡也。」

生長在田裡的菰。受訪者供圖

作為古代「六穀」之一的菰,出現在許多傳說和詩文中,閆寧告訴記者,傳說韓信落魄時,曾受漂母一飯之恩,漂母給韓信的,就是菰米的飯糰。李白曾夜宿山下,受田家贈飯,李白曾寫詩為記,詩中說「跪進雕胡飯,月光明素盤。」雕胡飯,即菰米飯。此外,戰國時宋玉、唐代王維、宋代陸遊等,都有關於菰米飯的詩歌流傳。

唐宋以後,菰米漸漸從中國人的飯桌上隱退,相應的,菰的膨大莖茭白,越來越多被人們當做蔬菜食用。

全球營養穀物,國外已有成熟產業

菰米是一種有色的全穀物,它的種皮和內部的胚乳、胚等是一體的,不能像水稻那樣去除種皮後做成精米。也正因如此,它具有極高的營養價值,在古代,也常被認為是美食。同時也被作為藥材使用,《本草綱目》中記載,菰米曾被作為治療消渴症(糖尿病)和胃腸疾病的藥物。

據中國農業科學院煙草研究所張忠鋒所長介紹,菰米是一種高蛋白、低脂的健康食品。菰米的食物血糖生成指數較低、蛋白質功效比值高、氨基酸組成合理,且富含膳食纖維、維生素和礦物質。除營養物質,菰米還含有豐富的生物活性物質,包括植物甾醇、γ-谷維素、γ-氨基丁酸和酚類化合物等。其中,酚類化合物主要包括酚酸和類黃酮,與抗氧化活性密切相關。

近年來,煙草所進行了中國菰米抗氧化酚類化合物的富集純化、結構鑒定及其綠色提取技術研究,發現中國菰米具有抗氧化和降糖降脂活性;闡明了中國菰米和北美菰米生物活性物質組成類型與含量以及中國菰米酚類化合物含量及其活性優於稻米的機制;通過飼餵試驗發現,中國菰米具有調節高脂膳食小鼠腸道菌群以及改善其脂肪肝變性、炎症反應和胰島素抵抗等方面的保健作用。

事實上,在北美,菰的另一個原生地,菰米已經有了較為成熟的產業鏈條,有北美菰米被作為健康食品銷售,當前價格換算人民幣,每斤在70-80元左右,價格很高,利潤很豐富。

相較北美菰米,中國菰米的品質更高,其口感、抗氧化能力等更優。因此,開發中國菰的產業,不論是對豐富市場產品、推廣健康飲食,還是對提高種植者收入,都有廣闊的前景。

不過,菰米的產業化,存在必須克服的困難。事實上,菰米在歷史上退出主要糧食的舞台,也是因為它本身的特點所致。儘管有數千年的食用歷史,但菰一直是一種野生植物。首先,它的產量很低,野生狀態下,畝產只有10多斤,在南方農業大開發人口膨脹的唐宋時代,逐漸被產量更高的水稻替代,也是必然的趨勢。其次,它有很強的落粒性,成熟的籽粒很容易脫落,這對植物本身是有好處的,防止鳥把種子吃光。但對人類來說,落粒性強就不利於菰米的收穫。

科學技術發展,揭開菰米的秘密

作為特種作物的研究者,閆寧和他所在的團隊,在多年研究中,發現菰米的價值,同時也在不斷尋找克服菰米落粒性的方法。

2022年1月11日,中國農業科學院煙草研究所煙草功能成分與綜合利用創新團隊與中國水稻研究所、深圳農業基因組研究所等單位聯合,完成了首個中國菰染色體水平基因組組裝,並通過共線性分析和轉錄組測序鑒定到中國菰落粒性相關基因。相關研究成果發表在《自然》旗下期刊《通信生物學(Communications Biology)》上。

通過基因組分析發現,中國菰與假稻和稻屬植物親緣關係更近,大約在1900萬年前到3100萬年前分化。

菰的種子。受訪者供圖

研究還發現,中國菰和水稻基因組之間存在顯著的共線性,而通過與水稻落粒性基因共線性分析,鑒定出中國菰落粒性相關基因,並分析了這些基因在離層形成和降解過程中的表達特性。

這意味著,中國菰落粒性強的原因被找到了,這為以後中國菰的馴化和改良,提供了基礎支持。隨後,將綜合運用化學誘變和基因編輯等技術手段集中攻關,創製出不落粒或落粒性削弱的菰米。

隨著人口的增加和可耕土地的相對減少,糧食的產量已經受到世界各國的關注。菰主要生長在湖泊和濕地中,具有不與糧爭地的先天優勢。近年來,煙草所系統開展了中國菰落粒性改良、菰米功能成分研究和功能產品開發工作。張忠鋒所長介紹說,菰米系列研究工作對保障糧食安全和建設健康中國具有積極意義。

編輯 張樹婧 校對 郭利

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