Nutritional enhancement of plants
- 作者
- Greg Tucker
- 单位
- School of Biosciences, Sutton Bonington Campus, University of Nottingham, Loughborough, Leicester, LE12 5RD, UK
- 杂志
- Current Opinion in Biotechnology（2003）
- DOI
- 10.1016/S0958-1669(03)00031-4
- 所属领域
- 代谢工程/植物营养强化
- 关键词
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解决的核心问题
主要农作物中某些必需营养素（如维生素A、铁、锌）缺乏，导致全球超过40%人口存在微量营养素营养不良，需要通过生物技术提高作物营养水平
研究策略
综述常规育种（结合QTL标记辅助选择）与基因工程两种策略，重点讨论了提高抗氧化剂（类胡萝卜素、维生素E、类黄酮）、矿物质（铁、锌）和脂肪酸（多不饱和脂肪酸）的营养强化研究进展
核心内容
微量营养素营养不良影响着全球超过四成人口，铁缺乏影响约三成人口，而主要农作物中维生素A、铁、锌等必需营养素含量不足是重要原因。该综述系统比较了常规育种（结合QTL标记辅助选择）与基因工程两条作物营养强化策略，并梳理了在类胡萝卜素、维生素E、类黄酮、矿物质及多不饱和脂肪酸等方面的研究进展。在关键案例中，转基因番茄表达细菌八氢番茄红素合酶使总类胡萝卜素提高2至4倍，β-胡萝卜素提高2.2倍；水稻表达铁蛋白使铁浓度提高2倍，表达植酸酶使酶活性提高130倍；在芥菜中利用真菌Δ6-脱饱和酶使种子油含约40%的γ-亚麻酸。此外，过表达γ-生育酚甲基转移酶可提升α-生育酚含量，玉米转录因子LC和C1可促使番茄果肉积累高水平山柰酚。这些结果证明常规育种和基因工程均能显著提升作物营养水平，但强化营养素的实际健康效益仍需严格验证其生物利用度。公众对转基因食品的接受度则是这类作物能否真正推广应用的关键制约因素。
创新点
系统总结了利用QTL分析、转基因过表达关键酶或转录因子、多基因协同操作（如铁蛋白与植酸酶联用）等不同方法进行营养强化的案例，并提出需重视营养素的生物利用度及公众接受度
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻 (Oryza sativa) | 铁代谢 | ferritin | 铁蛋白 | 区室化 | 在水稻中表达铁蛋白使铁浓度提高2倍 |
| 水稻 (Oryza sativa) | 植酸代谢 | phytase | 植酸酶 | 催化 | 表达植酸酶使水稻中植酸酶活性提高130倍，促进植酸降解以释放矿物质 |
| 水稻 (Oryza sativa) | 金属稳态 | cysteine-rich metallothionein-like protein | 富含半胱氨酸的金属硫蛋白样蛋白 | 转运 | 该蛋白可结合金属离子，增强铁的生物利用度 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素合成 | phytoene synthase | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 来源于Erwinia uredovora，果实特异性表达使总类胡萝卜素增加2-4倍，番茄红素1.8倍，β-胡萝卜素2.2倍 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 多胺生物合成 | S-adenosyl methionine decarboxylase | S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶 | 催化 | 酵母来源，改造多胺生物合成时意外提高番茄红素水平 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 维生素E合成 | γ-tocopherol methyl transferase | γ-生育酚甲基转移酶 | 催化 | 过表达该酶提高α-生育酚含量 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类黄酮合成 | LC, C1 | 玉米转录因子LC和C1 | 调控 | 异源表达这两个转录因子使番茄果肉中产生高水平的山柰酚 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 脂肪酸合成 | Δ6-desaturase | Δ6-脱饱和酶 | 催化 | 来自琉璃苣，使转基因烟草积累高水平的Δ6-脱饱和脂肪酸（GLA） |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 脂肪酸合成 | Δ6-desaturase | Δ6-脱饱和酶 | 催化 | 来自琉璃苣，使转基因番茄果实中GLA占总脂肪酸10% |
| 芥菜 (Brassica juncea) | 脂肪酸合成 | Δ6-desaturase | Δ6-脱饱和酶 | 催化 | 来自Pythium irregulare，使种子油中GLA含量约40% |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 脂肪酸延长 | YBR159w / keto-reductase | β-酮脂酰还原酶 | 催化 | 微粒体脂肪酸延长酶复合物的酮还原酶组分 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 脂肪酸延长 | elongase (putative) | 脂肪酸延长酶 | 催化 | 来自Isochrysis galbana的cDNA，在酵母中表达能将亚油酸和α-亚麻酸延长至20碳 |
关键发现
- 微量营养素营养不良影响>40%世界人口
- 铁缺乏影响约30%人口。转基因番茄表达细菌八氢番茄红素合酶使总类胡萝卜素提高2-4倍，番茄红素提高1.8倍，β-胡萝卜素提高2.2倍
- 表达酵母S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶意外提高番茄红素。在水稻中表达铁蛋白使铁浓度提高2倍
- 表达植酸酶使酶活性提高130倍。在番茄中表达琉璃苣Δ6-脱饱和酶使GLA占总脂肪酸10%
- 在Brassica juncea中用真菌Δ6-脱饱和酶使种子油含约40% GLA。在拟南芥中过表达γ-生育酚甲基转移酶提高α-生育酚。表达玉米转录因子LC和C1使番茄果肉产生高水平山柰酚。
研究结论
常规育种和基因工程已能显著提高作物中多种关键营养素含量，但这些强化作物对人类健康的实际益处仍需严格评估生物利用度和功效。某些情况下，单独或与营养素增强结合操控生物利用度可能更有益。此外，公众对转基因食品的抵制可能严重阻碍潜在有益作物的推广，需要更多研究来确保公众接受。