转基因“虾红大米”在中国研制成功,受第二代黄金大米启发

澎湃新闻记者 蒋笙翰

2019-01-23 07:43 来源:澎湃新闻

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虾青素(又称虾红素)是一种红色的酮类胡萝卜素。天然的虾青素是世界上最强的天然抗氧化剂之一,能够维持机体平衡和减少衰老细胞的堆积。然而,虾青素在大多数高等植物中无法产生,只在一些藻类和酵母产生。因此在平时的膳食中,人们获取抗氧化性较强的虾青素的途径非常少。
华南农业大学通过转基因技术,将虾青素与常见的粮食作物水稻相结合,研制出了富含虾青素的“虾红大米”。该成果于2018年11月发表在期刊《分子植物》上。
《分子植物》(Molecular Plant)创刊于2008年,是一本植物学领域专业杂志,由Molecular Plant上海编辑部与英国牛津大学出版社(OUP)合作出版,也是美国细胞出版社在亚洲的第一本合作期刊。2017年《分子植物》的SCI影响因子为9.326,在全球植物科学领域研究类期刊中排名第二。
转基因技术是指通过基因工程手段,将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中,通过外源基因的稳定遗传和表达,达到品种创新和遗传改良的目的。
该研究的通讯作者、中国科学院院士、华南农业大学教授刘耀光告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者,研究虾红大米和此前研究的胚乳富含花青素的“紫晶米”,主要都是为了实证多基因叠加转化技术和多基因叠加转化载体系统(TransGene Stacking system II, TGS II)的工作效率。紫晶米的研究已于2017年5月发表在《分子植物》上。
植物中重要的性状和复杂的代谢产物的合成,通常需要多个基因共同作用,其基因工程操作常常需要用到多基因叠加转化技术(Multigene stacking)。现有的常规技术手段只能完成少数(通常1-3个)基因的操作。因此,在刘耀光看来,多基因组装与转化技术,是目前基因工程研究的热点与难点。
刘耀光表示,由于虾青素的合成与调控涉及多个基因,常规基因工程技术操作,很难实现对其的合成操作。于是,作为具体的研究实例,研究团队利用TGS II系统,在水稻胚乳中重构了虾青素的代谢途径。
水稻胚乳中β-胡萝卜素,角黄素和虾青素的生物工程合成      图来自:《分子植物》(Zhu等,2018)
研究结果证明,引入最少四种转基因,能够在水稻胚乳中从头生物合成(de novo synthesis)虾青素。
刘耀光介绍,几乎所有的植物和动物自身均不能合成虾青素。三文鱼、虾类等动物体内积累的虾青素,来源于所摄取的含虾青素藻类或加工饲料。加工饲料中添加的虾青素由化学合成,其分子结构属性与天然虾青素的不同,抗氧化活性较低。此外,除了价格因素,许多人群对虾等海鲜有过敏。因此,虾青素米的创制成功,意味着一种新型的营养功能强化食品问世,未来或许可以丰富人们的膳食选择,有利于促进健康。
论文中还提到,改良的第二代黄金大米为团队研究虾青素米提供了部分思路。第二代黄金大米通过引入并表达来自玉米的psy基因和来自欧文氏菌的crtl基因,更有效地产生β-胡萝卜素,因其外表为金黄色,因此被称为黄金大米。
作为类胡萝卜素之一,β-胡萝卜素在许多植物中含量较低,并且很难用化学方法合成,主要是通过生物合成方式完成。生物合成类胡萝卜素生物有几种不同的途径,在真菌和植物细胞胞液/内质网上,是由乙酰辅酶A途径合成的。
针对黄金大米给研究团队的启发,刘耀光向澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者解释,黄金大米产生的是β-胡萝卜素,这是角黄素和虾青素合成途径的前体物。也就是说,包括番茄红素、β-胡萝卜素、角黄素等,均为类胡萝卜素生物合成过程的中间形态,目前研究发现虾青素为类胡萝卜素生物合成的终端形态。
由乙酰辅酶A通过生物途径合成虾青素的示意图
研究团队发现,在黄金米需要导入2个基因的基础上,再多导入1个基因就可以产生角黄素,而再多导入2个基因就可以产生虾青素。
虾青素水稻的研制成功不仅产生了新型的营养功能强化食品,也证明水稻种子胚乳是一种理想的生物反应器,可以用基因工程技术生产有价值的营养物质和药物。刘耀光向澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者表示,根据一些文献报道,虾青素的结构在高温下可能发生一定程度的改变。虾青素含量及抗氧化活性可以通过特定的方法和仪器测定,研究团队目前正在按计划开展对虾青素米在蒸煮前后,虾青素含量和抗氧化活性的检测。与此同时,研究团队还在开发含量更高的第二代虾青素米,也考虑开发其它营养成分的水稻新种质。
与任何技术一样,刘耀光向澎湃新闻记者表示,转基因作为一种技术,本身是中性的。对每一种目标基因的转基因产品的安全性,是按规定经过严格的科学实验分析,确认其安全性后,才能获得政府监管部门核发的安全证书。而目前由于国内尚未开放基因工程改良粮食作物的品种审定环节,也意味着尚未开放这类作物的商业化种植。该研究仅为植物合成生物学和作物生物强化提供科学研究的范例,不涉及其他问题。
责任编辑:徐路易澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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