全球20億人處在營(yíng)養(yǎng)元素缺乏的“隱形饑餓”之中,超過25億人受到缺鐵性貧血的困擾。在中國(guó),貧血患者超過7億人,其中一半為缺鐵性貧血。
如何破解營(yíng)養(yǎng)元素缺乏造成的“隱形饑餓”?如何在膳食中補(bǔ)充鐵元素?2023年12月8日凌晨,一項(xiàng)發(fā)表于《科學(xué)》雜志的研究成果,首次發(fā)現(xiàn)和解析了一個(gè)調(diào)控鐵進(jìn)入玉米籽粒的關(guān)鍵基因,這意味著,未來可以育成富含鐵元素的玉米,這給更多發(fā)展中國(guó)家和地區(qū)的人們,通過主食補(bǔ)充鐵元素,提供了理論和技術(shù)支撐。該研究由中國(guó)農(nóng)科院作科所作物分子育種技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)聯(lián)合河南農(nóng)業(yè)大學(xué)共同完成。
科研人員在田間進(jìn)行試驗(yàn)。中國(guó)農(nóng)科院作科所供圖
為什么是鐵?
鐵是人體中含量最高的微量元素,也是必須的微量元素。在人體中,鐵承擔(dān)著合成血紅蛋白、肌紅蛋白等功能,它也是人體中多種酶的組成部分,還是心、肝、腎等器官正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵元素。
鐵如此重要,但在人類生活中,缺鐵確是最普遍的問題之一。中國(guó)農(nóng)科院作科所作物分子育種技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家李文學(xué)介紹,全球大約有三分之一人口受到缺鐵引起的貧血病困擾,在中國(guó),根據(jù)第四次全國(guó)營(yíng)養(yǎng)調(diào)查的數(shù)據(jù),中國(guó)居民貧血患病率為20.1%,其中一半為缺鐵性貧血。
缺鐵還可以導(dǎo)致人體疲乏、無力、注意力不集中、失眠、食欲不振、皮膚及毛發(fā)干燥無光澤、免疫力下降、易患感染性疾病等,還有研究顯示,老年性聽力障礙,也和缺鐵有關(guān)。對(duì)兒童來說,缺鐵則可能造成身體和心智發(fā)育受阻。
缺鐵主要由出血、鐵吸收功能障礙、食物中攝入的鐵元素不足等原因造成。事實(shí)上,食物是人類攝取各種營(yíng)養(yǎng)元素的主要來源,食物中攝取的多少,往往決定著人體中營(yíng)養(yǎng)元素的匱乏與否。
早在1993年前后,國(guó)際農(nóng)業(yè)研究磋商組織下屬的研究中心首先提出培育富含微量營(yíng)養(yǎng)元素作物新品種的設(shè)想,主要目標(biāo)是培育那些富鐵、高維生素含量的作物新品種。2004年,國(guó)際農(nóng)業(yè)研究磋商組織正式啟動(dòng)了一項(xiàng)“生物強(qiáng)化挑戰(zhàn)項(xiàng)目”,更多富含微量元素的作物品種培育,成為了解決營(yíng)養(yǎng)元素匱乏和不平衡造成的“隱形饑餓”的重要項(xiàng)目。
科研人員培育的玉米。中國(guó)農(nóng)科院作科所供圖
為什么是玉米?
食物是人類攝取營(yíng)養(yǎng)元素最主要的途徑,以鐵元素為例,人們熟知的菠菜、紅肉中,都富含鐵元素,食用這些食物,是補(bǔ)鐵的有效途徑。同時(shí),對(duì)缺鐵人群來說,營(yíng)養(yǎng)元素補(bǔ)充劑,也可以更好補(bǔ)充人體缺乏的鐵元素。
那么,為什么要在糧食作物中增加鐵含量呢?李文學(xué)介紹,這是因?yàn)?,全球還有很多發(fā)展中國(guó)家和地區(qū),很難獲得足夠豐富的含鐵食物,主要依靠的還是主食。
在全球范圍內(nèi),玉米同樣是最大的糧食作物之一。糧農(nóng)組織的數(shù)據(jù)顯示,全球玉米種植面積超過2億公頃,也就是超過30億畝,產(chǎn)量超過11億噸,是玉米、水稻、小麥三大糧食作物中,總產(chǎn)量最高的。
“在非洲很多國(guó)家,人們依然以玉米為主食,同時(shí)他們還缺乏足夠的財(cái)力,獲得更豐富的食物,通過紅肉、蔬菜等補(bǔ)鐵,對(duì)他們來說依然有困難。同樣的道理,鐵元素補(bǔ)充劑成本更高,且有一定的副作用,很難在發(fā)展中國(guó)家尤其是一些發(fā)展相對(duì)緩慢的國(guó)家中普及。”
和水稻、小麥相比,玉米鐵含量提升的研究仍然缺乏,在過去,科學(xué)家們?cè)鴩L試把玉米根系的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白過量表達(dá),對(duì)提高玉米鐵含量有一定的幫助,但提升幅度不大。
玉米的鐵“開關(guān)”
為何玉米中的鐵含量難以大幅度提升?李文學(xué)認(rèn)為,這和過去更多重視產(chǎn)量有關(guān),在一定程度上,對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素含量的重視不夠?!耙粋€(gè)悖論是,籽粒中的鐵含量,可能和產(chǎn)量呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的關(guān)系。”
在技術(shù)層面,一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在于,鐵如何進(jìn)入籽粒,這一路徑在過去的研究中尚未明晰?!爸耙灿泻芏嗳巳タ寺『驼{(diào)控鐵進(jìn)入玉米籽粒的基因,但是一直不太成功,我們認(rèn)為候選基因性狀的克隆,還是要依賴于群體結(jié)構(gòu)。”李文學(xué)說。
為此,科研團(tuán)隊(duì)搜集了273個(gè)玉米自交系材料,測(cè)定它們中的鐵含量,“測(cè)定中,我們發(fā)現(xiàn),玉米材料鐵含量的差異很大,最低的4.95mg/kg,最高則達(dá)到55mg/kg?!?/p>
在眾多的材料中,如何尋找到影響鐵含量的那個(gè)關(guān)鍵基因?“我們選取了鐵含量高和鐵含量低的材料,同時(shí),為了避免籽粒大小對(duì)它的影響,我們選取了百粒重?zé)o明顯差異的材料進(jìn)行轉(zhuǎn)錄種組測(cè)序,共得到了857個(gè)上調(diào)表達(dá)的基因。結(jié)合全基因組關(guān)聯(lián)分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)該基因可能正是調(diào)控玉米籽粒的鐵含量?!?/p>
隨后的實(shí)驗(yàn)中,科研人員通過敲除該基因、過量表達(dá)該基因等不同方式,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和對(duì)照,最終確定,在該基因被敲除的材料中,籽粒鐵含量明顯下降,而過表達(dá)的材料中,玉米籽粒鐵含量達(dá)到70.5mg/kg,這一數(shù)據(jù)甚至高于“生物強(qiáng)化挑戰(zhàn)項(xiàng)目”為玉米設(shè)定的玉米籽粒鐵含量每公斤60mg的目標(biāo)。
未來的“新品種”
一個(gè)關(guān)鍵基因的發(fā)現(xiàn),意味著未來可能有更多富鐵玉米的出現(xiàn)?!斑@是從0到1的進(jìn)步,”李文學(xué)說。
在黃淮海玉米主產(chǎn)區(qū)、西南玉米主產(chǎn)區(qū)等地,科研團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了相關(guān)的育種實(shí)驗(yàn),李文學(xué)介紹,“我們?cè)诤幽鲜⌒锣l(xiāng)市原陽縣、廣西壯族自治區(qū)南寧市分別將選育的材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其籽粒鐵含量平均高出25.82% - 33.91%?!?/p>
“這是一個(gè)重大科學(xué)前沿工作,同時(shí)又有實(shí)際用處,不光是解決中國(guó)的民生問題,也為解決世界性民生問題提供了基礎(chǔ)。”著名生物學(xué)家、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士鄧興旺說。
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授儲(chǔ)成才表示,在我國(guó),作物對(duì)鐵的吸收,受土壤酸堿度的影響很大,而這個(gè)新成果,在偏堿性的土地上,鐵含量仍能得到一定提高,將來有望在國(guó)內(nèi)鹽堿地等邊際土地上利用。同時(shí),也可以在非洲比較貧瘠的土壤上,增加玉米甚至是其他禾本科植物里面鐵含量,對(duì)中國(guó)、對(duì)全球人口營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充都有非常重要的意義。
“新的成果不僅是一個(gè)重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn),同時(shí)也對(duì)產(chǎn)業(yè)有至關(guān)重要的作用,”中國(guó)工程院院士萬建民說,“糧食安全最重要的意義,是為人體生長(zhǎng)發(fā)育健康提供必要的食物,能夠滿足人體生長(zhǎng)發(fā)育的需求,這是我們奮斗的目標(biāo)。所以這個(gè)成果意義特別重大,因?yàn)榧Z食安全不能是單純的吃飽肚子,營(yíng)養(yǎng)健康的需求是更大的需求,比數(shù)量的需求是更高一個(gè)層次。”