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JAFC前沿观点| 北京科技大学研究团队系统总结了植物分子农业技术在功能食品开发中的应用

作者:龙艳

随着社会经济的发展和人们对健康问题的日益关注,从“吃的饱”到”吃的好”、“吃的健康”已经成为人们追求生活品质的重要目标,功能性食品正是解决“吃好”这个问题的重要来源,目前已逐渐成为食品行业的热门研究领域。如何利用有效手段高效快捷开发功能性食品是营养健康领域的重要问题之一。


2022年2月25日,北京科技大学生物与农业研究中心、北京中智生物农业国际研究院、国家粮食和物资储备局科学研究院等单位研究人员合作,应邀在国际著名期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry杂志上发表了题为Plant Molecular Farming, a Tool for Functional Food Production(《植物分子农业,一种开发功能性食品的有力工具》)的前沿观点文章,拓展了对植物分子农业作用的传统认知,提出了如何利用植物分子农业这一有力工具开发水稻、玉米、小麦、大豆等作物的功能性食品的前沿观点。

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传统的植物分子农业(PMF)是指利用整个植物、组织或细胞作为生物反应器,基于瞬时或稳定的转化方法生产疫苗、抗体和药用蛋白等外源蛋白 (图1)。相对于动物和微生物等反应体系,植物生物反应器具有如下优点:(1)植物中的蛋白质合成途径与动物细胞相比,除了蛋白质的糖基化以外,其他修饰基本一致;(2)利用植物表达外源蛋白质更安全,表达的蛋白不含病原体;(3)植物生物反应器能大规模进行操作;(4)植物生长周期相对较短,生长所需环境要求相对较低。本文首先对利用植物生物反应器生产药用蛋白的现状进行了总结,进一步将植物分子农业的概念进行拓展(图1),提出利用植物分子农业创制功能性作物,最终开发出功能性食品的策略。

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图1. 植物分子农业(PMF)概念的延展


长期以来,研究者利用传统的作物育种手段已经培育出了不同类型的功能性作物,如富含锌元素的水稻、小麦,富含维生素A的玉米等。但传统育种手段受制于育种材料的遗传距离、目标性状的遗传力及遗传连锁累赘等,往往需要相对较长的时间周期。随着生物技术的快速发展,植物分子农业技术已经逐渐成为一种培育功能性作物和开发功能性食品的有力工具。


根据基因来源的不同,可将转化方法分为两种类型:一种是外源基因的从头合成,另一种是对内源基因的定向修饰,即生物强化(图2)。前者是将单个或多个外源基因克隆到表达载体中,然后将载体转入不同的作物(图2A);而后者则是将供体作物的内源基因过表达或基因编辑(图2B)。例如,某些微量营养素,如铁和维生素E可以在水稻中进行生物强化,创造富铁和富含维生素E的功能性水稻。


通过在水稻中同时转入CRT1ZmPSY1基因创制和开发的“黄金稻”,是利用超量表达的方法来培育功能性作物和食品的典型案例,目前该品种已经在五个国家释放种植。在第一代“黄金稻”基础上,通过杂交和回交等方法,已经构建了不同遗传背景的水稻导入系新材料,这些高维生素A含量的水稻品系预期能满足人们对30-50%维生素A的需求。除水稻外,玉米和小麦中维生素A含量也通过类似的策略得到了很大提高,相关的玉米品种Mavrea YieldGard也已经在多个国家释放。大豆作为重要的油料作物,功能性成分的改良主要集中在脂肪酸含量上;截止目前,已经有12个基因编辑大豆品种实现商业化种植。


随着基因编辑技术的不断完发展,其在生物强化上的作用也日益凸显。到目前为止,美国农业部(USDA)已经批准了70多种基因编辑作物,包括非褐变蘑菇和抗病水稻等,其中大多数都不受转基因(GM)监管。第一个商业化、也是唯一上市销售的基因编辑功能性食品是由美国Calyxt公司开发的高油酸大豆,相比较与野生型大豆,大豆油中亚油酸含量从5.1%降低到2.7%,油酸含量从77.5%显著升高到82.2%。对于其他三种作物,也有许多有代表性产品,如基因编辑玉米、水稻和小麦的Waxy基因可以有效地提高三种作物的支链淀粉含量,生产相关优质糯性产品。除已经广泛运用的CRISPR/Cas9技术外,新近发展的如单碱基替换等技术也已经开始在功能性食品的开发中发挥作用。

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图2. 利用植物分子农业技术生产药用蛋白和功能性作物及食品的流程图


本文最后指出,利用植物分子农业技术生产功能性作物并开发出功能性食品已成为热点研究方向。当前在全球范围急需出台适用性更强的监管标准和政策体系,为高效利用植物分子农业这一有力工具进行功能性食品的开发和利用营造良好的政策环境。


本研究主要依托北京科技大学生物与农业研究中心、北京中智生物农业国际研究院、北京科技大学顺德研究生院、国家粮食和物资储备局科学研究院等单位合作完成,龙艳教授、魏珣副教授、吴锁伟教授级高工为该论文的共同第一作者,谭斌研究员和万向元教授为共同通讯作者。相关研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费和北京市科技计划等项目的联合资助。



原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.1c07185


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