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Scientific Reports:富含多种补充营养的一株转基因水稻
作者:   来源:植物基因组编辑   发布者:尹海华   日期:2017-08-11   今日/总浏览:22/558

世界上,平均每两个人中就有一人的主食是大米。米饭虽然管饱,但几乎不含人体所需的必要微量营养素。因此,在以大米为主食的地区大量人口营养不良,特别是在亚洲和非洲。

这些人普遍缺铁、锌、维生素A。铁摄入不足会导致贫血,阻碍大脑发育,使孕妇和婴儿的死亡率上升。儿童缺乏维生素A,有失明风险,而且免疫系统薄弱,容易患麻疹,腹泻或疟疾等传染病。

黄金稻米阻击维生素A缺乏症

为了解决这些营养不良问题,在许多年前由Ingo Potrykus领导的一支苏黎世联邦理工学院(ETH)研究团队开发了一种被称为“黄金稻米”的大米。这是第一批转基因水稻品种之一,研究人员让水稻在胚乳中生产维生素A的前体,β胡萝卜素。后来,改进版黄金稻米被几个国家(主要是南洋国家)用于育种计划。

为了解决其他微量营养素的不足, ETH植物生物技术实验室的Wilhelm Gruissem教授和其他国家团队也都在发展水稻改良项目,包括提升大米和小麦铁元素含量等。

但是,现有的所有转基因水稻品种都有一个共同特点:它们只能提供一种特殊微量元素。因为,以现有的技术手段将几种微量营养素结合在一株水稻中仍是美好的梦想。

如今,ETH植物生物技术实验室高级研究员Navreet Bhullar的团队终于实现了这一梦想,他们最近在《Scientific Reports》杂志上报告第一株多营养水稻构建成功。

Bhullar和她的博士生Simrat Pal Singh为水稻同时添加了充足的铁和锌,这种基因工程水稻胚乳中的β胡萝卜素也显著高于普通水稻。“我们的结果证明,将几种必须微量营养素集中于一株水稻的想法是可以实现的,”Bhullar解释道。

这株水稻含有一个由4个基因组成的“基因盒”,因此多种微量营养素控制基因可作为一个整体插入单个基因位点。这种操作能同时改良不同水稻品种的多种营养素含量,避免了使用单一营养补充型水稻与其他水稻进行杂交的繁琐过程。

Bhullar和她的研究生们花了几年时间才证明了这一概念的可操作性。尽管这种新型“黄金水稻”的β胡萝卜素水平比专一的β胡萝卜素改善水稻“黄金水稻2”的低了10倍,但其仍然比普通大米品种中所含的多。

“如果这种多营养水稻品种可替代市场上70%的大米,将明显提高人们膳食中的维生素A水平,况且它还能提供满足人体需要的丰富铁和锌元素,”文章作者强调。

这种水稻仍处于开发试验阶段。目前为止,为了对其进行微量元素分析,它们仅生长在温室环境。“我们计划进一步完善这些水稻品种,”Bhullar说。“下一步计划将开展限制性田间(confined fields)试验,以确定植株的营养性状和农艺性状在不同条件下的稳定程度。”

Bhullar希望新水稻品系的田间试验将在明年进行。她现在还无法确定具体的农田(farmer's fields)试验时机,“预计5年内,这些富含多种微量补充营养素的稻米将可被用于改善营养不良。”

原文摘要:

Single genetic locus improvement of iron, zinc and β-carotene content in rice grains

Abstract:Nearly half of the world’s population obtains its daily calories from rice grains, which lack or have insufficient levels of essential micronutrients. The deficiency of micronutrients vital for normal growth is a global health problem, and iron, zinc and vitamin A deficiencies are the most prevalent ones. We developed rice lines expressing Arabidopsis NICOTIANAMINE SYNTHASE 1 (AtNAS1), beanFERRITIN (PvFERRITIN), bacterial CAROTENE DESATURASE (CRTI) and maize PHYTOENE SYNTHASE (ZmPSY) in a single genetic locus in order to increase iron, zinc and β-carotene content in the rice endosperm. NAS catalyzes the synthesis of nicotianamine (NA), which is a precursor of deoxymugeneic acid (DMA) iron and zinc chelators, and also chelate iron and zinc for long distance transport. FERRITIN provides efficient storage of up to 4500 iron ions. PSY catalyzes the conversion of GGDP to phytoene, and CRTI performs the function of desaturases required for the synthesis of β-carotene from phytoene. All transgenic rice lines have significantly increased β-carotene, iron, and zinc content in the polished rice grains. Our results establish a proof-of-concept for multi-nutrient enrichment of rice grains from a single genetic locus, thus offering a sustainable and effective approach to address different micronutrient deficiencies at once.


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