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转基因技术:营养不良的解决之道?

摘要

迄今为止,我们在提高主要谷物作物的产量,养活世界上的穷人和减少饥饿方面,已经取得了巨大的进步。但是,尽管一般的营养水平已经通过卡路里摄入量的增加而大幅度提高,但是获得微量营养元素(包括维生素和特定的矿物质)对于发展中国家的许多人来讲还是一个严重的问题。转基因作物已经用来生产更大数量和更高质量的作物,它也会成为一条改善食物营养的大有希望的通途吗?

戈兰·格里高利奥 (Glenn Gregorio) 是菲律宾马尼拉国际水稻研究所的科学家。

引言

自从绿色革命在1960年代开始,在提高主要谷物作物—水稻、小麦和玉米—的产量、养活世界上的穷人和减少饥饿方面,我们已经取得了巨大的进步。

这些进展已经带来了粮食安全的显著改善,这主要体现在满足基本能量需求方面。然而,尽管一般的营养水平已经通过卡路里摄入量的增加而大幅度提高,但是获得微量营养元素(包括维生素和特定的矿物质)对于发展中国家的许多人来讲还是一个严重的问题。

科学界在上个世纪70年代末和80年代初首先唤起了世界上对微量营养元素不足的注意力。这经常被称为隐藏的饥饿。这反映了人们意识到这种形式的营养不良的明显表象—童年和成年夭折、贫血和甲状腺肿大 — 实际上是一种没有太明确定义的影响大量人口的状态。在1980年代,估计有20亿人口患有缺乏铁元素贫血,16亿人患有碘缺乏紊乱,2.5亿年轻孩子患有维生素A缺乏症。

在20世纪90年代,参加世界儿童峰会的各国领导人承诺,保护世界各国的儿童免遭营养不良。10多年后,食品强化(例如,在食盐中加入碘)和补充方案已经取得了一些成就,但是微量营养元素不足的问题继续困扰着世界穷人中很大的一部分。

有几个因素导致了这种倾向。一个是主粮价格的大幅下降意味着他们已经成为穷人的主要食物。他们仍然买不起含有足够维生素和矿物质的非主粮,诸如蔬菜、水果、豆类、动物和鱼类食品。而且,有关营养的公共教育相当不够,特别是对于那些资源贫乏的穷人,这导致了人们缺乏对改善食物安全的要求。结果,许多人仍然营养不良,容易遭受与不良食谱相关的健康危机。

生产能提供充分营养的适当食品类型,这对于世界上许多地区的食品生产者还是一个问题。而且,今天生长的作物中,还没有一种被选择来解决我们所有的营养需求。相反,我们的祖先是从生长在自己周围的若干可食用植物中本能地选择了这些今天的植物。

让资源贫乏的穷人享有更均衡的饮食的一种方法,就是将现有食物进行“营养方面的改良”。通过使用一系列技术可能达到这一目标,包括传统的植物育种和转基因技术。后者让表达出我们需要性状的基因从现有物种中被克隆出来,然后植入目标植物体内。

营养强化作物的进步

转基因技术具有潜能,让最需要食品有更大数量和更好质量的人口获得这两点。通过提高产量和减少对杀虫剂的使用,这项技术已经在满足穷人营养需求方面做出了重要的贡献,这主要是在提高食物可获取程度方面。近年来,科学家们已经探索出具有特定营养分子的转基因作物,包括特定的维生素和脂肪。

一个经典的例子是所谓的金稻(Golden Rice),它开发出来帮助提高维生素A的摄入量。缺乏这种维生素是发展中国家失明的主要因素,每年影响着50万名儿童,同时我们也知道缺乏维生素A会严重伤害孩子们的一般健康状况。转基因处理的水稻能产生维生素原A (β-胡萝卜素),作为一种对付广为流行的营养缺乏的方法,它得到了很多关注。

科学家们通过把两个来自水仙花属植物的基因(八氢番茄红素合酶 [phytoene synthase]和番茄红素环化酶[lycopene beta-cyclase])和一个来自Eriwinia uredovora菌类的基因(八氢番茄红素脱氢酶基因 [phytoene desaturase])植入水稻基因组开发出金稻。这些基因的产物在水稻的胚乳完成了β-胡萝卜素的生物合成通道。科学家们最近开发出一种名为台北309的粳稻(Japonica rice),它能在每克干水稻胚乳中合成1.6毫克的类胡萝卜素。[1]

瑞士科学家Ingo Potrykus于1992年宣布发现了金稻 [2]。很快,生物技术公司AstraZeneca和孟山都公司同意,当人们为“人道主义”目的利用它们的技术进一步开发这种作物时,它们不会向这些人收费。菲律宾的国际水稻研究所在2001年1月接受了这个挑战,成功地使用常规水稻育种技术,把维生素原A性状从改良的日本稻种转移到一种具有籼稻背景的水稻上(indica),籼稻通常更适合在亚洲耕种。国际水稻研究所随后利用能合成β-胡萝卜素的基因转化出几个高产的籼稻品种。

由于在南亚和东南亚国家对水稻的大量消费,添加了维生素原A的水稻能够对人类营养和健康带来很大的影响,特别是对于那些维生素A缺乏的妇女和儿童。他们更容易患贫血症。然而,对于这种营养在水稻的可食用部位的生物获取性(bioavailability)—也就是食用该稻种的人摄入这种添加营养的程度—仍然存在怀疑。

也有人就维生素原在水稻的储存、收获后加工过程的稳定性,以及烹调过程中的热稳定性提出疑问。而且,金稻还吸引了来自诸如稻谷组织 (参见“梦幻中的粮食”一章)等非政府组织的大量批评,该组织认为,这是发达国家逃避直接食品援助和让转基因技术“通过后门”获得接受的策略。

转基因技术也被用来提高芥菜植物的维生素原A含量,这种植物是canola油菜的近亲,在世界上许多地方生长,包括孟加拉和印度。被改造的芥菜籽油有望包含的β-胡萝卜素,足够给予那些维生素A缺乏的国家以相当的影响。 [3]

另外一项公私协作项目—孟山都公司和密执安州立大学以及美国国际开发署和印度的塔塔能源研究所—已经在关注提高canola油菜中类胡萝卜素的水平。这种微量营养主要是在亮色的水果和蔬菜中存在,人们认为它能减轻患上诸如癌症等特定慢性病的威胁。科学家们植入了能表达合成类胡萝卜素必须的酶的基因,让每克canola油菜中的类胡萝卜素聚集度达到了1000 到1500 毫克。[4]

基因改良技术已经被用于开发含有高水平油酸的大豆,油酸是一种单不饱和脂肪酸,被认为能减少新增疾病和胆固醇不良集聚的风险。这种技术让油酸在大豆油中的水平提高了24%到80%,让它匹敌花生油和橄榄油。[5] 有益的以植物为基础的omega-3脂肪酸最近也被引进油菜籽之中。

对营养强化作物的顾虑

通过转基因技术来提高食品的营养质量这样的机会令人激动。然而,一系列担忧尚存,这至少包括新的过敏原可能在转基因过程中被引入目标植物。潜在的过敏原包括在转基因过程中使用的标记(比较典型的是抗生素抗性基因,这种抗药性基因通常会与需要使用的基因一同转入到目标植物中,然后把转基因植物种植到有抗生素的环境中,如果健康成长,则表明转基因操作成功—一译者),以及外源基因带来的过敏原。而且,增加或者改变一种生物通路(biological pathway),也有可能导致那些与引入的营养相抗衡的成分的不平衡。

尽管这些是有效的忧虑,目前还没有什么证据,表明转基因食物比任何通过传统方法栽培的新作物有更大的引入过敏原的风险。而且,科学家们正在研究从终端产品中去除潜在的具有过敏性的标记,或者用其它标记来替换它们。例如,国际水稻研究所正在使用磷酸甘露糖异构酶[phosphomannose isomerase (pmi)]来开发转基因金稻,这种酶是一种参与糖的新陈代谢的可选择标记。另外的研究团体正在生产农作物的“非过敏”转基因品种,那些对相关食物过敏的人反而可以吃它们了。例如,日本科学家让水稻中表达过敏性蛋白质的基因沉默,从而减少了这类蛋白质的含量 [6]。其他研究小组在减少花生[7]和小麦的过敏性[8]。

人类和植物基因组学的进步毫无疑问会继续鉴定出植物化合物,如果把它们转入粮食作物中,对人类健康会有益。然而,为了被消费者接受,还是需要采取谨慎的方法,确保这种作物不会比传统种植的食物产生更大的健康、环境和经济危机。最好通过一种全局的、多学科的方法达到这一目的,这种方法要包括作物科学家、营养学家、土壤科学家、生态学家、经济学家和决策者。这样的协作将有助于识别出那些与转基因技术相联系的新的危险,并精心处理它们。

传统育种与转基因技术孰优孰劣

转基因能够让我们达到利用传统育种手段达不到的对植物的操纵,然而,还是有更多的传统手段在提高植物营养方面发挥着关键作用。重要的是承认,两种手段可以共同使用来提高效果,并用一种手段的潜在功能来改变另一种手段的缺陷。毫无疑问,传统育种不应该被忽略。

例如,在国际水稻研究所,利用传统育种已经成功地生产出使得铁浓度提高80%的水稻,通过在含铁量丰富的不同基因型之间的杂交可以进一步提高含铁量。[9] 另一方面,利用转基因技术把一个铁蛋白基因插入粳稻,它并没有得出更加优异的结果。[10] 而且,最终还需要传统育种手段把铁蛋白基因从粳稻中转入最高产的籼稻品种中。可能最终还要通过转基因手段开发出铁含量最高的基因型(通过把铁蛋白基因加入经过传统育种的高铁品种中),但是这种策略还没有被证明。

位于印度的半干旱热带作物研究所[the International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics (ICRISAT)]一项新近研究也展示出,传统育种可以在开发强化营养型作物方面继续发挥重要作用。今年早些时候,科学家们宣布他们已经发现了一种御谷(pearl millet)的天然种类,含有高量的β-胡萝卜素,他们把这种谷子命名为“金谷”。这个品种是在该研究所的种质库里发现的,科学家们正在培育它,来生产一种高产量的杂交种,能够在世界各地种植。

需要考虑的教训

转基因技术有助于提供最有营养的粮食作物,特别是在发展中国家。不过这一技术的潜在应用要求考虑以下问题:

  • 我们已经有了一些对付营养不良的强化或者补充营养方案,转基因技术应该与正在使用的这些干涉方案成本相等或者比它们的成本更低,营养效率更高,更可以持续发展。在比较这些项目与转基因技术之前,需要对它们的有效性进行细致分析。
  • 非常关键的是,被引入的性状将在改善营养不良的目标人口的营养状况方面具有可测算的改良。一个关键问题是生物获取性(bioavailability)。不同的化合物,诸如一些硫氨酸,可能专门促进所添加营养的摄取,但是在采纳这些方法前,需要进一步的研究。
  • 重要的是应该放到传统育种技术的环境中来考虑利用转基因技术。正如上文所述,仅通过传统育种提高某些主粮作物的营养含量已经取得了成功,这是由于一些特选品种具有内在的高产和高矿物质密度等特性。
  • 重要的是,不会出现与添加性状相联系的严重负面的农艺学后果。
  • 消费者对最终产品的接受至关重要,文化特点可能会影响对新粮食作物品种的喜好程度。例如,消费者将需要同意任何可观察的性状改变,诸如颜色(例如金稻的黄色粮食)、味道、品质和烹饪质量。

尽管这些要点需要认真考虑,重要的是不要过分谨慎。通过转基因技术对发展中国家的穷人进行营养强化具有潜在地显著效应。降低了粮食作物成本和改善了健康这种前景意味着,我们需要更积极地追求在这个领域的研究和进展。

References

[1] Beyer P, Al-Babili S, Ye X, Lucca P, Schaub P, Welsch R, and Potrykus I (2002) Golden rice: introducing the beta-carotene biosynthesis pathway into rice endosperm by genetic engineering to defeat vitamin A deficiency. J. Nutr. 32:506S-510S

[2] Ye X, Al-Babili A, Kloti A, Zhang J, Lucca P, Beyer P, and Potrykus I (2000) Engineering the provitamin A (b-carotene) biosynthetic pathway into (carotenoid-free) rice endosperm. Science 287:303-305

[3] Dhawan V (2001) Biotechnology and the promise for Control of Vitamin A deficiency. Presented at the 20th meeting of the International Vitamin a Consultative Group, Vietnam, 15 Feb 2001

[4] Shewmaker CK, Sheehy JA, Daley M, Colburn S, Ke DY (1999) Seed specific overexpression of phytoene syntase: increase in carotenoids and other metabolic effects. Plant Journal 20:401-412

[5] Facciotti MT, Bertain PB, Yuan L (1999) Improved strearic phenotype in transgenic canola expressing a modified acyl-acyl carrier protein thioesterase. Nature Biotechnology 17:593-597

[6] Tada Y, Nakase M, Adachi T, Nakamura R, Shimada H, Takahashi M, Fujimura T, MatsudaT (1996) Reduction of 14-16 kDa allergenic proteins in transgenic rice plants by antisense gene. FEBS Letters 391:341-345

[7] Bannon GA, Shin D, Maleki S, Kopper R, Burks AW (1999) Teriary structure and biophysical properties of a major peanut allergen, implications for the production of hypoallergenic protein. International Archives of Allergy and Immunology 118:315-316

[8] Buckanan BB, Adamidi C, Lozano RM, Yee BC, Momma M, Kobrehel K, Ermel R, Frick OL (1997) Thioredoxin-linked mitigation of allergic responses to wheat. Proceedings of the National Academies of Science 94:5372-5377

[9] Gregorio, GB (2002) Progress in Breeding for Trace Minerals in Staple Crops. J. Nutr. 132:500S-502S

[10] Lucca P, Hurrell P, and Potrykus I (2002) Fighting iron deficiency anemia with iron-rich rice. Journal of the American College of Nutrition 21:184S-190S