全球20億人處在營養(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，貧血患者超過7億人，其中一半為缺鐵性貧血。
如何破解營養(yǎng)元素缺乏造成的“隱形饑餓”？如何在膳食中補充鐵元素？2023年12月8日凌晨，一項發(fā)表于《科學》雜志的研究成果，首次發(fā)現(xiàn)和解析了一個調(diào)控鐵進入玉米籽粒的關(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)展中國家和地區(qū)的人們，通過主食補充鐵元素，提供了理論和技術(shù)支撐。該研究由中國農(nóng)科院作科所作物分子育種技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新團隊聯(lián)合河南農(nóng)業(yè)大學共同完成。
科研人員在田間進行試驗。中國農(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。中國農(nóng)科院作科所作物分子育種技術(shù)和應(yīng)用創(chuàng)新團隊首席科學家李文學介紹，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，根據(jù)第四次全國營養(yǎng)調(diào)查的數(shù)據(jù)，中國居民貧血患病率為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。事實上，食物是人類攝取各種營養(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養(yǎng)元素的匱乏與否。
早在1993年前后，國際農(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養(yǎng)元素作物新品種的設(shè)想，主要目標是培育那些富鐵、高維生素含量的作物新品種。2004年，國際農(nóng)業(yè)研究磋商組織正式啟動了一項“生物強化挑戰(zhàn)項目”，更多富含微量元素的作物品種培育，成為了解決營養(yǎng)元素匱乏和不平衡造成的“隱形饑餓”的重要項目。
科研人員培育的玉米。中國農(nóng)科院作科所供圖
為什么是玉米？
食物是人類攝取營養(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，是補鐵的有效途徑。同時，對缺鐵人群來說，營養(yǎng)元素補充劑，也可以更好補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？李文學介紹，這是因為，全球還有很多發(fā)展中國家和地區(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。
“在非洲很多國家，人們依然以玉米為主食，同時他們還缺乏足夠的財力，獲得更豐富的食物，通過紅肉、蔬菜等補鐵，對他們來說依然有困難。同樣的道理，鐵元素補充劑成本更高，且有一定的副作用，很難在發(fā)展中國家尤其是一些發(fā)展相對緩慢的國家中普及?！?/p>
和水稻、小麥相比，玉米鐵含量提升的研究仍然缺乏，在過去，科學家們曾嘗試把玉米根系的轉(zhuǎn)運蛋白過量表達，對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？李文學認為，這和過去更多重視產(chǎn)量有關(guān)，在一定程度上，對營養(yǎng)元素含量的重視不夠?！耙粋€悖論是，籽粒中的鐵含量，可能和產(chǎn)量呈現(xiàn)出負相關(guān)的關(guān)系?！?/p>
在技術(shù)層面，一個關(guān)鍵節(jié)點在于，鐵如何進入籽粒，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)控鐵進入玉米籽粒的基因，但是一直不太成功，我們認為候選基因性狀的克隆，還是要依賴于群體結(jié)構(gòu)。”李文學說。
為此，科研團隊搜集了273個玉米自交系材料，測定它們中的鐵含量，“測定中，我們發(fā)現(xiàn)，玉米材料鐵含量的差異很大，最低的4.95mg/kg，最高則達到55mg/kg?！?/p>
在眾多的材料中，如何尋找到影響鐵含量的那個關(guān)鍵基因？“我們選取了鐵含量高和鐵含量低的材料，同時，為了避免籽粒大小對它的影響，我們選取了百粒重無明顯差異的材料進行轉(zhuǎn)錄種組測序，共得到了857個上調(diào)表達的基因。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。”
隨后的實驗中，科研人員通過敲除該基因、過量表達該基因等不同方式，進行實驗和對照，最終確定，在該基因被敲除的材料中，籽粒鐵含量明顯下降，而過表達的材料中，玉米籽粒鐵含量達到70.5mg/kg，這一數(shù)據(jù)甚至高于“生物強化挑戰(zhàn)項目”為玉米設(shè)定的玉米籽粒鐵含量每公斤60mg的目標。
未來的“新品種”
一個關(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)。“這是從0到1的進步，”李文學說。
在黃淮海玉米主產(chǎn)區(qū)、西南玉米主產(chǎn)區(qū)等地，科研團隊也進行了相關(guān)的育種實驗，李文學介紹，“我們在河南省新鄉(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行實驗，發(fā)現(xiàn)其籽粒鐵含量平均高出25.82% - 33.91%。”
“這是一個重大科學前沿工作，同時又有實際用處，不光是解決中國的民生問題，也為解決世界性民生問題提供了基礎(chǔ)?！敝飳W家、美國國家科學院院士鄧興旺說。
華南農(nóng)業(yè)大學教授儲成才表示，在我國，作物對鐵的吸收，受土壤酸堿度的影響很大，而這個新成果，在偏堿性的土地上，鐵含量仍能得到一定提高，將來有望在國內(nèi)鹽堿地等邊際土地上利用。同時，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，對中國、對全球人口營養(yǎng)補充都有非常重要的意義。
“新的成果不僅是一個重大的科學發(fā)現(xiàn)，同時也對產(chǎn)業(yè)有至關(guān)重要的作用，”中國工程院院士萬建民說，“糧食安全最重要的意義，是為人體生長發(fā)育健康提供必要的食物，能夠滿足人體生長發(fā)育的需求，這是我們奮斗的目標。所以這個成果意義特別重大，因為糧食安全不能是單純的吃飽肚子，營養(yǎng)健康的需求是更大的需求，比數(shù)量的需求是更高一個層次?！?/p>
