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富含DHA和EPA的新型轉基因油菜的研究進展
作者:佚名    文章來源:本站     2021年08月23日 12:09

王盼娣, 侯應霞,熊小娟, 吳剛*,劉芳*
(1.中國農業科學院油料作物研究所,農業農村部油料作物生物學與遺傳育種重點實驗室,湖北 武漢,430062;2.湖北省農業科技人才辦公室,湖北 武漢,430070)

基金項目:轉基因生物新品種培育重大專項(SQ2019ZD080018)
  作者簡介:王盼娣(1989-),女,碩士,助理研究員,主要從事基因工程與轉基因安全評價研究,E-mail:wangpandi@caas.cn
  通訊作者:吳剛(1976-),男,研究員,博士生導師,主要從事基因工程與轉基因安全評價研究,E-mail:wugang@caas.cn
                    劉芳(1979-),女,副研究員,碩士生導師,主要從事基因工程與轉基因安全評價研究,E-mail: liufang03@caas.cn.

  [摘 要]  DHA和EPA是主要的ω-3系長鏈多不飽和脂肪酸(LCPUFA),對人類健康和發育有著重要作用。DHA和EPA主要存在于海魚、微藻中,但由于海洋資源的日益減少,人類的需求不斷增大,尋找可持續且穩定的來源成為當務之急。利用基因工程技術獲得富含DHA和EPA的轉基因油菜,具有重要的應用價值和前景。本文簡要介紹了DHA和EPA的重要性、來源和合成途徑,并歸納了近幾年轉基因油料作物合成DHA和EPA的主要研究成果,最后對新型轉基因油菜的安全評價提出建議和展望。
  [關鍵詞]  油料作物;轉基因油菜;長鏈多不飽和脂肪酸;DHA;EPA;安全評價
中圖分類號:S565.4    文獻標識碼:A
  轉基因作物自1996年獲得商業化種植的批準后,全球種植面積已累計達400多億畝,有29個國家種植轉基因作物,還有40多個國家和地區進口轉基因產品,目前種植的主要轉基因作物是大豆、玉米、棉花和油菜[1],而這些又都可以用于油脂加工。玉米油含有較多的多不飽和脂肪酸和維生素E,但是不耐熱,適用于沙拉油或色拉油;棉籽油需要先清除棉酚等有毒物質,精煉后方可供人食用,但是精煉工藝較為復雜;大豆油與菜籽油是市場最常見的兩種植物性食用油,其中菜籽油比大豆油的熱穩定性好,而且菜籽油比大豆油有更高的吸收率,高達99%,因此高品質轉基因菜籽油的研發具有很好的市場前景[2]。油菜是四大油料作物之一,也是我國第一大油料作物,全球種植油菜面積約5億畝,30%以上都是轉基因油菜,轉基因油菜主要用于榨取食用油、動物飼料、生產人造黃油和人造蛋白等,此外,還可用于橡膠、化工、紡織、醫藥等,具有重要的經濟價值。隨著生物技術的快速發展,轉基因油菜的關注點也從提高產量、增強抗性過度為營養品質改良,培育新型的轉基因油菜[3],如高蛋白油菜,低芥酸、低硫苷油菜,富含DHA(Docosahexaenoic Acid,二十二碳六烯酸)和EPA(Eicosapentaenoic Acid,二十碳五烯酸)的轉基因油菜等。
  1  DHA和EPA的重要性及來源
  長鏈多不飽和脂肪酸(long chain polyunsaturated fatty acids,LCPUFA)主要是指含雙鍵至少兩個,且碳鏈長度為18至22個碳原子的直鏈脂肪酸。根據第一個雙鍵位置又分為ω-3系、ω-6系、ω-9等。DHA和EPA是主要的ω-3系多不飽和脂肪酸,具有多種生物學活性,DHA也被稱為“腦黃金”,是大腦、視網膜等神經系統膜磷脂的重要構成成分,對腦神經生長發育、嬰兒視覺發育、調節血脂至關重要,而且也能增強人體的免疫能力、抗過敏能力等;EPA也被稱為“血管清道夫”,能夠降低膽固醇和甘油三脂的含量,促進體內飽和脂肪酸的代謝,預防腦血栓[4]。DHA和EPA是全球公認的人類健康的重要組成部分,DHA不能通過人類自身合成,EPA雖然可以通過亞麻酸(Linolenic Acid,十八碳三烯酸)在人體內轉化獲得,但是反應速率太低,遠不能滿足人類對EPA的需求,主要通過食物直接攝食以滿足人體所需。基于心臟健康,全球DHA、EPA、ω-3組織推薦成人每人每天應攝入500mg[5],高血壓、高血脂等患者,每人每天可攝入1000mg。但是,目前人類對于DHA和EPA的攝入量遠遠不夠,一般食物中,DHA和EPA的含量非常低。
  DHA和EPA主要存在于海魚(鮭魚、金槍魚等)和微藻中,而海魚中的DHA和EPA也不是通過自身合成,是通過食用富含DHA和EPA的微藻后體內轉化積累而成。微藻內油脂含量較高,被認為是最具發展潛力的油脂資源,但是大多數微藻都具有由纖維素和果膠組成的細胞壁,對于萃取DHA和EPA有一定難度,而且微藻因種類、生長環境等不同,也不能采用統一的高效萃取方法[6]。目前水產養殖業已成為人類所需DHA和EPA的主要來源,通過喂食富含DHA和EPA的飼料,確保養殖魚中含有較高的DHA和EPA,而富含DHA和EPA的飼料也主要來源于魚粉、魚油,因此水產養殖業也成為養殖魚所需DHA和EPA的主要來源。而隨著海洋污染日益嚴重,人口不斷增長,需求量越來越大,只依靠水產養殖業提供DHA和EPA不是可持續發展的策略。因此尋找新的DHA和EPA供應源,是近幾年的研究熱點。目前主要有兩種方法:一是應用現代技術“養殖”微藻,如通過微生物基因工程,但是該方案需要提高工業技術,如配備大的生物發酵罐、精煉方法等;二是利用分子生物學技術和成熟的轉化平臺,將生產DHA和EPA的微藻內基因轉入油料作物。
  近幾年也發現和研發了一些新的DHA和EPA來源,主要是一些微藻、轉基因酵母和轉基因油料作物[7]。微藻主要被用作水產飼料,有些新來源-微藻雖然已經是商業產品,但是由于一些美國微藻工廠的關閉,將來只會越來越少。而且有些微藻只富含DHA而沒有EPA。然而如果通過轉基因油料作物獲得DHA和EPA,由于油料作物的種植、收獲、加工、相關設施等相對完善,更容易大規模生產[8]。目前富含DHA和EPA的轉基因油料作物主要被用作水產飼料,其可以直接替代目前使用的油,即魚油與植物油的混合物,通過喂食這些飼料可以提高養殖魚魚油中的DHA和EPA含量再供人類使用;此外,轉基因作物經過提取純化后,制成可供直接服用的DHA和EPA油添加到嬰幼兒奶粉、膳食補充劑、藥品等中。
  2  DHA和EPA的合成途徑
  DHA和EPA都以必需脂肪酸亞油酸和亞麻酸為前體物質,丙二酸單酰輔酶A為供體,在脂肪酸脫氫酶和脂肪酸延長酶的交替催化作用,經過一系列的氧去飽和反應和延伸反應,最終生成DHA和EPA[9],也稱為需氧型途徑。動物體內,由于缺乏油酸脫氫酶,不能生成亞油酸和亞麻酸,這兩種必需脂肪酸只能通過從食物中攝食,進一步合成DHA和EPA,但是合成效率較低。高等植物則完全不能合成DHA和EPA。在低等生物中,EPA可在脂肪酸延長酶和脂肪酸脫氫酶的作用下,直接轉化合成DHA。在海洋微生物體內,還存在一種相對簡單的厭氧型合成途徑,也是以乙酰輔酶A為最初底物,丙二酸單酰輔酶A為供體,經過一系列的縮合、脫水、還原等反應延長碳鏈,最終合成DHA和EPA,但是該途徑需要一種關鍵酶,即聚酮體合成酶(polyketide synthase,PKS) [10]。
 3  轉基因油料作物合成DHA和EPA的研究進展
  在過去十幾年,科學家們[11-13]已證實將微藻內合成DHA和EPA的相關去飽和酶基因和延長酶基因,轉化大腸桿菌、擬南芥、亞麻籽等后成功生成EPA,但是含量較少。2005年,Robert等[14]人將斑馬魚、秀麗線蟲和微藻內的相關去飽和酶基因和延長酶基因轉入擬南芥,成功獲得0.5%的DHA,雖然DHA含量較低,但也成功證明轉基因植物可以合成DHA和EPA。近幾年,科學家通過轉基因技術,致力于提高油料作物中DHA和EPA產量,并取得了很好地研究成果,詳細可見表1。

表1:近幾年轉基因油料作物合成DHA和EPA的研究進展

 

  亞麻薺是世界范圍內種植最廣泛的油料作物之一,然而亞麻薺含有較多的“抗營養因子”,如生物堿、酚類化合物、胰蛋白酶抑制劑、葡萄糖苷等。油菜含有油酸、亞麻酸、亞油酸等多不飽和脂肪酸,可通過基因工程的方式最終生成DHA和EPA,而且油菜種質及遺傳資源發達,種子產量每畝高達0.27噸,種子含油量高達45%,具有廣泛的農藝和地理適應性,因此,油菜可能成為生產DHA和EPA的理想作物。而且已有實驗表明,將魚油添加在調和油中具有較高的熱穩定性及安全性。為了盡快商業化生產富含DHA和EPA的轉基因油菜,還需要對目標基因進一步優化,雖然基因名稱相同,作用相同,但來源不同,合成DHA和EPA的效率也不同,同時,還需要減少營養價值低的中間產物和副產物的產生,如EDA(Eicosadioic Acid,二十碳二烯酸)、ETA(Eicosatetraenoic acid,二十碳四烯酸)等。
  4  富含DHA和EPA轉基因油菜的安全評價
  轉基因生物一直是社會公眾及監管機構關注的重點。支持者認為,隨著人口不斷增多,為滿足所需的營養物質,可對食品進行轉基因實驗。但反對者認為,這種實驗是不道德的,主要是擔心對生態系統構成風險。科學家們大多認為轉基因食品不會對人類消費構成特殊風險,即使存在某些風險,如致敏性,也早已備案并采取措施避免這種風險,因而認為轉基因食品是可以食用的[15]。
  DHA和EPA主要存在于水生環境中,在陸生初級生產者中幾乎沒有。將DHA和EPA引入陸地生態系統,擔心因素主要有兩個:一是引入的高生物活性的營養物質對于陸地生態系統的初級生產者及食草昆蟲消費者是陌生的;二是新型轉基因作物潛在的生態影響和進化后果,如基因漂流。目前對于富含DHA和EPA的轉基因油菜,更應該關注的是引入新的生物活性營養物質后潛在的風險,而不是基因操作。在水生無脊椎動物中,DHA和EPA可以提高生長、繁殖率的總體生存率,對于不能獲得DHA和EPA的陸生動物,需要了解食用DHA和EPA后產生的潛在生理影響。首先,針對完全食用轉基因油菜種子的食草昆蟲,嘗試用Hixson等[16]給菜粉蝶人工喂食DHA和EPA的實驗方案,研究其對生長和發育的影響,此外,還需確定除了種子外,DHA和EPA是否還在其他組織中產生,食用這些組織的害蟲等是否也會受到影響;然后,直接使用轉基因油菜進行試驗;最后,設計方案研究跨營養系統的影響,如給無脊椎動物喂食轉基因油菜轉換為給脊椎動物喂養。此外,監管機構應鼓勵科學家從事相關研究,并謹慎對待富含DHA和EPA的新型轉基因油菜,尤其是進行相關的田間試驗時,最好在相對安全的溫室內進行,除非能確保DHA和EPA不會對陸生生態系統產生實質性的有害影響[17]。
  5  總結與展望
  DHA和EPA 對人類健康有著重要作用,為了滿足對其的大量需求,尋找穩定的、可持續的來源已成為研究重點。實驗證明用ω-3系長鏈多不飽和脂肪酸含量超過25%的轉基因亞麻薺油喂食鮭魚后,魚體內的DHA和EPA含量增加了一倍[18]。并且從轉基因亞麻薺中提取的富含DHA和EPA的油,喂食大西洋鮭魚和鯛魚后,不會對魚的生長、發育產生不利影響[19]。油菜由于產油量高、生產成本相對較低、含有多種多不飽和脂肪酸,轉基因油菜將是未來可持續的、穩定的、陸生生物DHA和EPA的主要來源。
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