基因工程在植物类食品中的应用进展

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：目前正在研制的转基因植物旨在改变作物抗虫性、抗病性、抗逆性以及其他农艺性状。（三）抗逆境转基因研究植物对逆境做出的反应往往是很复杂的，属数量遗传性状，在这一过程中可能涉及多种基因的作用。在最初的转基因研究中，那些调控离子转移的基因被采用。酵母HAL1基因在转基因番茄中的表达对提高抗盐能力有同样的作用，它是通过减少钾离子的损失以及减少细胞内的钠离子起作用。

转基因技术可使植物具有抗病虫害的能力，具有深远的经济意义。目前正在研制的转基因植物旨在改变作物抗虫性、抗病性、抗逆性以及其他农艺性状。

（一）抗虫性转基因研究

研究最清楚的杀虫蛋白就是苏云金芽孢杆菌（Bacillus Thurigiensis）的δ-内霉素（Bt.毒蛋白）。其作为生物杀虫剂在农业（也称为有机农业）、林业以及防止蚊虫传播疾病中已经使用多年，杀虫活性具有非常高的专一性，对非目标昆虫、鸟类和哺乳类动物不具有任何毒性。除了已经商业化生产的Bt转基因玉米、马铃薯、棉花和番茄外，抗虫转基因水稻（cry I Ab和cry I Ac）、大豆（cry I Ac）、油菜籽（cry I Ac）和茄子（cryⅢB）也相继被培育出来。而在美国，抗虫的向日葵、莴苣、葡萄柚、甘蔗、苹果、胡桃、葡萄和花生都正处于田间试验当中。

（二）抗病转基因研究

1.病毒抗性

获得抗病毒植物的途径之一是将该病态自身的部分基因片段（病原介导的抗性）导入植物，最常用的方法是在植物中表达病毒的外壳蛋白基因。外壳蛋白转基因技术也被应用于其他植物的抗病毒研究，例如，被应用于水稻、李子树、番茄、豌豆和花生等。此外，通过导入外壳蛋白基因培育的抗病毒转基因小麦、大豆、甘柚、黄瓜、甘薯和葡萄柚已经在美国开始了田间试验。

2.真菌抗性

真菌抗性可以通过激活植物自身的特殊防卫机制而获得，这种防卫机制之一就是所谓的过敏反应（HR），它通过形成坏死斑而将病原限制在某个侵染区域内。过敏反应会诱导许多防卫信号分子的产生，例如水杨酸、乙烯和植保菌素。在水稻中，分别引入几丁质酶基因或类甜蛋白蛋白基因，可以增加对水稻纹枯病的抗性。而在组成型表达几丁质酶和防卫相关蛋白基因的转基因水稻上则观察对水稻稻瘟病抗性的提高。植物致病相关蛋白已经应用于黄瓜、油菜籽、番茄、小麦、葡萄和橘子的抗真菌研究当中。

3.细菌抗性

细菌抗性研究不如病毒和真菌抗性研究进展快，部分原因是细菌病害只在某些作物上成为比较严重的问题，如马铃薯、番茄、水稻以及某些果树。

（三）抗逆境转基因研究

植物对逆境做出的反应往往是很复杂的，属数量遗传性状，在这一过程中可能涉及多种基因的作用。上述基因的表达会导致低分子量化合物的积累。例如，渗透压调节分子的产生、胚发育后期富含蛋白质的合成以及解毒酶的激活等。Bajaj认为，甜菜碱脯氨酸或腐胺都是渗透压调节分子，将合成这些渗透压调节分子的酶的基因导入到水稻中发现，转基因植株对盐和干旱的抵抗能力有所增强。在水稻中以组成型方式表达燕麦精氨酸脱羧酶基因会严重影响植株的发育，而当精氨酸脱羧酶基因在脱落酸诱导型启动子的调控下表达时，转基因水稻在高盐条件下产量有一定程度的提高。

高盐对植物产生的不利影响表现在两个方面：一是由于水缺乏造成渗透压的改变；另一个是多余的钠离子会对重要的生化反应产生影响。为了对付高盐环境，植物应该有能力使用其他离子调节渗透压，通过这些离子的重新分配以便将钠离子排到细胞外。在最初的转基因研究中，那些调控离子转移的基因被采用。例如，转基因番茄在表达一个液泡Na+/H+反向运输蛋白后，即使在200mmol氯化钠存在的情况下，仍可以生长、开花和结果。酵母HAL1基因在转基因番茄中的表达对提高抗盐能力有同样的作用，它是通过减少钾离子的损失以及减少细胞内的钠离子起作用。

（四）增加营养品质转基因研究(www.chuimin.cn)

1.提高水稻和小麦中的铁含量

Goto等人已将大豆铁蛋白基因导入水稻，该基因受水稻种子特异性表达启动子Glu-B1所控制。与野生型对照水稻种子相比，转基因水稻种子中的铁元素含量增加了3倍。同样地，铁元素含量的增加也同样出现在表达菜豆铁蛋白的转基因水稻种子内，而且该基因为另外一个启动子Gt-1'调控。

为了提高铁的吸收，不仅需增加食物中铁元素的含量，还要改善铁元素在人肠道中的吸收率，有两种方法已经被采用。首先，植酸是铁元素吸收的主要抑制因子，其含量可以通过引入烟曲霉的热稳定性植酸酶基因所降低。转基因水稻植酸酶的活性至少增加了2倍，而其中有一个品系稻米中的植酸酶活性增加了130倍。其次，半胱氨酸多肽的存在被认为有利于铁元素吸收，因此，在水稻中表达富含半胱氨酸类金属硫蛋白基因后，转基团水稻种子中的半胱氨酸含量大大增加。基于上述情况，可认为高植酸酶水稻（可造成铁元素含量增加）以及富含半胱氨酸水稻在改善铁元素供应方向有潜在价值，特别对于以稻米为主食的人群是这样。

2.改善马铃薯的氨基酸组成

马铃薯只含有少量的人体必需氨基酸，如赖氨酸、色氨酸、甲硫氨酸和半胱氨酸。为改善马铃薯的营养价值，源自千穗谷的一个非过敏性球蛋白基因被转移到马铃薯内。该种子特异性球蛋白分别在一个马铃薯块茎特异性和一个组成型的启动子的调控下表达，结果发现两种转基因马铃薯块茎在总蛋白含量上均增加了35%～45%，在必需氨基酸方面也有相应增加。此外，马铃薯块茎数目增加了2倍，而马铃薯块茎产量增加了3.0～3.5倍。

3.在甜菜中生产“低热能”糖分

Koops等已经培育出一种新的甜菜品种，该甜菜可产生一种低热能的甜味剂——果聚糖。为达到上述目的，他们将菊芋中的1-蔗糖：蔗糖-果糖基转基酶基因（1-SS）导入甜菜中，而该酶可将蔗糖转化为果聚糖。短链的果聚糖虽然在甜度上与蔗糖相仿，但它却不能提供任何能量，因为人体内缺乏能分解和利用果聚糖所必需的酮类。长链的果聚糖能够形成乳化液，具有像脂肪一样的质地，而且还能促进消化道内有益细菌的生长。转基因甜菜根部所产生的糖的总量并未改变，但由于1-SS的表达，导致储存的蔗糖90%转变为果聚糖。在室温生长条件下，“果聚糖甜菜”发育正常根部干物质的重量与野生型甜菜的相同。转基因甜菜每克鲜重含有110μmol的果聚糖，提取这种化合物具有经济价值。

4.提高小麦谷蛋白含量以改善烘烤品种

小麦面粉的面包烘烤质量取决于小麦中含有的高分子量麦谷蛋白。与小麦不同的是，其他禾谷类作物并不含有麦谷蛋白。麦谷蛋白由6个基因共同编码，其总含量就与这些基因的表达水平成正比。现已证实面团的质量会受编码麦谷蛋白基因的数量以及表达水平的影响，当某些麦谷蛋白基因被导入缺失这些基因的小麦品系中后，面团的品质将会显著地得到改善。上述转基因技术也同样适用于那些烘烤品质比较好的小麦品系，这样做的结果通常可使麦谷蛋白的含量超过总蛋白含量10%的最高值。例如，专门用于制作面包和意大利空心粉的硬粒小麦在导入高分子量的麦谷蛋白亚基基因之后品质有了一定的改善。

5.无子水果和蔬菜

植物没经过受精也同样能够结实，而且这样的果实不含有种子，这种性状是消费者乐意接受的。为了能达到单性结实的目的，通常采用的方法是用合成的牛生长激素处理花芽。基因工程方法也能得到与植物激素类似的作用，只需在胚珠中表达能够提高生长激素含量以及活性的基因即可。Rotino和他的同事们将丁香假单胞菌的iaaM基因置于金鱼草DemfH9启动子控制之下，因为该启动子是一个胚珠表达特异性启动子。用上述载体转化烟草和茄子后，其中转基因茄子即使在阴性对照植株不能结实的恶劣条件下也能坐果，而且果实的体积和重量与转基因植株或对照植株在授粉条件下所产生的果实是相同的。

6.开发和生产新一代食品

经过脱色、除臭和精制处理的烹饪用豆油常需要被还原处理，以延长其储藏时间及提高其在烹调时的稳定性。但这种还原作用却导致豆油中富含反式脂肪酸，而反式脂肪酸摄入人体后，会增加罹患冠心病的可能性。作为精制豆油的色拉油，虽然没有经过还原作用，但其中却富含软脂酸，而软脂酸的摄入也能导致冠心病的发生。因此，选择合适的目的基因和启动子，通过重组DNA技术来改造豆油的组分，转基因豆油现已投放市场。其中，有的豆油不含软脂酸，可用作色拉油；有的富含80%油酸，可用于烹饪；有的含30%以上的硬脂酸，适用于人造黄油以及使糕饼松脆的油。利用基因工程改造的豆油的品质和商品价值大大提高。

基因工程在植物类食品中的应用进展

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