小分子助益未來全球食品安全

類別: 新奇

美國亞利桑那大學的研究人員提出了一種防止每年數以百萬噸真菌感染農作物損失的方法,可能極大提高特別是發展中國家的食品安全水平。該團隊的方法是培育轉基因玉米,產生RNA分子,阻止黃麴黴毒素的產生。黃麴黴素是一種劇毒物質,小劑量即可致使整片莊稼無法食用。

該研究結果顯示,這種轉基因玉米在感染黴菌的情況下,能夠將產生的毒素水平抑制在檢出限之下,但在世界範圍推廣之前還需要更多的田間試驗。


這種轉基因玉米雖然感染了麴黴菌,但並不會產生黃麴黴毒素,因為它的RNA分子防禦鏈阻斷了黴菌的毒素產生機制。

全世界的農作物都容易被各種各樣的麴黴菌感染,而麴黴菌能產生一種叫做黃麴黴毒素的二次代謝產物。這種化合物會導致小兒發育障礙,增加肝癌風險,使人們更容易感染艾滋病和瘧疾等疾病。在美國,所有民用作物都必須經過黃麴黴毒素水平檢驗,一旦接近十億分之二十(等價於80立方米的池子中一滴水)就會被焚燬。但在許多發展中地區,特別是非洲,並沒有這樣的測試。研究主管、亞利桑那大學植物科學學院助理教授、亞利桑那大學BIO5協會會員Monica Schmidt提到,在這些地方甚至可以檢測到十億分之十萬的毒素水平,“黃麴黴毒素是地球上最強大的毒素之一,這種毒素通常不會立刻殺死人,但會令人生病。”

Schmidt和她的團隊曾受到蓋茨基金會的資助,研究名為RNA干擾的自然免疫機制對麴黴菌毒素的對抗作用。這種方法建立在其他研究者在傳染過程的研究發現基礎上,叫做宿主誘導的基因沉默(HIGS),是指在宿主(如植物)細胞中表達病原菌基因雙鏈RNA(double strand RNA,dsRNA),以提高植物抗病性。(在植物中表達的dsRNA及其形成的干擾小RNA(small interfere RNA,siRNA)分子,被侵染植物的病原菌攝入後,通過鹼基互補配對與其對應靶基因mRNA結合,干擾靶基因的轉錄和翻譯,從而抑制病原菌的侵染和擴充套件,使植物表現為抗病。因此,宿主誘導的基因沉默具有靶點特異、抗性穩定的特點。)Schmidt說:“在我看到這種技術的報導之時,我就想,何不做一個特洛伊木馬將毒素阻斷呢?我們於是設計了一種玉米的DNA結構,這種結構能在植物感染黴菌的時候將RNA送進黴菌。”


轉基因玉米與非轉基因的對比

這種改良的玉米攜帶了一種RNA分子的基因藍圖,每個只有20對鹼基的長度,但只存在於玉米的可食用芯,並不是整個植株。Schmidt解釋道:“這種玉米在玉米芯的整個成長過程中不斷產生這種RNA,當玉米芯感染黴菌,RNA就會轉移到黴菌內部。”一旦進入黴菌細胞中,髮夾狀的RNA分子與黴菌的RNA中的相應靶序列配對,而這些序列正是毒素合成過程中必需酶的遺傳密碼,這個過程叫做RNA干擾。這就導致毒素合成過程的中斷,但在其他方面不會影響黴菌,因而黴菌會繼續在玉米上生長,不過此時黴菌已經近乎無害了。


圖為被黴菌感染的玉米棒及感染部位。雖然非轉基因和轉基因的玉米芯證實兩者均被感染,但轉基因玉米並沒有積累毒素。紅點為研究者標註的感染區,據此決定毒素水平。

當前防止食物中黃麴黴毒素的方法中,HIGS方法具有獨到的優勢:它可以阻止黴菌在作物生長過程中產生毒素,而非在作物收割儲存之後再採取措施。後者如利用太陽能風扇從倉庫中抽取空氣或者將作物儲存在巨大的近乎真空環境中以抑制黴菌的產生。美國農業局植物病理學家、亞利桑那大學植物科學學院研究員Peter Cotty提出了另一種方法:用不產生黃麴黴毒素的黴菌菌株噴灑作物,以此阻止其他致病黴菌感染植物。其他研究人員還嘗試培育多種能自行產生抗真菌蛋白質的玉米,但由於已知的抗真菌蛋白質為數較少,這些努力得到的成果有限。由於HIGS方法具有高度的明確性和靶向性,極富發展前景,未來也可能用於其他玉米,Schmidt解釋道。

實驗中,研究團隊用黴菌感染玉米植株,任其生長一月。實驗結果顯示,未處理的控制對照組黃麴黴毒素水平達到十億分之一千到十億分之一萬,而無法檢測到轉基因植物的毒素。Schmidt說:“檢測的下限並不是零,但是已經低到安全食用的程度。”

研究團隊進一步對核心中的整體基因表達進行了研究,以檢查是否存在其他的副作用。該項工作由亞利桑那大學植物科學學院的Rod Wing的實驗室負責,對非轉基因控制核心和轉基因核心之間數以千計的RNA轉錄進行了比較。研究團隊並未發現轉基因和非轉基因核心之間基因表達的任何顯著差異,“這種玉米植株將會跟其他玉米一樣,唯一的區別在於它能夠阻止毒素產生。目前看來應該沒有什麼問題,但很顯然,在大範圍種植之前還要進行更多的測試。”

Schmidt和她的團隊選擇在公開雜誌科學進展上發表自己的成果,因為“我們想要讓任何能夠上網的人都能接觸到我們的成果,特別食品安全形勢嚴峻的非洲。”

本文譯自phys,由譯者CliffBao基於創作共用協議(BY-NC)釋出。

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