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    完美的“超级土豆”

    2015-08-03 13:59 | 作者: 周彬彬 | 标签: 超级土豆

    按:2015年1月,我国正式启动马铃薯主粮化战略,推进把马铃薯加工成馒头、面条、米粉等主食,马铃薯将成稻米、小麦、玉米外又一主粮。中国土豆总产量居世界第一(图1),预计到2020年50%以上的马铃薯将作为主粮消费。因而,马铃薯的遗传育种也将深入展开。欧美国家一直将马铃薯作为主粮,并在育种方面一直走在前面。据《麻省理工科技评论》6月5日报道,2015年6月初,欧洲的科学家也正式开启了一项“超级土豆”项目。

    图1:世界各国的土豆总产量。图片来源Bayer CropScience

    基因农业网(周彬彬)编译:农作物的病虫害每年会给农民造成上千亿美元损失,严重威胁着我们的食品安全。为此,英国的研究人员正在努力研发一种能够抵御各种毁灭性型病虫害的“超级”土豆(见图2)。
    图2 超级土豆的特征
    对世界各地的土豆生产者而言,这种超级土豆将价值数十亿美元。它既可以抵抗毁灭性的土豆晚疫病,自我防御寄生虫(马铃薯胞囊线虫),还可以避免在运输和储藏过程中因挤压造成的瘀伤黑斑,还可以减少在烹饪过程中产生的致癌物质!一旦研发成功,它还可以为多种其它作物的育种提供一个范例,从而用来应对因人口的日益增长和不可以预测的气候问题所导致的食品安全问题。

    此超级土豆计划是英国研究人员2015年6月初正式启动的一个新研究项目,而单独具有上述某一种优良性状的土豆品种都已被研发出来。如果这个项目成功了的话,那么这将是世界上第一个具有上述所有优良性状的土豆品种(抗晚疫病,抗寄生虫,抗瘀伤黑斑,减少致癌物质的产生)。

    该项目未来五年的研究工作将由世界顶级植物病害遗传学家,英国塞恩斯伯里实验室(The Sainsbury Laboratory)的科学家Jonathan Jones(英国皇家学会院士)领导。这种土豆将包含由Jones研究小组发现的三个抗晚疫病的基因,两个由英国利兹大学的研究人员发现的抗马铃薯胞囊线虫的基因,以及含有由美国的J.R. Simplot公司研发的一种土豆的DNA,后者最近获准商业化种植,它含有较少的瘀伤黑斑和天冬酰胺(Asparagine),这种化合物在高温烹饪的过程中容易引起致癌物质的积累。

    Jones的研究小组从一个土豆的野生品种中克隆到了一个抗土豆晚疫病的基因,并研发出了抗土豆晚疫病的转基因土豆。不过对于一个想用于商业化种植的土豆而言,单含一抗病基因是不够的,因为一旦出现能够抵抗这个抗病基因的病原菌,那么这个抗病基因将失去作用,就如同某细菌出现了抗药性,抗生素对这种细菌无效一样。Jones说:“这个项目的一个重要目标就是测试:能否通过转入多个抗病基因来防止病原菌抗性产生的危险”。他的研究小组已经从野生土豆品种中发现了三个相关的抗病基因。(注:你可能会疑惑,既然野生土豆品种中都含有抗病基因了,为什么不直接就吃野生土豆品种呢?那是因为野生的土豆中含有大量的对人和动物都有毒的生物碱,中毒后会导致头痛、腹泻、抽搐、昏迷、甚至死亡)。

    土豆是世界上一种非常重要的主粮作物。以人类直接的消耗量而言,它跻身于全球顶级食品之列,其地位仅次于小麦和水稻。但它同样也非常容易受到病害侵扰,尤其是土豆晚疫病。这种毁灭性病害在十九世纪中期造成了著名的爱尔兰大饥荒,那次饥荒最终导致上百万人死亡。土豆晚疫病是由一种真菌引起的病害,因为还没有很好的方式来防治它,直到现在,它对于土豆而言依然是一种“毁灭性的灾难”。 Jones说:英国的农民为了防治土豆晚疫病,每年必须喷洒十五次农药。这种病害每年会对英国造成9000万元美元的损失,对全球造成50亿美元的损失。

    此外,寄生线虫也同样对英国和世界的土豆产业造成了巨大的经济损失,这种损失包括农药的花费以及作物的损失。英国利兹大学的研究人员也为这种“超级土豆”贡献了两种DNA序列,这为超级土豆对抗这种线虫提供了强大的武器。利兹大学的研究小组已经证明:引入的这两种基因只在新土豆的根部表达,这将为土豆抵抗线虫提供两种截然不同的威慑方式。

    除了病虫害以外,土豆在生产和运输过程中因受到挤压出现的黑斑,也造成巨大损失。因为消费者都喜欢买表面没有黑斑的土豆,这会使得公司每年废弃大量可以食用的土豆。这样的土豆并没有毒,只是因为被挤出了淤青就没人买了而已。美国的Simplot公司也将为Jones的项目贡献这方面的专业知识和技术。他们公司研发的这种土豆刚刚获得了美国监管部门的批准可以在市面上出售。其土豆产品不仅可以减少导致瘀伤黑斑的某种糖类物质的量,而且还含有更少的天冬酰胺(Asparagine),从而减少了在高温烹饪过程中天冬酰胺转变成致癌物质丙烯酰胺的量。

    这种改善可以使土豆在运输过程中减少44%的挤压损伤。种植者、餐馆和零售商每年可以减少2000吨土豆的损失。仅美国的消费者因此丢掉的新鲜土豆就会减少28%,将近15000吨。因为减少了这类土豆的浪费,就相当于提高了土地和资源的利用率,就意味着可以少用20%的水,化肥和燃料。而且,这种DNA并非是来自其它物种的外源基因,而是来自土豆本身或是野生土豆品种。

    为了将新的DNA转入土豆之中,Jones和他的同事们将采用一种叫做“转化”的成熟方法,而且自然界的某些细菌(农杆菌)也能通过相同的方式在将DNA转入植物之中。此法为“农杆菌介导的”转化方法,和先前发现的农杆菌生产的“天然转基因红薯”是同一种方法。将这些DNA转入土豆之后,他们将进行广泛的筛选和DNA分析,从而鉴定出含有目标优良性状的新土豆品种,并进行田间测试。Jones说:“我们希望能够尽快在田间得到我们想要的土豆品种,我们的研究人员应该在三年之内就会知道是否能够得到具有商业价值的新土豆品种”。

    Jones说:如果这个项目成功的话,它将证明这种技术的价值。通过运用这种技术可以达到可持续生产目的,并且可以满足食品安全需求。而且这种技术也适用于其他的作物,从而可以帮助这些作物抵抗那些对它们造成危害的毁灭性病虫害,例如:小麦锈病等。

    由于这种土豆可以给消费者,农民和环境都带来好处,爱尔兰的农业研究机构(Teagasc)的高级研究员Ewen Mullins说:“这听起来像是他们正在研发一种“完美土豆”。 Mullins主要的工作是测试新的植物育种技术对环境的影响。他说:Jones团队将面临的最大挑战可能并不在技术方面。由于近几年科学已经取得了相当大的进步,所以现在想研发出一种具有多种新性状的生物已经变得“相对简单”多了。尽管随后会有一个广泛的安全监管程序,但实际上最难的部分是如何得到消费者的认可。Mullins认为:监管程序最好在技术开发的同时就同步进行。

    尽管我国的土豆产量位居世界第一,但亩产非常低,还不到荷兰亩产的1/3(2007年,中国平均产量是0.98吨/亩,而荷兰是2.98吨/亩)。而且我国种植的商业化土豆的品种也少很多。因此不论是土豆的育种工作,还是种植方式,田间管理等各方面都有很大的进步空间。

    译者简介:周彬彬,爱尔兰都柏林大学博士后,专业方向:麦类作物抗病育种

    本文参考:http://www.technologyreview.com/news/537936/the-quest-to-engineer-the-perfect-potato/
    http://www.zhihu.com/question/26555250

    来源:基因农业网

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