科普慕课｜“强化番茄”让维生素D摄入不再难

  数据显示，绿色革命后，作物的产量有了很大增长，目前全球90%以上的能量摄入依赖15种作物，其中60%的能量摄入依赖4种主粮作物。但这也使得人们的膳食种类越来越少，长此以往，将导致人体微量营养元素的缺乏，也就是“隐形饥饿”问题突出。

  上海交通大学副教授李洁团队聚焦于通过基因编辑等生物技术实现作物营养强化的研究，以提供更健康的食品。目前，维生素D缺乏在全球范围内普遍存在，其中的一个主要原因是我们无法从植物性膳食中获得维生素D。李洁团队选择番茄作为研究对象，利用基因编辑技术敲除相关基因，使番茄积累维生素D₃前体。然后，经过紫外线处理，番茄能够合成生物活性最高的维生素D——维生素D₃，且在田间试验中也取得了良好效果。这一研究成果为解决维生素D缺乏问题提供了新的方向，有望通过生物强化的方式，让人们从日常膳食中获取足够的维生素D。

　　【思维要点】

　　一、营养安全现状与问题

　　1.膳食结构与营养缺乏

　　绿色革命后，全球90%以上的能量摄入依赖15种作物，其中60%的能量摄入依赖4种主粮作物，导致膳食种类减少。2021年数据显示，全球42%的人口无法负担健康膳食；预估25%的人口至少有一种微量营养元素缺乏。

　　2.维生素D缺乏问题突出

　　维生素D对人体健康至关重要，不仅有助于骨骼健康和钙平衡，还影响多个重要器官功能。维生素D长期缺乏将导致各种健康隐患，如乳腺癌、老年痴呆症风险增加。然而，人体自身合成维生素D的条件苛刻，且膳食来源有限，主要是动物性食物，缺乏植物性来源，这导致每天从膳食中获得的维生素D不超过推荐摄入量的30%。预估在中低收入国家有20亿人面临维生素D缺乏。

　　二、维生素D生物强化的研究思路

　　1.选择番茄的原因

　　番茄等作物进化出相对独立于油菜素内酯的代谢途径，其中7-脱氢胆固醇是维生素D₃的前体。虽然高等植物中普遍存在油菜素内酯，但对其干扰会影响植物生长发育，而番茄的这条代谢途径为维生素D生物强化提供了可能。

　　2.基因编辑的应用

　　引入基因编辑技术，消除能消耗维生素D₃的关键基因。实验结果显示，敲除该基因后，番茄在苗期、成株和果实阶段均未出现生长缺陷和产量大幅变化，叶片和果实中维生素D₃前体大量积累。

　　三、研究成果与发现

　　1.代谢产物变化

　　敲除相关基因后，番茄叶片和果实中维生素D₃前体积累，且果实从绿熟期开始就能检测到积累。

　　2.代谢产物合成部位

　　通过代谢质谱成像发现，维生素D₃前体等主要代谢产物在番茄的果皮和种子胶质附近积累，为后续产品优化提供了指导。

　　3.维生素D₃合成实验

　　对番茄进行紫外线处理，叶片中维生素D₃含量可达200毫克/微克干重，相当于1.2公斤三文鱼的含量；果实中虽含量低于叶片，但四颗中等大小的番茄也可满足每天维生素D的推荐膳食摄入量。

　　4.田间试验结果

　　试验发现，番茄在田间能合成维生素D₃，果实合成量与生长过程中的晴天天数有关，种植维生素D₃强化番茄可提高经济价值。

　　四、商业化前景与优化方向

　　1.商业化出路

　　番茄干制作和利用UV光处理番茄，都可促进维生素D₃合成，为商业化提供了可能。

　　2.优化目标

　　从底物供应和转化效率两方面进一步提升维生素D₃的合成量，期望达到每天吃一颗番茄就能满足维生素D需求的目标。

　　【专家简介】

　　李洁，上海交通大学农业与生物学院副教授、博士生导师。主要关注植物次级代谢途径研究和营养强化，利用基因编辑、代谢工程等手段结合传统育种，提高作物的营养价值、丰富重要微量营养元素的膳食来源，并首次实现了维生素D在植物中的生物强化。相关工作成果发表在Nature Plants、Nature Food等主流学术期刊。

　　制作：肖春芳、张智豪（实习）