【讨论】超级食物---在何方？

不仅如此，另一个更加令人不安的推测是，这场饥饿危机将波及更广——据2004年联合国报告，全球至少有一半人口患有微量营养元素缺乏症。遭此“隐形饥饿”的人摄入卡路里是充足的，但却缺乏适量的基本营养，如维生素和矿物质。营养不良人群大多分布于发展中国家，他们处境十分严峻。因为即使是轻度微量营养元素缺乏也会导致婴儿死亡率上升，造成儿童的认知功能损伤和免疫系统疾病，以及其他严重的健康问题。

在全球饥饿和微量营养元素缺乏症问题上，生物技术掌握着潜在的解决方案：即营养强化，作物基因改造。2000年1月，随着Science上一篇简短而影响深远的关于创造“黄金水稻”原型的重量级论文发表，基因改良植物在技术层面上被赋予了可能性，并走到舞台中央成为科学家注目的焦点。这种植物含有大量β-胡萝卜素（又称维生素原A），即维生素A的前体，这是健康饮食的重要组分。如今基因改良（GM）作物早已平凡无奇，不过现有的遗传改造绝大多数是赋予植物一些优良抗性，如大豆、棉花等的抗除草剂和抗虫性等特点。为了制造出“黄金水稻”，欧洲的科学家们在洛克菲勒基金会的资助下开始了研究。他们将特定的基因片段插入细菌质粒，通过细菌的转染作用使其进入原本不产生维生素原A的野生型水稻中，激活潜在的维生素原A分子生物合成途径。这一基因改造使得通常营养贫乏的胚乳或精米变得富含β-胡萝卜素。

该研究成果受到《时代》杂志大力追捧，并作为封面文章，标题确凿：每年能够拯救百万儿童的水稻——预防夜盲症和维生素A缺乏导致的其他失调症。尽管这使得人们开始谈论和思考遗传工程在缓和全球饥饿阵痛上的潜力，黄金水稻依然挑起了至今都无休无止的争议性辩论。“（黄金水稻）同时吸引着拥护者与反对者的关注。”彼得·拜尔回忆道，他是德国弗莱堡大学的植物生物化学家，同时也是黄金水稻的发明者之一。

营养学家们并不认同拜尔和他的共同发明者、退休的生物学家英戈·波特里库斯的观点。他们指出，黄金水稻可能无益于解决发展中国家的维生素A缺乏症，因为其中的β-胡萝卜素含量太低。拜尔则认为反转基因组织“劫持”了这一论点，并利用黄金水稻作为责难所有基因改良作物的借口。由于这场争论，以及政治和技术上的障碍，致使黄金水稻近十年后首次揭下面纱，依然不能在（具维生素A缺乏症的）发展中国家的广袤稻田中粉墨登场。拜尔这样说道：“你最初的信念是，一旦（科学）达到，你的工作就完成了，然而事实却远不止于此。”

但拜尔、波特里库斯和几名合作者依然继续稳步前进，通过改进技术使得黄金水稻的生产成为可能，同时，他们积聚了更多的经费支持，试图使营养丰富的增强型农作物出现在最需要的人的餐桌上。黄金水稻未能成功推广到全世界稻田并未令其他努力推广增强型农作物的科学家们却步，这些增强型农作物包括：含有双倍钙质的胡萝卜，抗氧化剂含量增加20%的西红柿，具有额外的铁、蛋白、维生素的木薯。有许多科学报道显示，如今已通过遗传育种改造了多种普通食用植物，使它们能够产生高含量的某些营养物质。或许黄金水稻尚无法在热带阳光的照耀下茁壮成长，超级木薯也还未能在非洲广袤农田上摇曳，但前景很有可能改变在即。

超过2.5亿的撒哈拉以南地区非洲人以木薯——一种原产自南美洲和中美洲的含淀粉块茎——为主食。在非洲某些地区，木薯产量占了全球份额的40%，为当地人提供了38.6%的卡路里需求，然而饥饿和营养不良在平民中依然十分普遍。

木薯营养并不丰富，它缺乏铁、锌、维生素A和E等身体健康成长所需成分。内布拉斯加大学林肯分校的生物化学家埃德卡洪已经参与BioCassava Plus项目多年，该项目旨在通过基因工程改善木薯的营养组成。

2005年7月由“比尔与梅琳达·盖茨 ”基金会资助750万美元推出的全球健康计划，首要目标是研发一种超级木薯，既含有高含量的铁、锌、蛋白质和维生素，又能抵抗木薯花叶病以及困扰非洲农民的褐条病毒。

项目第一步，是先分别培育出单营养成分改善的基因改造木薯。卡洪和他的同事们通过插入能够影响维生素原A大量表达的基因培育出一种β-胡萝卜素增强型木薯（呈现出橙色光泽，而非一般木薯的白色）。他们插入的基因名为八氢番茄红素合成酶基因（psy），来自土壤细菌欧文氏菌（该细菌也曾用于开发黄金水稻），它编码一种能够催化β-胡萝卜素生物合成途径的酶。

研究者们将psy基因包裹在可转化农杆菌株的质粒中——这是植物基因工程的常用载体——同时整合了一段源自马铃薯根部的特异的启动子，一段由植物DNA组成的将蛋白质定位到质粒上的5’前导序列，以及一段来自mRNA的3’端非编码区（UTR）。卡洪回忆起他第一次看到成功改造的木薯块根（食用部分）时的情形，那是在2007年。“真是美好的一天，”他说，“（木薯）呈现出引人注目的橙色。”



木薯 β-胡萝卜素是维生素A的前体，在一些植物的细胞质中通过甲基亚乙基磷酸酯（MEP）途径合成。传统的木薯块根缺乏对合成β-胡萝卜素十分关键的一些酶。该合成途径的起始步骤是由脱氧木酮糖- 5 -磷酸合成酶（DXS）控制的，而该合成酶由插入的dxs基因（源自其他植物物种）表达后得到。其他步骤生成异戊烯二磷酸（IPP），用来合成牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（C20- GGDP）。八氢番茄红素合成酶（PSY），是引入基因psy的产物，结合2个GGDP分子形成八氢番茄红素，通过去饱和、异构化、环化作用等一系列反应先变成番茄红素，最后转化成β-胡萝卜素。最终得到橙色更深的木薯块根。




与此同时，卡洪决定尝试插入拟南芥的基因——1-脱氧木酮糖5-磷酸合成酶基因（dxs）——它调控着类异戊二烯通路，这是psy基因介导的生物合成步骤的上游生化反应途径。插入dxs基因，就增加了β-胡萝卜素的化学前体含量，就好像“加速了整个类异戊二烯通路。”卡洪说。他发现，同时插入psy和dxs基因会使木薯块根呈现出比psy基因改良的品种更深的橙色，而且含有的β-胡萝卜素是普通块根的30倍。

“这是一种连锁影响，企图阻止非洲农民种植任何基因改良作物。”

在针对单基因改造和双基因改造植株进行温室试验后，卡洪和他的团队从中选择出β-胡萝卜素含量最高的木薯，将组织样品寄给波多黎各的科学家们进行克隆繁殖。现在，木薯已经在该国进行了田间试验，卡洪最近刚拜访了那里。“它们看起来很不错，”他说，“在大多数方面，它们都长得很像对照植株，”也就是那些仅含有正常水平β-胡萝卜素的植株。

随着额外经费的注入，BioCassava Plus项目最终计划于2010年进入第二阶段——开始将能够增加铁、锌、蛋白质、维生素和抗病毒性的营养改良特征共同整合到木薯中。理查德·赛尔是圣路易斯的丹福思植物科学研究中心的一名分子生物学家，同时也是BioCassava Plus项目的负责人，他说：“我们将致力于培育一种能应对各种营养缺乏的木薯。”然而，正如他和卡洪从黄金水稻得来的教训所示，科学上的成功也仅仅是计划成功的第一步。



埃德·卡洪在波多黎各检查田间试验的木薯。 摄影：Nigel Taylor博士

卡洪和他的同事们选择在波多黎各做β-胡萝卜素增加型木薯的田间试验有其原因。首先，此地的热带气候与非洲重要木薯产区相似；同样很重要的是，这个岛屿准州受到美国政府的法律法规的约束和监管。“虽然这里不是非洲，但是在波多黎各进行试验更加便捷，丝毫不必受到非洲方面的各种制约。”

在全球范围内，基因改良作物都处于管理混乱的局面，在非洲亦如此。很大程度上这可以解释为什么能够解决普遍营养不良的基因改良植物至今只能长在实验室内，而非覆盖在土壤中。

普罗米修斯农业生物技术公司的董事长瓦尔·吉丁斯认为，大多数制约来自大受反转基因组织言论影响的欧洲政策。吉丁斯曾于上世纪90年代早期作为动植物卫生检疫局（APHIS）的遗传学家帮助美国农业部制订了关于基因改良作物的相关规定。当时他说，欧洲国家通过“使他们的海外发展计划服从于国内的政策”有效地输出了这一领域的限制性规定。2004年美国官方恳求欧盟帮忙重建津巴布韦、赞比亚和莫桑比克这3个非洲国家对转基因食品的信心，使他们相信美方援助的数十万吨被拒转基因食品实际上是安全的，而欧盟不予理会。除了欧洲进口商和政府加诸于亚洲和非洲食物生产商的影响以外，发展中国家的土壤也逐渐贫瘠而不适合基因改良作物生长。哈佛大学政治学者、《渴望科学》一书的作者罗伯特·帕尔伯格也认为，使生物技术作物进入发展中国家困难重重：“这是一种非正式的连锁影响，将会阻碍非洲农民种植任何基因改良作物。”

即使在美国，基因改良规章条款也十分繁琐，需要大队人马来把持。就像药物开发商一样，农业生物技术企业家必须承受动辄以十年记的长时间跨度，来使得一个产品从早期发现到进入销售渠道。 但是，与欧洲的系统相比，美国的规章系统还算易于管理。如果β-胡萝卜素强化型木薯想要获得农业部（USDA）的支持，代理商需要使产品满足多种指标以确保食品安全：必须有数据表明导入的基因是稳定整合的，不会带来植物疾病或产生感染性介质，而且，该木薯不可以用人类或动物的病原体进行基因改造，此外还有一些其他标准。“人们可能觉得这很麻烦，但我认为（这些规章）非常合理，”马克·马纳里说。他是华盛顿大学的儿科医师，与BioCassava Plus项目有过合作，并和援助团体一起在非洲马拉维呆了至少半年。

然而，即使科学家们克服了任何基因改良食品相关的监管障碍，仍然有另一个实际困难阻碍了人们吃上这些营养丰富的木薯、胡萝卜：它们比未改良的普通食品要贵，最需要它们的人，往往也是最没钱去买的人。

在杜邦公司研究机构的地下实验室，一个技术人员将亮绿色的大豆组织样本置入“基因枪”（一种看起来更像是烤箱而不是武器的意想不到的装置），将覆盖着DNA分子的金纳米颗粒以超过1500千米/小时的速度射入大豆细胞中。随着基因枪发出沉闷的声音，操作完成。DNA将整合入大豆的基因组中，并抑制脂肪酸饱和酶-2的活性，这种酶能够催化油酸转化成亚油酸的生化反应。植物分子生物学家特德·克莱恩站在一旁看着，说道：“如果我们在特定的时刻破坏这种酶在种子中的表达，那么就不会对整个植株产生任何不利的影响。”



凯西.马丁的紫色西红柿含有的花青素比常规品种多20％。 摄影：Andrew Davis，Sue Bunnewell 安德鲁.戴维斯和苏.布纳维

而在杜邦公司的特拉华威尔明顿试验基地，巨型的走入式冷藏库中，明亮的日光灯正照耀着成排生长的由基因枪改造的组培改良大豆。这些植物也许并不能解救那些贫穷角落里营养不良的人，但有一天或许它们会降低油炸食品对人体的危害。它们将生产出在储存和烹饪条件下都更加稳定的油，这种油的饱和脂肪含量比普通大豆油低20%，而油酸含量比例却更高。在多轮半随机的基因枪改造之后，杜邦公司会在培养室中筛选出具有最好表型的大豆。杜邦和与其子公司先锋，杜邦公司负责研究和技术发展，称为Plenish，希望能够在09年年末将大豆中提炼的高油酸油出售给全世界食品加工公司、餐饮连锁店和其他工业客户。具有这样庞大的市场，不用担心找不到能够负担得起这项技术的客户。

这种油已经得到了墨西哥和加拿大监管机构的支持。“现在我们只等美国农业部点头了，”杜邦研究机构主管苏珊.诺尔顿说。

其他科学家也在试图改变普通食品的营养成分。贝勒大学的儿科医生和遗传学家肯德尔·赫尔斯奇通过在普通胡萝卜基因组中插入一段拟南芥基因来提高植物根部钙转运蛋白（sCAX1）的表达，培育出一种含有双倍钙质含量的基因改良胡萝卜。他甚至在美国国家卫生研究院资助下进行了一项初步营养研究，被试者从他的基因改良胡萝卜中吸收的钙质比从普通胡萝卜中吸收的高40%。如果营养增强型的基因改良食品想要获得现实社会的认可、想要影响世界，那么喂养试验是必不可少的。赫尔斯奇说：“在最终证实它们的优点之前，没有任何改进可以真正叫好。”

为了确保该技术拥有买方，一开始可能会将其免费或者以低于成本价提供给发展中国家。赫尔斯奇正在努力吸引美国通用磨坊食品公司这种大企业的关注，该公司对用这种胡萝卜做浓汤罐头表示出了兴趣。（氯化钙常作为增稠剂添加到食品中。）



番茄 花青素是抗氧化剂，具有许多健康益处。通过在普通西红柿中插入源于金鱼草基因组的两个基因（Del和Ros1），能够调控花青素合成途径中几种关键酶，包括苯丙氨酸解氨酶（PAL）、花青素合成酶（ANS），类黄酮3-O-葡糖基转移酶（3-GT），类黄酮3-O-葡萄糖苷-鼠李糖基转移酶（RT），花青素酰基转移酶（AAC），类黄酮-5-葡糖基转移酶（5-GT）和谷胱甘肽S -转移酶（GST）以及公认的花青素转运子（PAT，它可能涉及将花青素运输进入西红柿果肉细胞的液泡中这一过程）。最终得到含有三倍抗氧化剂的紫色西红柿。




凯西·马丁是英国诺维奇的“约翰 ·英纳斯中心”的遗传学家，她培育出了一种可能会造福全世界消费者的西红柿品种，而不只是针对营养不良者。这种深紫色西红柿的花青素含量比普通西红柿高20%，花青素作为一种抗氧化剂，在预防慢性疾病和癌症方面可能具有重要作用。她和同事们最近发现，食物中包含基因改良西红柿的老鼠寿命比普通老鼠长30%。这种基因改良西红柿的高抗氧化剂水平得益于来自金鱼草的两种转录因子（两种基因）。在西方国家，大型食品公司林林总总，人们通常却达不到每天食用5种水果和蔬菜的推荐标准。因此马丁认为，西方国家将在基因改良食品的实际推广中扮演重要的角色。马丁说道：“你必须让食品公司对传播更优质的食品感兴趣。如果你能够改良西红柿，那么就能够使水果和蔬菜中的好东西真正进入日常饮食。”

“我们知道故事的结局将会如何，”瓦尔·吉丁斯说，那就是：营养强化、基因改良食品将进入全球市场和需求者的口腹，“你无法阻止潮流。假以时日，生物技术必将成为新的传统农业。眼下问题是，在此之前还需要经历多久，而我们又能为加速这一进程做些什么？”

现在已有许多线索证实了吉丁斯的预言。继2000年首次向全世界推出黄金水稻之后，拜尔的合作者们又培育出了β-胡萝卜素增强型水稻的新版本——黄金水稻2号。拜尔认为黄金水稻2号将在今后2、3年内出现于菲律宾和孟加拉国的市场上。其每粒大米都含有30～35微克β-胡萝卜素，β-胡萝卜素含量是2000年引进的黄金水稻1号的30倍以上。拜尔和同事们通过基因改造对插入基因的启动子序列进行了修改，比如将插入基因的来源从水仙花换成了玉米（β-胡萝卜素产量很高），以及其他细微的科学调整，从而实现了这一重大进步。新型大米近期完成了喂养试验，并已经种植到菲律宾和孟加拉的试验田中。



黄金水稻的野生型白米会制造牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（GGPP），这是ß -胡萝卜素的前体。然而，该大米的胚乳缺乏能够催化GGPP转化成八氢番茄红素的合成酶。黄金水稻1号被基因改造后能够表达水仙的八氢番茄红素合成酶基因（psy），而黄金水稻2号则改用了更为有效的玉米psy基因。ζ-胡萝卜素脱氢酶是由欧文氏菌的基因表达产生的，它大大增加了黄金水稻中的ß -胡萝卜素含量。

对拜尔而言，科学研究是相对容易的，但如果想要创造一种监管机构和平头百姓都欣然接受的基因改良产品，就需要外援了。他的经费来自各种慈善机构，如“比尔与梅琳达·盖茨”基金会、洛克菲勒基金会，以及美国国际开发署之类政府援助机构。拜尔认为，发明方与农业化学公司Syngenta以及亚洲各个研究机构之间的合作，将使得黄金水稻的国际市场迅速打开。目前该项目正在进行社会市场调研和与本土水稻品种的回交试验，使ß -胡萝卜素特征整合到当地水稻品种中去。这对成功和安全的引进该基因改良作物以及得到当地农民的认可都十分必要。

BioCassava Plus项目近来在将生物强化食品引入发展中国家的获得了了显著进展。项目负责人理查德·赛尔说，这个项目的维生素原A木薯已经获得了尼日利亚（世界上首屈一指的木薯消费国）的田间试验许可。2009年7月份，该国种植了4000～8000平方米的双基因基因改良木薯，这是破天荒的第一遭。赛尔表示：“我们对此十分自豪。”为了将BioCassava Plus计划推进到下一阶段，赛尔认为需要更多经费资助，项目“正打算接洽其他的资助人”，但他不愿透露细节。

通过尼日利亚的监管审批程序可不容易，塞尔说，为此，BioCassava Plus项目专门争取了尼日利亚国家块根农作物研究所（NRCRI）和一位尼日利亚农产品开发商（同时也是尼日利亚国家生物安全委员会的前成员）的支持。“我们认为这是战略的一个重要组成部分，因为这意味着政府将被搞定而参与项目进程。” 对于赛尔而言，尼日利亚的监管机构的保护措施常常很多余。比如，他们要求试验者在试验田周围挖一道1米深的壕沟来避免穴居动物偷走基因改良木薯，对此他就觉得是“多此一举”。