破解隐形饥饿 科学家揭开玉米富铁机制

全球20亿人处在营养元素缺乏的“隐形饥饿”之中，超过25亿人受到缺铁性贫血的困扰。在中国，贫血患者超过7亿人，其中一半为缺铁性贫血。

如何破解营养元素缺乏造成的“隐形饥饿”？如何在膳食中补充铁元素？2023年12月8日凌晨，一项发表于《科学》杂志的研究成果，首次发现和解析了一个调控铁进入玉米籽粒的关键基因，这意味着，未来可以育成富含铁元素的玉米，这给更多发展中国家和地区的人们，通过主食补充铁元素，提供了理论和技术支撑。该研究由中国农科院作科所作物分子育种技术和应用创新团队联合河南农业大学共同完成。

为什么是铁？

铁是人体中含量最高的微量元素，也是必须的微量元素。在人体中，铁承担着合成血红蛋白、肌红蛋白等功能，它也是人体中多种酶的组成部分，还是心、肝、肾等器官正常运转的关键元素。

铁如此重要，但在人类生活中，缺铁确是最普遍的问题之一。中国农科院作科所作物分子育种技术和应用创新团队首席科学家李文学介绍，全球大约有三分之一人口受到缺铁引起的贫血病困扰，在中国，根据第四次全国营养调查的数据，中国居民贫血患病率为20.1%，其中一半为缺铁性贫血。

缺铁还可以导致人体疲乏、无力、注意力不集中、失眠、食欲不振、皮肤及毛发干燥无光泽、免疫力下降、易患感染性疾病等，还有研究显示，老年性听力障碍，也和缺铁有关。对儿童来说，缺铁则可能造成身体和心智发育受阻。

缺铁主要由出血、铁吸收功能障碍、食物中摄入的铁元素不足等原因造成。事实上，食物是人类摄取各种营养元素的主要来源，食物中摄取的多少，往往决定着人体中营养元素的匮乏与否。

早在1993年前后，国际农业研究磋商组织下属的研究中心首先提出培育富含微量营养元素作物新品种的设想，主要目标是培育那些富铁、高维生素含量的作物新品种。2004年，国际农业研究磋商组织正式启动了一项“生物强化挑战项目”，更多富含微量元素的作物品种培育，成为了解决营养元素匮乏和不平衡造成的“隐形饥饿”的重要项目。

为什么是玉米？

食物是人类摄取营养元素最主要的途径，以铁元素为例，人们熟知的菠菜、红肉中，都富含铁元素，食用这些食物，是补铁的有效途径。同时，对缺铁人群来说，营养元素补充剂，也可以更好补充人体缺乏的铁元素。

那么，为什么要在粮食作物中增加铁含量呢？李文学介绍，这是因为，全球还有很多发展中国家和地区，很难获得足够丰富的含铁食物，主要依靠的还是主食。

在全球范围内，玉米同样是最大的粮食作物之一。粮农组织的数据显示，全球玉米种植面积超过2亿公顷，也就是超过30亿亩，产量超过11亿吨，是玉米、水稻、小麦三大粮食作物中，总产量最高的。

“在非洲很多国家，人们依然以玉米为主食，同时他们还缺乏足够的财力，获得更丰富的食物，通过红肉、蔬菜等补铁，对他们来说依然有困难。同样的道理，铁元素补充剂成本更高，且有一定的副作用，很难在发展中国家尤其是一些发展相对缓慢的国家中普及。”

和水稻、小麦相比，玉米铁含量提升的研究仍然缺乏，在过去，科学家们曾尝试把玉米根系的转运蛋白过量表达，对提高玉米铁含量有一定的帮助，但提升幅度不大。

玉米的铁“开关”

为何玉米中的铁含量难以大幅度提升？李文学认为，这和过去更多重视产量有关，在一定程度上，对营养元素含量的重视不够。“一个悖论是，籽粒中的铁含量，可能和产量呈现出负相关的关系。”

在技术层面，一个关键节点在于，铁如何进入籽粒，这一路径在过去的研究中尚未明晰。“之前也有很多人去克隆和调控铁进入玉米籽粒的基因，但是一直不太成功，我们认为候选基因性状的克隆，还是要依赖于群体结构。”李文学说。

为此，科研团队搜集了273个玉米自交系材料，测定它们中的铁含量，“测定中，我们发现，玉米材料铁含量的差异很大，最低的4.95mg/kg，最高则达到55mg/kg。”

在众多的材料中，如何寻找到影响铁含量的那个关键基因？“我们选取了铁含量高和铁含量低的材料，同时，为了避免籽粒大小对它的影响，我们选取了百粒重无明显差异的材料进行转录种组测序，共得到了857个上调表达的基因。结合全基因组关联分析结果，发现该基因可能正是调控玉米籽粒的铁含量。”

随后的实验中，科研人员通过敲除该基因、过量表达该基因等不同方式，进行实验和对照，最终确定，在该基因被敲除的材料中，籽粒铁含量明显下降，而过表达的材料中，玉米籽粒铁含量达到70.5mg/kg，这一数据甚至高于“生物强化挑战项目”为玉米设定的玉米籽粒铁含量每公斤60mg的目标。

未来的“新品种”

一个关键基因的发现，意味着未来可能有更多富铁玉米的出现。“这是从0到1的进步，”李文学说。

在黄淮海玉米主产区、西南玉米主产区等地，科研团队也进行了相关的育种实验，李文学介绍，“我们在河南省新乡市原阳县、广西壮族自治区南宁市分别将选育的材料进行实验，发现其籽粒铁含量平均高出25.82% - 33.91%。”

“这是一个重大科学前沿工作，同时又有实际用处，不光是解决中国的民生问题，也为解决世界性民生问题提供了基础。”著名生物学家、美国国家科学院院士邓兴旺说。

华南农业大学教授储成才表示，在我国，作物对铁的吸收，受土壤酸碱度的影响很大，而这个新成果，在偏碱性的土地上，铁含量仍能得到一定提高，将来有望在国内盐碱地等边际土地上利用。同时，也可以在非洲比较贫瘠的土壤上，增加玉米甚至是其他禾本科植物里面铁含量，对中国、对全球人口营养补充都有非常重要的意义。

“新的成果不仅是一个重大的科学发现，同时也对产业有至关重要的作用，”中国工程院院士万建民说，“粮食安全最重要的意义，是为人体生长发育健康提供必要的食物，能够满足人体生长发育的需求，这是我们奋斗的目标。所以这个成果意义特别重大，因为粮食安全不能是单纯的吃饱肚子，营养健康的需求是更大的需求，比数量的需求是更高一个层次。”