完美的“超級土豆”

來源：生物谷作者：人氣：-發表時間：2015-06-16 09:27:00【大中小】

2015年1月，我國正式啟動馬鈴薯主糧化戰略，推進把馬鈴薯加工成饅頭、面條、米粉等主食，馬鈴薯將成稻米、小麥、玉米外又一主糧。中國土豆總產量居世界第一（圖1），預計到2020年50%以上的馬鈴薯將作為主糧消費。因而，馬鈴薯的遺傳育種也將深入展開。歐美國家一直將馬鈴薯作為主糧，并在育種方面一直走在前面。據《麻省理工科技評論》6月5日報道，2015年6月初，歐洲的科學家也正式開啟了一項“超級土豆”項目。

圖1：世界各國的土豆總產量。圖片來源Bayer Crop Science

農作物的病蟲害每年會給農民造成上千億美元損失，嚴重威脅著我們的食品安全。為此，英國的研究人員正在努力研發一種能夠抵御各種毀滅性型病蟲害的“超級”土豆（見圖2）

圖2超級土豆的特征

對世界各地的土豆生產者而言，這種超級土豆將價值數十億美元。它既可以抵抗毀滅性的土豆晚疫病，自我防御寄生蟲（馬鈴薯胞囊線蟲），還可以避免在運輸和儲藏過程中因擠壓造成的瘀傷黑斑，還可以減少在烹飪過程中產生的致癌物質！一旦研發成功，它還可以為多種其它作物的育種提供一個范例，從而用來應對因人口的日益增長和不可以預測的氣候問題所導致的食品安全問題。

此超級土豆計劃是英國研究人員2015年6月初正式啟動的一個新研究項目，而單獨具有上述某一種優良性狀的土豆品種都已被研發出來。如果這個項目成功了的話，那么這將是世界上第一個具有上述所有優良性狀的土豆品種（抗晚疫病，抗寄生蟲，抗瘀傷黑斑，減少致癌物質的產生）。

該項目未來五年的研究工作將由世界頂級植物病害遺傳學家，英國塞恩斯伯里實驗室（The Sainsbury Laboratory）的科學家Jonathan Jones（英國皇家學會院士）領導。這種土豆將包含由Jones研究小組發現的三個抗晚疫病的基因，兩個由英國利茲大學的研究人員發現的抗馬鈴薯胞囊線蟲的基因，以及含有由美國的J. R. Simplot公司研發的一種土豆的DNA，后者最近獲準商業化種植，它含有較少的瘀傷黑斑和天冬酰胺（Asparagine），這種化合物在高溫烹飪的過程中容易引起致癌物質的積累。

Jones的研究小組從一個土豆的野生品種中克隆到了一個抗土豆晚疫病的基因，并研發出了抗土豆晚疫病的轉基因土豆。不過對于一個想用于商業化種植的土豆而言，單含一抗病基因是不夠的，因為一旦出現能夠抵抗這個抗病基因的病原菌，那么這個抗病基因將失去作用，就如同某細菌出現了抗藥性，抗生素對這種細菌無效一樣。Jones說：“這個項目的一個重要目標就是測試：能否通過轉入多個抗病基因來防止病原菌抗性產生的危險”。他的研究小組已經從野生土豆品種中發現了三個相關的抗病基因。（注：你可能會疑惑，既然野生土豆品種中都含有抗病基因了，為什么不直接就吃野生土豆品種呢？那是因為野生的土豆中含有大量的對人和動物都有毒的生物堿，中毒后會導致頭痛、腹瀉、抽搐、昏迷、甚至死亡）。

土豆是世界上一種非常重要的主糧作物。以人類直接的消耗量而言，它躋身于全球頂級食品之列，其地位僅次于小麥和水稻。但它同樣也非常容易受到病害侵擾，尤其是土豆晚疫病。這種毀滅性病害在十九世紀中期造成了著名的愛爾蘭大饑荒，那次饑荒最終導致上百萬人死亡。土豆晚疫病是由一種真菌引起的病害，因為還沒有很好的方式來防治它，直到現在，它對于土豆而言依然是一種“毀滅性的災難”。Jones說：英國的農民為了防治土豆晚疫病，每年必須噴灑十五次農藥。這種病害每年會對英國造成9000萬元美元的損失，對全球造成50億美元的損失。

此外，寄生線蟲也同樣對英國和世界的土豆產業造成了巨大的經濟損失，這種損失包括農藥的花費以及作物的損失。英國利茲大學的研究人員也為這種“超級土豆”貢獻了兩種DNA序列，這為超級土豆對抗這種線蟲提供了強大的武器。利茲大學的研究小組已經證明：引入的這兩種基因只在新土豆的根部表達，這將為土豆抵抗線蟲提供兩種截然不同的威懾方式。

除了病蟲害以外，土豆在生產和運輸過程中因受到擠壓出現的黑斑，也造成巨大損失。因為消費者都喜歡買表面沒有黑斑的土豆，這會使得公司每年廢棄大量可以食用的土豆。這樣的土豆并沒有毒，只是因為被擠出了淤青就沒人買了而已。美國的Simplot公司也將為Jones的項目貢獻這方面的專業知識和技術。他們公司研發的這種土豆剛剛獲得了美國監管部門的批準可以在市面上出售。其土豆產品不僅可以減少導致瘀傷黑斑的某種糖類物質的量，而且還含有更少的天冬酰胺（Asparagine），從而減少了在高溫烹飪過程中天冬酰胺轉變成致癌物質丙烯酰胺的量。

這種改善可以使土豆在運輸過程中減少44%的擠壓損傷。種植者、餐館和零售商每年可以減少2000噸土豆的損失。僅美國的消費者因此丟掉的新鮮土豆就會減少28%，將近15000噸。因為減少了這類土豆的浪費，就相當于提高了土地和資源的利用率，就意味著可以少用20%的水，化肥和燃料。而且，這種DNA并非是來自其它物種的外源基因，而是來自土豆本身或是野生土豆品種。

為了將新的DNA轉入土豆之中，Jones和他的同事們將采用一種叫做“轉化”的成熟方法，而且自然界的某些細菌（農桿菌）也能通過相同的方式在將DNA轉入植物之中。此法為“農桿菌介導的”轉化方法，和先前發現的農桿菌生產的“天然轉基因紅薯”是同一種方法。將這些DNA轉入土豆之后，他們將進行廣泛的篩選和DNA分析，從而鑒定出含有目標優良性狀的新土豆品種，并進行田間測試。Jones說：“我們希望能夠盡快在田間得到我們想要的土豆品種，我們的研究人員應該在三年之內就會知道是否能夠得到具有商業價值的新土豆品種”。

Jones說：如果這個項目成功的話，它將證明這種技術的價值。通過運用這種技術可以達到可持續生產目的，并且可以滿足食品安全需求。而且這種技術也適用于其他的作物，從而可以幫助這些作物抵抗那些對它們造成危害的毀滅性病蟲害，例如：小麥銹病等。

由于這種土豆可以給消費者，農民和環境都帶來好處，愛爾蘭的農業研究機構（Teagasc）的高級研究員Ewen Mullins說：“這聽起來像是他們正在研發一種“完美土豆”。Mullins主要的工作是測試新的植物育種技術對環境的影響。他說：Jones團隊將面臨的最大挑戰可能并不在技術方面。由于近幾年科學已經取得了相當大的進步，所以現在想研發出一種具有多種新性狀的生物已經變得“相對簡單”多了。盡管隨后會有一個廣泛的安全監管程序，但實際上最難的部分是如何得到消費者的認可。Mullins認為：監管程序最好在技術開發的同時就同步進行。

盡管我國的土豆產量位居世界第一，但畝產非常低，還不到荷蘭畝產的1/3（2007年，中國平均產量是0.98噸/畝，而荷蘭是2.98噸/畝）。而且我國種植的商業化土豆的品種也少很多。因此不論是土豆的育種工作，還是種植方式，田間管理等各方面都有很大的進步空間。