全球20億人處在營養元素缺乏的“隱形饑餓”之中，超過25億人受到缺鐵性貧血的困擾。在中國，貧血患者超過7億人，其中一半為缺鐵性貧血。
如何破解營養元素缺乏造成的“隱形饑餓”？如何在膳食中補充鐵元素？2023年12月8日凌晨，一項發表于《科學》雜志的研究成果，首次發現和解析了一個調控鐵進入玉米籽粒的關鍵基因，這意味著，未來可以育成富含鐵元素的玉米，這給更多發展中國家和地區的人們，通過主食補充鐵元素，提供了理論和技術支撐。該研究由中國農科院作科所作物分子育種技術和應用創新團隊聯合河南農業大學共同完成。
科研人員在田間進行試驗。中國農科院作科所供圖
為什么是鐵？
鐵是人體中含量最高的微量元素，也是必須的微量元素。在人體中，鐵承擔著合成血紅蛋白、肌紅蛋白等功能，它也是人體中多種酶的組成部分，還是心、肝、腎等器官正常運轉的關鍵元素。
鐵如此重要，但在人類生活中，缺鐵確是最普遍的問題之一。中國農科院作科所作物分子育種技術和應用創新團隊首席科學家李文學介紹，全球大約有三分之一人口受到缺鐵引起的貧血病困擾，在中國，根據第四次全國營養調查的數據，中國居民貧血患病率為20.1%，其中一半為缺鐵性貧血。
缺鐵還可以導致人體疲乏、無力、注意力不集中、失眠、食欲不振、皮膚及毛發干燥無光澤、免疫力下降、易患感染性疾病等，還有研究顯示，老年性聽力障礙，也和缺鐵有關。對兒童來說，缺鐵則可能造成身體和心智發育受阻。
缺鐵主要由出血、鐵吸收功能障礙、食物中攝入的鐵元素不足等原因造成。事實上，食物是人類攝取各種營養元素的主要來源，食物中攝取的多少，往往決定著人體中營養元素的匱乏與否。
早在1993年前后，國際農業研究磋商組織下屬的研究中心首先提出培育富含微量營養元素作物新品種的設想，主要目標是培育那些富鐵、高維生素含量的作物新品種。2004年，國際農業研究磋商組織正式啟動了一項“生物強化挑戰項目”，更多富含微量元素的作物品種培育，成為了解決營養元素匱乏和不平衡造成的“隱形饑餓”的重要項目。
科研人員培育的玉米。中國農科院作科所供圖
為什么是玉米？
食物是人類攝取營養元素最主要的途徑，以鐵元素為例，人們熟知的菠菜、紅肉中，都富含鐵元素，食用這些食物，是補鐵的有效途徑。同時，對缺鐵人群來說，營養元素補充劑，也可以更好補充人體缺乏的鐵元素。
那么，為什么要在糧食作物中增加鐵含量呢？李文學介紹，這是因為，全球還有很多發展中國家和地區，很難獲得足夠豐富的含鐵食物，主要依靠的還是主食。
在全球范圍內，玉米同樣是最大的糧食作物之一。糧農組織的數據顯示，全球玉米種植面積超過2億公頃，也就是超過30億畝，產量超過11億噸，是玉米、水稻、小麥三大糧食作物中，總產量最高的。
“在非洲很多國家，人們依然以玉米為主食，同時他們還缺乏足夠的財力，獲得更豐富的食物，通過紅肉、蔬菜等補鐵，對他們來說依然有困難。同樣的道理，鐵元素補充劑成本更高，且有一定的副作用，很難在發展中國家尤其是一些發展相對緩慢的國家中普及。”
和水稻、小麥相比，玉米鐵含量提升的研究仍然缺乏，在過去，科學家們曾嘗試把玉米根系的轉運蛋白過量表達，對提高玉米鐵含量有一定的幫助，但提升幅度不大。
玉米的鐵“開關”
為何玉米中的鐵含量難以大幅度提升？李文學認為，這和過去更多重視產量有關，在一定程度上，對營養元素含量的重視不夠。“一個悖論是，籽粒中的鐵含量，可能和產量呈現出負相關的關系。”
在技術層面，一個關鍵節點在于，鐵如何進入籽粒，這一路徑在過去的研究中尚未明晰。“之前也有很多人去克隆和調控鐵進入玉米籽粒的基因，但是一直不太成功，我們認為候選基因性狀的克隆，還是要依賴于群體結構。”李文學說。
為此，科研團隊搜集了273個玉米自交系材料，測定它們中的鐵含量，“測定中，我們發現，玉米材料鐵含量的差異很大，最低的4.95mg/kg，最高則達到55mg/kg。”
在眾多的材料中，如何尋找到影響鐵含量的那個關鍵基因？“我們選取了鐵含量高和鐵含量低的材料，同時，為了避免籽粒大小對它的影響，我們選取了百粒重無明顯差異的材料進行轉錄種組測序，共得到了857個上調表達的基因。結合全基因組關聯分析結果，發現該基因可能正是調控玉米籽粒的鐵含量。”
隨后的實驗中，科研人員通過敲除該基因、過量表達該基因等不同方式，進行實驗和對照，最終確定，在該基因被敲除的材料中，籽粒鐵含量明顯下降，而過表達的材料中，玉米籽粒鐵含量達到70.5mg/kg，這一數據甚至高于“生物強化挑戰項目”為玉米設定的玉米籽粒鐵含量每公斤60mg的目標。
未來的“新品種”
一個關鍵基因的發現，意味著未來可能有更多富鐵玉米的出現。“這是從0到1的進步，”李文學說。
在黃淮海玉米主產區、西南玉米主產區等地，科研團隊也進行了相關的育種實驗，李文學介紹，“我們在河南省新鄉市原陽縣、廣西壯族自治區南寧市分別將選育的材料進行實驗，發現其籽粒鐵含量平均高出25.82% - 33.91%。”
“這是一個重大科學前沿工作，同時又有實際用處，不光是解決中國的民生問題，也為解決世界性民生問題提供了基礎。”著名生物學家、美國國家科學院院士鄧興旺說。
華南農業大學教授儲成才表示，在我國，作物對鐵的吸收，受土壤酸堿度的影響很大，而這個新成果，在偏堿性的土地上，鐵含量仍能得到一定提高，將來有望在國內鹽堿地等邊際土地上利用。同時，也可以在非洲比較貧瘠的土壤上，增加玉米甚至是其他禾本科植物里面鐵含量，對中國、對全球人口營養補充都有非常重要的意義。
“新的成果不僅是一個重大的科學發現，同時也對產業有至關重要的作用，”中國工程院院士萬建民說，“糧食安全最重要的意義，是為人體生長發育健康提供必要的食物，能夠滿足人體生長發育的需求，這是我們奮斗的目標。所以這個成果意義特別重大，因為糧食安全不能是單純的吃飽肚子，營養健康的需求是更大的需求，比數量的需求是更高一個層次。”
