馬鈴薯維生素代謝研究應用進展

孫卉, 張春義, 姜凌

中國農(nóng)業(yè)科學院生物技術研究所, 北京 100081

馬鈴薯(Solanumtuberosum)是茄科茄屬一年生草本塊莖植物，是全球第四大重要的糧食作物，17世紀作為歐洲重要糧食作物被引入我國。近年來，我國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，產(chǎn)量約占世界的四分之一左右，是馬鈴薯生產(chǎn)和消費的第一大國。預計未來20年，我國需要滿足糧食增量的需求中有50%將來自馬鈴薯[1]。我國正在推進的“健康中國”建設和馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略對調(diào)整我國種植結(jié)構(gòu)、改善居民的膳食營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和保障國家糧食安全具有重要意義[2]。馬鈴薯耐旱,生產(chǎn)節(jié)水、節(jié)地、節(jié)肥、省藥效果好，單位水資源的產(chǎn)出率和單位面積的產(chǎn)量都很高，馬鈴薯從海平面到海拔4 700 m均可種植，更適宜在水資源短缺的西北、地下水嚴重超采的華北和冬閑田地資源豐富的南方等地區(qū)種植[3]。馬鈴薯用途廣泛，除了傳統(tǒng)淀粉加工，還可以加工為饅頭、面條等主食產(chǎn)品，塊莖還可以切碎后加入青貯飼料，莖稈發(fā)酵后也可以被用作動物飼料。馬鈴薯淀粉及其衍生品還可廣泛應用于紡織、醫(yī)藥、飼料等行業(yè)[4]。

馬鈴薯是重要的糧食、蔬菜、飼料兼用型作物，脂肪含量低，易被人體消化吸收，有助于清理腸道、預防消化系統(tǒng)病變。馬鈴薯含有人體必需的碳水化合物、蛋白質(zhì)、氨基酸、膳食纖維、礦物質(zhì)等七大類營養(yǎng)物質(zhì)，營養(yǎng)豐富全面。同時，與其他糧食作物相比，馬鈴薯中維生素含量也最全面[5-6]。馬鈴薯中含有所有水溶性維生素、脂溶性的維生素E，還有小麥和精米中未檢測到的類胡蘿卜素(維生素A原)[5]。

雖然馬鈴薯種質(zhì)資源具有巨大的遺傳多樣性，但國際馬鈴薯中心估計,現(xiàn)代品種中只利用了不到1%的遺傳多樣性[6]，特別是維生素在生物體內(nèi)的合成、降解和重新再利用的生物化學過程研究在馬鈴薯中開展得還不充分，如何利用野生資源中豐富的營養(yǎng)增強馬鈴薯的品質(zhì)非常值得人們探究；同時，馬鈴薯作為維生素含量較全面的主糧作物，其維生素代謝研究、應用現(xiàn)狀和未來營養(yǎng)強化的策略也值得探討。本文對馬鈴薯維生素代謝研究應用進展進行了綜述，以期為馬鈴薯維生素營養(yǎng)強化研究提供參考。

1 馬鈴薯維生素A代謝研究進展

維生素A是一系列脂溶性類視黃醛衍生物的統(tǒng)稱，包括視黃酯、視黃醇、視黃醛和視黃酸等，在細胞分化、免疫功能、視覺感受等多個生理過程中發(fā)揮重要作用[7]。維生素A缺乏會引起夜盲癥、干眼癥、角質(zhì)軟化等眼部疾病，全世界缺乏的人口高達5.6億，多發(fā)于學齡前兒童和孕婦[8]。類胡蘿卜素是一種光合營養(yǎng)、抗氧化、親油性的化合物。植物中的類胡蘿卜素是維生素A的合成前體，又稱維生素A原。異戊烯二磷酸和甲烯丙基焦磷酸作為類胡蘿卜素合成的起始化合物，經(jīng)代謝縮合形成八氫番茄紅素，再通過一系列反應生成α-、β-、γ-和δ-胡蘿卜素。植物體內(nèi)的β-胡蘿卜素、α-胡蘿卜素和β-隱黃質(zhì)具有維生素A原活性，都屬于類胡蘿卜素，在人體代謝后可轉(zhuǎn)化為視黃醇[9]。

馬鈴薯中類胡蘿卜素含量為12～30 mg·100g-1FW[10]。與其他主糧作物相比，類胡蘿卜素含量與小麥和大麥含量在一個水平，高于水稻、谷子和高粱中的含量[11]。馬鈴薯中最豐富的類胡蘿卜素是葉黃素和玉米黃質(zhì)，其次為紫黃質(zhì)和新黃質(zhì)，含量較低的是β-胡蘿卜素和β-隱黃質(zhì)[12]。目前馬鈴薯中維生素A原的營養(yǎng)強化主要依賴轉(zhuǎn)基因技術，涉及到的基因主要有三類：①八氫番茄紅素合成酶(phytoene synthase，PSY)基因。八氫番茄紅素合成酶基因是類胡蘿卜素生物強化最常用的基因。該基因負責產(chǎn)生全反式番茄紅素，是類胡蘿卜素生物合成途徑中的限速步驟，它在植物中的過表達可以增強植物烯的合成，使得馬鈴薯中類胡蘿卜素含量增加20倍[13-14]。②番茄紅素β-環(huán)化酶(lycopene beta cyclase，LYCB)和β-胡蘿卜素羥化酶(β-carotene hydroxylase，HYDB)。這兩個酶是類胡蘿卜素生物合成途徑β分支中的兩種關鍵酶，將這兩類酶的編碼基因沉默，也可以促進馬鈴薯類胡蘿卜素的生物合成，葉黃素的含量也伴隨著增加[15]。③橙色(orange，OR)基因。橙色基因編碼的OR蛋白與PSY相互作用，從類胡蘿卜素生物合成的翻譯后水平上增加類胡蘿卜素穩(wěn)定性和活性[16]，過表達OR基因轉(zhuǎn)基因馬鈴薯塊莖中，β-胡蘿卜素明顯增加，而且耐儲存[17]。

2 馬鈴薯B族維生素代謝研究進展

馬鈴薯中的B族維生素都是水溶性維生素，包括維生素B1(硫胺素類化合物)、維生素B2(核黃素類化合物)、維生素B3(煙酸)、維生素B5(泛素)、維生素B6(吡哆醛、吡哆醇、吡哆胺及其磷酸化的衍生物)、維生素B7(生物素)和維生素B9(葉酸)。相比其他主糧作物，馬鈴薯含有的B族維生素最全面，且含量適中。

2.1 馬鈴薯維生素B1代謝

維生素B1在植物中主要以硫胺焦磷酸酯的形式存在。它在植物的葉綠體中分別獨立合成嘧啶和噻唑兩個部分，然后聚合形成硫胺，硫胺經(jīng)磷酸酯化后形成硫胺素焦磷酸。擬南芥中過表達磷酸甲基嘧啶合成酶(phosphomethylpyrimidine synthase，THIC)基因能使擬南芥維生素B1含量略有增加，但是否能在作物中大量提高硫胺素類化合物的含量還未知[18]。馬鈴薯塊莖中維生素B1含量為0.06～0.23 mg·100g-1FW，大多數(shù)馬鈴薯的硫胺素含量為0.12～0.16 mg·100g-1FW[19]。其含量具有中等程度的遺傳力，培育高維生素B1含量的品種已成為馬鈴薯分子育種的目標之一[20]。

2.2 馬鈴薯維生素B5代謝

β-丙氨酸是維生素B5生物合成途徑中的一個重要組成部分，是植物中唯一的天然β型氨基酸[21]。目前，已有研究在馬鈴薯中已經(jīng)獲得了β-丙氨酸的QTL位點，為后續(xù)的候選基因研究的開展打下了基礎[22]。

2.3 馬鈴薯維生素B6代謝

維生素B6中磷酸吡哆醛是主要的有效形式。動植物中維生素B6的合成途徑有兩條：依賴脫氧木酮糖磷酸途徑和不依賴脫氧木酮糖磷酸途徑[23-24]。目前比較成功的案例是在木薯中過表達吡哆醛磷酸合成酶(pyridoxal phosphate synthase，PDX)基因，發(fā)現(xiàn)在木薯塊莖中維生素B6含量可以提高1.9～5.8倍[25]。在每100克鮮重的馬鈴薯塊莖中，吡哆醛含量的變異幅度約為2倍[26]，在馬鈴薯中過表達PDX的編碼基因，總維生素B6含量不到對照的1.5倍，但是其塊莖的抗非生物逆境能力增強[24]。低溫貯藏還可以使馬鈴薯塊莖中的維生素B6增加，幅度在5%～24%之間[27]。

2.4 馬鈴薯維生素B7代謝

維生素B7又名生物素，是從肝臟中提純的可以預防動物皮膚損傷的化合物，它在植物中以庚二酰輔酶A和丙氨酸為底物形成，與其他酶結(jié)合參與體內(nèi)二氧化碳的固定和羧化過程。在擬南芥、馬鈴薯和豌豆中研究發(fā)現(xiàn)，生物素合成最后一步反應的生物素合酶(biotin synthase，BIO2)蛋白只在線粒體中積累，BIO2蛋白失活后導致胚胎發(fā)育停滯，但是否調(diào)控維生素B7含量還值得進一步研究[28]。

2.5 馬鈴薯維生素B9代謝

維生素B9包括四氫葉酸及其衍生物，是參與C1轉(zhuǎn)移反應的重要輔酶，在嘌呤、胸苷酸、DNA、氨基酸和蛋白質(zhì)的生物合成以及甲基循環(huán)中發(fā)揮重要作用。葉酸的結(jié)構(gòu)分為蝶啶環(huán)、對氨基苯甲酸環(huán)和谷氨酸尾，多尾形式的葉酸是主要活性分子。植物葉酸合成的底物包括分支酸和三磷酸鳥苷酸，它們通過一系列反應在細胞質(zhì)中生成羥甲基二氫新蝶呤和在質(zhì)體合成對氨基苯甲酸，后兩者在線粒體中逐步合成二氫蝶呤、二氫葉酸和四氫葉酸，最后形成含有多個谷氨酸的各類葉酸衍生物[29]。馬鈴薯在歐洲是膳食中的重要葉酸供體，例如在尼德蘭人和挪威人的膳食中馬鈴薯提供了7%～12%的葉酸攝入量[6]，增加馬鈴薯的攝入可以降低血清中低葉酸濃度的風險[30]。在栽培的馬鈴薯品種中，塊莖葉酸含量有3倍的變異幅度，有的野生馬鈴薯品種塊莖的葉酸含量較高，可以達115 μg·100g-1FW[19，31-32]。研究者使用構(gòu)建的土豆雜交群體發(fā)現(xiàn)了42個重要的單核苷酸多態(tài)性，分別落在馬鈴薯2號、4號和6號染色體上的18個基因上，同時了解到馬鈴薯中谷氨酰水解酶(glutamyl hydrolase，GGH1)基因的高轉(zhuǎn)錄水平一般對應高的葉酸含量，于是這些基因信息可以用于高葉酸馬鈴薯品種選育的標記輔助選擇[33-34]。科學家一直致力于提高馬鈴薯可食部分的葉酸含量，目前比較成功的轉(zhuǎn)基因策略是使用塊莖特異啟動子，同時過表達鳥苷酸環(huán)化水解酶(GTP cyclohydrolase Ⅰ，GTPCHⅠ)基因、氨基脫氧分支酸合成酶(4-aminodeoxychorismate synthase，ADCS)基因和多聚谷氨酸合成酶(folypolyglutamate synthetase, FPGS)基因，塊莖葉酸含量是對照的12倍，高達1 925 μg·100g-1DW，而且更加耐儲存[35]。研究還發(fā)現(xiàn)馬鈴薯在低溫貯藏的過程中，葉酸含量會明顯增加，有的基因型在儲存過程中葉酸含量會增加2倍以上[27]。因此可以通過選擇馬鈴薯優(yōu)質(zhì)背景的遺傳材料、增加低溫貯藏步驟、盡量食用幼嫩塊莖等方法，增加馬鈴薯塊莖中的葉酸含量。消費者可以通過每天食用150 g馬鈴薯達到建議每日攝入葉酸的40%～48%，保障每天充足的天然葉酸攝取[36]。

3 馬鈴薯維生素C代謝研究進展

維生素C又名抗壞血酸,是高效的抗氧化劑，在生物體內(nèi)參與清除自由基和防止氧化應激等反應。維生素C缺乏容易導致貧血和壞血癥等其他癥狀。其合成途徑有4條：L-半乳糖途徑、L-古洛糖途徑、糖醛酸途徑和肌醇途徑。在植物中以L-半乳糖途徑為主，其余幾種途徑在動植物中都存在。此外維生素C還存在循環(huán)再利用途徑[37]。一般情況下，在新鮮馬鈴薯塊莖中,維生素C含量在10～80 g·100g-1，而在谷類作物的干籽粒(大麥、玉米、谷子、大米和小麥)中幾乎檢測不到維生素C[10，38]。

馬鈴薯塊莖可以合成維生素C，也可以積累從莖和葉片運輸過來的維生素C[39]。其含量根據(jù)種植的地區(qū)和氣候會發(fā)生明顯的變化，栽培管理措施可以增加作物中維生素C的含量，而高的氮肥施用率會導致馬鈴薯中維生素C含量的減少。在貯藏后馬鈴薯維生素C的損失會更快[40]，長時間低溫貯藏可以使馬鈴薯塊莖中的維生素C含量降低幅度高達50%[27]，因此如何提高儲藏后馬鈴薯的維生素C含量也是育種目標之一[41]。馬鈴薯塊莖的維生素C含量還取決于內(nèi)瓤的顏色和烹調(diào)方式，內(nèi)瓤顏色越黃，維生素C含量越高。微波爐烹調(diào)比蒸煮烹飪中維生素C損失大[42-43]。在馬鈴薯中過表達DHAR基因可以使植物的葉片、籽粒和塊莖中的維生素C含量明顯增加[44]。草莓半乳糖醛酸還原酶(galacturonate reductase，GalUR)基因在馬鈴薯中的過表達可以增強非生物脅迫耐受，使維生素C含量增加2倍左右[45]。過表達小鼠的古洛糖酸內(nèi)酯氧化酶(glucuronolactone oxidase)基因可以使塊莖中維生素C含量增加141%[46]。馬鈴薯中表達編碼半乳糖磷酸化酶(galactose phosphorylase)基因也可以使塊莖中維生素C含量增加[47]。

4 馬鈴薯維生素E代謝研究進展

維生素E是一種脂溶性維生素，包括生育酚和三烯生育酚。人體維生素E缺乏可以導致生殖系統(tǒng)相關疾病[48]。生育三烯醇是大多數(shù)單子葉植物和數(shù)量有限的雙子葉植物種子中維生素E的主要形式，α-生育酚對人體來說活性最高。因此，維生素E生物強化的目的是增加維生素E的含量，并將所有其他類型的維生素E轉(zhuǎn)化為α-生育酚[49]。

在馬鈴薯中RNAi干擾生育酚環(huán)化酶(tocopheral cyclase, TC)基因會導致生育酚的含量明顯降低，進一步降低維管束胼胝質(zhì)沉積和蔗糖在體內(nèi)的過度積累[50]。在馬鈴薯中分別過表達擬南芥編碼對羥基苯丙酮酸雙加氧酶(p-Hydroxyphenylpyruvate dioxygenase，HPPD)基因或尿黑酸葉綠醇轉(zhuǎn)移酶(homogentisate phytyltransferase，HPT)基因，都不影響馬鈴薯塊莖中的生育酚組成[51]。目前，尚無通過轉(zhuǎn)基因方法來增加馬鈴薯塊莖維生素E的含量的相關研究。

在植物維生素代謝的研究中，全基因組關聯(lián)分析(genome-wide association studies，GWAS)和數(shù)量遺傳性狀分析(quantitative trait locus，QTL)也是獲得調(diào)控維生素含量關鍵基因或者天然等位基因變異的優(yōu)選手段。目前這部分工作主要在玉米的維生素代謝中開展，已經(jīng)確定了多個調(diào)控維生素A原(玉米)、葉酸(玉米)和維生素E(番茄)含量的基因/單核苷酸多態(tài)性/QTL位點[52-54]。但這些分析技術中在馬鈴薯中尚無研究報道。如果利用這些分析技術能獲得調(diào)控維生素含量的關鍵基因，同時篩選出具有優(yōu)良等位自然變異的馬鈴薯品系作為供體親本，就可以加速培育維生素營養(yǎng)強化的馬鈴薯新品種，以滿足消費者的營養(yǎng)偏好。

5 展望

從目前已知的馬鈴薯維生素代謝研究中，可以了解到馬鈴薯中的維生素代謝途徑還不完整，明確各類維生素代謝途徑中的瓶頸有助于完善馬鈴薯營養(yǎng)強化的發(fā)展策略。目前在馬鈴薯維生素代謝領域有兩個亟待解決的科學問題。第一，其塊莖的特殊性導致馬鈴薯維生素代謝有其獨特性，需要研發(fā)出不同于水稻、玉米和小麥等籽粒中維生素含量調(diào)控的營養(yǎng)強化策略[24，35]。同時利用我國豐富的馬鈴薯資源進行的GWAS和QTL分析將有助于優(yōu)良等位變異的鑒定。第二，馬鈴薯中維生素代謝與產(chǎn)量性狀是否關聯(lián)是一個亟需開展的研究工作。例如，番茄中PSY的過表達增加了番茄紅素、β-胡蘿卜素和玉米黃質(zhì)含量，但減少了赤霉素含量，從而導致植物矮化[55]。葉酸強化的水稻材料對水稻籽粒的其他代謝基因在轉(zhuǎn)錄水平上有一定影響[56]。只有明確維生素代謝與產(chǎn)量性狀的相關性，馬鈴薯中的維生素營養(yǎng)強化才可能做到“量”與“質(zhì)”的協(xié)同增效。

目前我國馬鈴薯鐵鋅生物強化的研究可以稱為馬鈴薯維生素營養(yǎng)強化的先鋒。2013年甘肅省啟動了馬鈴薯鐵鋅生物強化項目，以開展甘肅省馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)土壤鐵鋅含量分析、篩選測定馬鈴薯主推品種的鐵鋅含量，結(jié)合微量元素施肥等栽培措施，提高塊莖中的鐵鋅含量，改善營養(yǎng)品質(zhì)，使高營養(yǎng)和高效益成為今后馬鈴薯主要的研究方向[57]。2020年4月19日，聯(lián)合國糧食計劃署甘肅省富鋅馬鈴薯品質(zhì)提升小農(nóng)戶試點項目啟動，通過幫助小農(nóng)戶和貧困戶選擇富鋅馬鈴薯品種、提高種植技術和改善農(nóng)戶馬鈴薯的儲藏條件，提高高產(chǎn)富鋅馬鈴薯的生產(chǎn)比例，調(diào)整當?shù)鼐用竦纳攀辰Y(jié)構(gòu)，從而改善貧困地區(qū)人口的鋅缺乏和營養(yǎng)不足的現(xiàn)狀，實現(xiàn)精準營養(yǎng)減貧，改善提升項目地區(qū)的糧食安全水平和營養(yǎng)水平，促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[58]。

我國目前還比較缺乏高維生素營養(yǎng)附加值的馬鈴薯種質(zhì)資源，還未開展現(xiàn)有優(yōu)質(zhì)馬鈴薯品種的維生素營養(yǎng)強化工作。未來通過國內(nèi)外協(xié)同合作，從膳食需求和營養(yǎng)角度推動我國馬鈴薯營養(yǎng)強化育種工作的發(fā)展將成為趨勢。今后馬鈴薯產(chǎn)業(yè)不僅要依賴于以消費者為導向的特性，為大眾提供“量”與“質(zhì)”俱佳的馬鈴薯品種和產(chǎn)品，更要從供給側(cè)入手，在提升馬鈴薯產(chǎn)量的同時，提升維生素等營養(yǎng)素的品質(zhì)，開發(fā)高營養(yǎng)附加值的馬鈴薯種質(zhì)資源，優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，增加農(nóng)戶經(jīng)濟收入、發(fā)揮馬鈴薯產(chǎn)業(yè)帶來的社會效益、經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和營養(yǎng)效益。改善地區(qū)營養(yǎng)狀況和促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的多重效益，保障國家糧食安全。