生菜特殊营养品质评价与代谢工程强化研究

【摘要】植物特殊营养品质与人类健康关系密切。蔬菜中富含维生素类和多种植物化学物等特殊营养成分。流行病学研究表明,膳食中摄入适量蔬菜,能够有效清除体内代谢过程产生的自由基,预防和修复自由基造成的氧化损伤,延缓细胞衰老和癌化,降低心血管疾病、癌症、肥胖症和衰老相关疾病等慢性疾病的发生率。研究和开发具有特殊营养品质和保健价值的“功能性食品”成为目前食品营养学和遗传学领域关注的热点。本研究以豆类芽苗菜和生菜为对象,建立蔬菜特殊营养品质评价体系。通过萌芽动力方法对豆类芽苗菜进行发芽,研究种子萌发动力对芽苗菜营养品质的影响；结合化学分析和细胞模型,建立蔬菜特殊营养品质评价体系,研究特殊营养成分与人体健康的关系；然后以绿叶类蔬菜——生菜为代表,分析蔬菜营养品质与植物生长发育的关系；对比市场上常见的六种生菜品种,利用已经建立好的蔬菜特殊营养品质评价体系,对其营养成分和保健价值进行评价；在生菜营养评价的基础上,选择遗传改良的最适品种——罗曼生菜作为改造的对象,采用单基因转化和组合搭配共转化的方式,利用农杆菌介导的双边界植物表达载体系统对生菜进行遗传转化操作,评价维生素C代谢途径的三个关键酶基因对植物叶片维生素C积累的贡献率,同时对目的产物——维生素C含量高的转基因植株进行营养品质评价,研究代谢工程操作对植物代谢调控网络的影响；针对罗曼生菜的特殊营养成分比例,优化设计植物次生代谢路线,强化生菜的维生素C、叶酸、类胡萝卜素和乳铁蛋白等特殊营养品质,获得无选择标记的强化多种营养成分的生菜。研究结果如下：1)绿豆在萌芽处理的前6天,其营养成分的含量随萌动时间延长而明显提高,生物学活性也明显增强,随后绿豆芽出现茎的延长和真叶伸展,朝着幼苗方向发展,虽然其营养成分含量仍有所提高.,但是食用价值逐渐下降,绿豆萌芽处理的最佳时长为6天；2)在绿豆萌芽时间动力学评价基础上,运用“特殊营养成分分析→总抗氧化活性→细胞抗氧化活性→生物学效价→抗肿瘤细胞增殖→细胞毒理学”的评价体系,对绿豆、大豆、墨西哥黑豆、蚕豆、豌豆、鹰嘴豆六种不同豆类发芽前后的特殊营养品质进行综合评价,经过萌芽处理,绿豆的抗氧化活性和抗增殖效果随特殊营养成分变化最明显,依次为黑豆和大豆,而蚕豆在发芽前后其抗氧化活性和抗增殖活性没有明显改变；豌豆和鹰嘴豆虽然经过发芽处理之后出现了较为明显的抗氧化活性和抗增殖效果,但是其抗氧化活性与其他四种豆类相比依然很低；3)评估罗曼生菜、波士顿生菜、红叶生菜和绿叶生菜四个品种在三个不同生长时期的特殊营养品质随生长时间的变化规律,研究结果发现,维生素C和多酚的含量在罗曼生菜、红叶生菜和绿叶生菜这三个生菜品种中均随生长时间的延长而降低,黄酮含量的变化则恰好相反,波士顿生菜的特殊营养成分含量平缓增加,总抗氧化活性随生长时间的变化受维生素C、多酚和黄酮类物质的含量影响明显；4)对罗曼生菜、波士顿生菜、红叶生菜、绿叶生菜、玻璃卷心生菜和红叶卷心生菜六个品种生菜在新鲜货架的特殊营养品质进行比较,研究结果表明：各品种间的维生素C含量相对稳定,而多酚和黄酮含量在不同品种间的变化较大,总抗氧化活性受多酚和黄酮含量的影响明显,细胞抗氧化活性受生物利用率的影响较大,抗肿瘤细胞增殖与抗氧化活性之间并非线性相关；5)以罗曼生菜为遗传改造对象,选择维生素C代谢途径中的三个关键酶基因VTC2,GLDH和DHAR进行单基因过表达和共转化过表达的方式评价不同基因在目标产物一—维生素C积累和非靶向代谢途径中的贡献,运用化学分析和细胞模型评价生菜特殊营养品质的改良对其抗氧化活性、细胞毒性和细胞利用率方面的影响,研究结果表明,单转VTC2对生菜维生素C代谢的调控作用明显,而对其他非目标代谢途径没有显著影响,基因工程技术提高生菜维生素C含量能够明显增强生菜的总抗氧化活性、细胞抗氧化活性和生物利用率；6)培育出了强化维生素C、叶酸、类胡萝卜素和人乳铁蛋白四种营养成分的蔬菜材料,无选择标记的生菜植株LsPVFH3株系的维生素C、叶酸和类胡萝卜素分别为：32.6mg/100gFW,207.3μg/100gFW和13.3mg/100gFW,相当于野生型的3,1.9和2.4倍,乳铁蛋白的表达量也高达396.5μg/100gFW,占总蛋白含量的3.3%,为人类膳食提供营养均衡的“健康蔬菜”,满足不同层次消费者的需求。本研究首次将食品营养学与植物遗传学结合,利用食品学的分析方法,对蔬菜的特殊营养品质进行了评价,建立了作物特殊营养品质的评价体系：特殊营养成分分析→总抗氧化活性→细胞抗氧化活性→生物学效价→抗肿瘤细胞增殖→细胞毒理学,为作物营养品质改良提供方向；运用植物双边界表达载体进行了生菜的遗传转化操作,在转基因后代植株中获得了无选择标记的转基因生菜植株；针对罗曼生菜的特殊营养品质特点,运用遗传改良的策略,优化设计代谢路线,构建了双边植物安全表达载体,强化了生菜多种营养成分,获得了高营养价值的蔬菜,通过作物特殊营养品质评价体系对转基因生菜的营养价值进行了分析,为遗传工程改良作物特殊营养品质提供了理论基础和技术手段。
【作者】郭新波；
【导师】唐克轩；刘瑞海；沈大棱；
【作者基本信息】复旦大学，遗传学，2013，博士
【关键词】特殊营养品质；生菜；代谢工程；抗氧化；抗增殖；生物强化；

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