美国获批的转基因土豆「能减少油炸时产生的丙烯酰胺」具体是怎么实现的?

新闻链接:美国批准种植转基因土豆 或将进入麦当劳 具体是利用什么机制?怎么实现的?有无负面作用?对其他作物有无参考意义? 要能通俗易懂的解释最好啦~~ 本题仅从技术角度讨论,技术无关的答案请勿扰^^
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利益相关:WUR植物育种组土豆晚疫病方向PhD student

@陆旭 和 @真霸道总裁 已经把RNAi部分解释的非常详细,而且@真霸道总裁 把天冬酰胺+糖产生丙烯酰胺的过程解释的也很详细,但是感觉对于非专业的人来说不太容易看懂,所以想试着用更易懂的方式来回答这个问题。

首先要先明确一个事情,Innate土豆有两个性状,一个是能减少运输和储藏过程中挤压导致的发黑,另一个是在减少烹饪(主要是油炸)过程中潜在致癌物质丙烯酰胺的形成。所以我们先从这个问题下手:为什么我们需要这种Innate土豆?

1. 为什么我们需要这种Innate土豆?

Innate土豆改善了两个重要的性状:1. 这种土豆可以减少积压导致的黑斑,目前,成千上万吨的土豆都因为压过的土豆都无法进入市场,导致了每年上百万美元的损失。这个性状同样可以防止在土豆切开后变成棕色。2. 这种土豆减少了丙烯酰胺(acrylamide),这种物质在淀粉食物的油炸过程中会产生,并且被怀疑有致癌作用。



让我们来看看这些改善意味着什么:

  • Innate土豆在运输过程中就会减少44%土豆的挤压损伤

  • 种植者,餐馆和零售商可以每年减少收获后400百万磅(2000吨)土豆的损失,消费者丢掉的新鲜土豆仅仅在美国就会减少28%,这就是将近30亿磅(15000吨),没有浪费这些土豆表示更好的土地和资源利用效率,这意味着少用20%的水,化肥和燃料。


2. 为什么叫innate potato?

Innate是Simplot持有的专利技术,可以通过土豆本身的基因实现有利的性状,而不使用来自其他物种的外源基因。通过这种技术得到的土豆不会有环境危害,不会对其他物种产生危害,并且在大规模的田间测试中也表现的普通的土豆一样。


3. 为什么说Innate土豆能减少致癌物质?

在食品工业里有一个很重要的术语,叫做美拉德反应 (Maillard)(图1), 在土豆加热的事后就会产生这个反应,天冬酰胺(Asparagine)是一种氨基酸,当它和还原性糖(土豆中大量的淀粉转化而成的葡萄糖和果糖)共同加热的情况下(比如炸薯条),就会发生美拉德反应产生丙烯酰胺(Acrylamide),而丙烯酰胺是潜在的致癌物质。所以减少天冬酰胺,或者减少糖都可以减少丙烯酰胺的产生(图2)


图1:烤过得香肠又焦又香,这就是美拉德反应。(图片来自wiki, 美拉德反应词条)

图2:天冬酰胺+糖——>丙烯酰胺


3. 通过RNAi减少土豆挤压后变黑和油炸后产生潜在致癌物质的原理:


这个插入的基因来自栽培土豆或者野生土豆(可杂交的亲缘物种)。在插入土豆基因组的时候没有引入外源基因,没有抗生素标记和载体骨架序列。使用的载体叫做PSIM1278, 将两个有沉默功能的模块转入土豆。第一个模块的表达可以降低天冬酰胺合成酶-1(asparagine synthetase-1, Asn1)和多酚氧化酶(polyphenol oxidase-5,Ppo5)基因的转录水平,因此限制了潜在致癌物质丙烯酰胺前提天冬酰胺的形成, 同时还影响了导致土豆挤压后变黑的多酚氧化酶的产生。


第二个模块里同样包含两个功能,一个是通过下调磷酸化酶(phosphorylase-L)和淀粉相关的基因(R1)的转录水平从而减少还原性糖的形成。这个性状是通过减慢淀粉转化成还原性糖(比如葡萄糖和果糖)的速度。转进这两个模块的好处是可以改善品质,尤其是保持颜色,比如消费者喜欢的金黄色的炸薯。同时,也通过减少了和氨基酸反应的还原糖,从而减少了美拉德反应产生的丙烯酰胺。


4. RNAi的原理,见@陆旭 和@真霸道总裁 的答案


负面作用?

说实话我想不出,如果说转外源基因的话(比如著名的Bt蛋白)反对者会拿出“虫子吃了会死,人吃了会怎样”这种说辞,这次用的可是土豆里本身就存在,且可杂交的的cisgenesis技术。就是说这些基因和性状本身就可能通过传统的杂交育种导入,且遗传背景非常单纯。


对其他物种有无参考意义?

有!至少从宣传的角度,跟老百姓讲的时候,说这是土豆里本来就有的,可比讲这事从某个细菌里搞出来的毒性蛋白,我们把它放到了水稻里这样的故事让人心安是吧?


Reference:


1. Q&A with Haven Baker on Simplot’s Innate™ Potatoes « Biology Fortified, Inc.

2. McDonald’s mulling embrace of Simplot’s bruise-reducing Innate GMO potato
3. nytimes.com/2014/11/08/
4. Simplot Plant Sciences