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用科学助力绿色农业 为糖尿病人带来福音

来源:中国科技新闻网    作者:本站编辑    2017-07-06

科技文摘报               田梦

  导语:糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢性疾病。高血糖则是由于胰岛素分泌缺陷或其生物作用受损,或两者兼有引起的。糖尿病时长期存在的高血糖,容易导致各种组织,特别是眼、肾、心脏、血管、神经的慢性损害、功能障碍等,因此糖尿病又被称为“软性癌症”。

  随着社会的发展和人民生活水平的提高,糖尿病已成为危害人民身命健康的头号“杀手”。据统计,我国现已成为全球糖尿病患者人数最多的国家,糖尿病患者人数已达1.14亿,约占全球糖尿病人总数的三分之一,其中II型糖尿病患者占93%-95%。大量的医疗实践证实,医药费的增加并不能使糖尿病等慢性病得到有效控制。为此,有志的科学家决心从源头入手,让糖尿病患者在控制病情的同时, 保障必备营养,将传统“药食同源”理念发扬光大。上海市农业科学院作物育种栽培研究所水稻中心特种稻研究团队积极公关,历时十余年,2009年研发出国内外首个富含抗性淀粉的粳稻“降糖稻1号”,给广大糖尿病患者带来了福音。目前该团队对第一代高抗性淀粉水稻“降糖稻1号”积极改良,培育获得了一大批高产、优质的新品系。

  发扬“药食同源”理念

  稻米是人类最重要的碳水化合物和首要的能量来源之一,在我国,60%以上的人口以稻米为主食。在社会经济快速发展的今天,人民生活水平也在不断提高中,我国以普通大米作主食的消费观念也在发生显著改变。今天,人民对主食大米的要求正在由原先单一的饱腹功能转为集饱腹、美味、营养、保健等一体的复合多功能转变。

  随着大众健康意识的提高,吃饱、吃好、吃出营养、吃出健康已成为现代城乡人的一种消费趋势和潮流。“药食同源”理念自古就是我国传统中医药中的重要组成部分,在新时期,要将这一先进理念发扬光大,就必须从食物的源头入手,从人们每天必不可少的主食入手,培育稻类新品种,从根源上实现营养与健康的合一。

  当糖尿病、肥胖症、高血压、高血脂、心脑血管病等“文明病”日益威胁我国人民生命健康时,改良稻米中的营养成分有利于降低人体对能量的吸收、降低“文明病”的发病率,成为了上海市农业科学院的专家和学者们为之孜孜不倦探索的目标。在这一过程中,提高稻米中抗性淀粉(Resistant starch, RS)含量是一种十分有效可行的办法。因为淀粉是人类食物和能量的主要来源,其进入人体后绝大部分在小肠中酶解,后被消化吸收,小部分进入大肠,在大肠中被微生物发酵利用后排出体外。前者被称为可消化吸收淀粉(DS),后者即是抗性淀粉(RS)。

  抗性淀粉具有降血糖、降血脂、促进肠道健康及促进矿物质的消化和吸收,从而增加营养等多种重要的生理功能。有科学研究发现,高抗性淀粉饮食者与低抗性淀粉饮食者相比,具有较少的胰岛素反应,这对糖尿病患者控制餐后血糖值大有益处。尤其对于非胰岛素依赖型病人而言,通过摄食高抗性淀粉食物,可以延缓或抑制餐后血糖上升,能够有效改善糖尿病患者的病情。

  专家介绍,抗性淀粉不能在小肠被消化吸收和提供葡萄糖,在大肠中可以被生理性细菌发酵,产生短链脂肪酸和气体。抗性淀粉对大米中普通淀粉有包埋作用,可以延缓糖的释放和吸收速度,降低餐后血糖和胰岛素的应答,提高人体对胰岛素的敏感性,使人体促进营养吸收,形成良性循环。抗性淀粉还能延缓普通淀粉在胃和小肠内的消化时间,同时还能防止不能吃主食而造成胃萎缩,维护人体正常消化机能,既能减少糖尿病患者的一日多餐,更有助于糖尿病患者长期控制血糖。因此,高抗性淀粉含量水稻资源的发掘及品种改良已成为国内外的研究热点。

  上海市农业科学院作物栽培育种研究所特种研究团队基于中国传统‘药食同源’先进理念,针对人类防治糖尿病的国际难题,挖掘开发了国内首个高抗性淀粉粳稻品系“降糖稻1号”。同时,他们以高抗性淀粉含量水稻品种为研究对象,通过图为克隆方法国内外首次定位和克隆到控制抗性淀粉合成的基因,并开发相应的功能标记,建立了高抗性淀粉水稻新品种培育的分子标记辅助选择育种体系并培育了优质的高抗性淀粉含量水稻新品种,同时联合企业对高抗性淀粉水稻进行了产业化推广,造福更多的糖尿病患者。。

  科技创新服务健康农业

  具介绍,“降糖稻1号”是国内首个籽粒内抗性淀粉高于普通大米数十倍以上的功能性粳稻新品种,具有改善餐后血糖的稳定的作用,属于具有自主知识产权的高抗性淀粉粳稻新品种,现已获得发明专利。

  这一粳稻新品种的主要创新点在于利用化学诱变技术首次发掘了高抗性淀粉水稻新基因,其抗性淀粉含量高达13%左右,是普通水稻品种的20倍以上。同时利用正向遗传学手段,首次定位、克隆了控制水稻抗性淀粉合成的突变基因sbe3-rs,通过基因功能互补验证证实了候选基因与高抗性淀粉形成之间的真实关系,并基于突变基因开发了功能标记。

  特种稻研究团队利用0.015%N-甲基-N-亚硝基脲(N-methyl-N-nitrosourea,MNU)作为化学诱变剂,选用早熟粳稻品种“花晴稻”受精8小时的幼穗,在厌氧避光条件下浸泡处理45-60分钟,并通过田间多代观察和室内鉴定发掘了遗传稳定的高抗性淀粉突变体,同时利用传统育种技术和花药培养技术培育了高抗性淀粉粳稻新品种“降糖稻1号”。 作为传统与创新技术相结合而诞生的“降糖稻1号”,其抗性淀粉含量高达13%左右,是普通水稻品种的20倍以上。目前临床实验已经证实“降糖稻1号”具有控制糖尿病人餐后血糖、改善血脂、饱腹耐饥饿和防治肠道疾病等功效。

  之后,研究团队又以高抗性淀粉含量材料“降糖稻1号”为母本,与籼稻品系“密阳23”为父本杂交的F2代为定位群体。过对控制抗性淀粉含量的基因进行初步定位,在2号染色体上发现分子标记RM13366和RM6611区间内存在一个与抗性淀粉量相关的QTL,能解释抗性淀粉含量变异的60.4%。这一发现让大家满怀振奋,进而挑选此区段杂合单株,自交后代群体进一步对目的基因精细定位。

  在进一步的探索中,研究人员最终把控制水稻抗性淀粉含量主效基因定位到物理距离约为573kb。通过结合生物信息学工具分析候选区段序列,从相关信息库中搜索573Kb长的定位区段DNA序列,总计找到86个已知和未知基因。这86个基因中只有一个淀粉分支酶基因SBE3与淀粉合成相关。经过测序比对分析,发现位于突变体“降糖稻1号”SBE3基因组DNA第16个外显子区具有一个碱基突变(T→C),该错义突变造成野生型的亮氨酸(Leu)突变为脯氨酸(Pro),该点突变同时还造成SpeI酶切位点的丧失。因而研究组成功定位了控制抗性淀粉合成的基因sbe3-rs。

  在此方面,研究团队还在功能标记开发方面作出了一系列尝试与探索。他们基于sbe3-rs突变位点开发了一个与抗性淀粉性状共分离的CAPS标记,相对于野生型SBE3基因,突变基因sbe3-rs基因第16个外显子第105位处具有T→C的碱基突变,此点突变造成了该位置处的限制性内切酶SpeI的酶切位点丧失。他们设计引物PCR扩增突变位点上下游571bp片段,并采用SpeI酶切,低抗性淀粉含量植株PCR产物的酶切结果有375bp和196bp两条谱带;高抗性淀粉含量植株PCR产物不能被酶切,只有571bp一条谱带;杂合基因型的有3条谱带,新开发的分子标记对F2群体检测结果与抗性淀粉含量测定结果一致,说明该功能标记与高抗性淀粉性状完全共分离,可以用于高抗性淀粉水稻新品种选育。

  同时,研究团队通过农杆菌介导的遗传转化方法把野生型SBE3基因导入突变体“降糖稻1号”中,对后代的种子淀粉粒结构,抗性淀粉含量以及X-ray射线光谱等进行了分析。结果表明:转野生型SBE3基因的后代表型接近野生型,证实了基因和表型间的真实关系。

  除此之外,特种稻课题组还建立了高抗性淀粉常规和杂交水稻分子标记辅助选择育种技术体系:1.根据高抗性淀粉性状基因的遗传特点和与垩白率、垩白度等性状间的高度相关关系以及利用已开发的CAPS/SpeI分子标记,建立了高抗性淀粉含量的水稻分子育种技术体系。2. 建立了高抗性淀粉含量杂交粳稻三系杂交育种技术体系,并获得一个综合农艺性状优良的高抗性淀粉杂交组合RS优1号。

  让成果造福大众

  特种稻研究团队的成员们有一个心愿,他们盼望着能够通过自己的努力加速科技成果转化,让研发的新稻种通过产学研结合,使更多的糖尿病患者受益。为此,他们与科技企业紧密合作进行产品市场开发,在试验示范、无公害生产和农产品质量安全等技术推广领域进行合作。通过“公司+基地+农户”的模式,统一生产规范、技术标准和产品质量标准,带动当地种植业的规模化发展,促进农民增产增收,保证产品质量安全。

  上海昊洋农业科技发展有限公司是课题组的合作企业,独家经营高抗性淀粉含量水稻品种“降糖稻1号”。该公司注册商标,精包装进行了市场销售,商品命名为“优糖米”。2014至2016年期间,累积生产朴博士牌“优糖米”32.66万公斤,增加社会经济效益1320.5万元,其中企业新增利润174.6万元。

  实践表明,“优糖米”的抗性淀粉含量比一般稻米高20倍以上,是低GI食物(48.53±17.94),食用该稻米2型糖尿病人的平均血糖值的升高与降低速度变化较为稳定。对一定规模的2型糖尿病人开展长达24周以上的长效跟踪食用试验结果表明,长期食用高抗性淀粉“优糖米”能有效控制餐后血糖。

  目前,已有数千人次糖尿病人食用了优糖米,该稻米表现出很稳定功能,很好地解决了糖尿病人吃饭难问题,减少了药物带来的副作用,并提高了生活质量。但该品种产量低,熟期晚,不抗病,不抗倒伏、出糙率和出米率低,在推广方面仍有不足。为此,研究团队在已有材料和技术研究基础上,通过广泛收集和引进优质、高产、多抗、优异的适合不同地区种植的水稻种质,与降 “糖稻1号”杂交、回交,并结合分子标记辅助选择技术,改良创造出一批具有高产潜力,多抗的,且适应不同生态条件的高抗性淀粉含量的粳稻材料。他们希望能够在农民增收、企业增效以及广大糖尿病患者减轻病情方面发挥更大作用,让科学为民生健康提供更多助力。

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