王盼娣, 侯应霞，熊小娟, 吴刚*，刘芳*
（1.中国农业科学院油料作物研究所，农业农村部油料作物生物学与遗传育种重点实验室，湖北 武汉，430062；2.湖北省农业科技人才办公室，湖北 武汉，430070）
基金项目：转基因生物新品种培育重大专项(SQ2019ZD080018)
作者简介：王盼娣（1989-），女，硕士，助理研究员，主要从事基因工程与转基因安全评价研究，E-mail：wangpandi@caas.cn
通讯作者：吴刚（1976-），男，研究员，博士生导师，主要从事基因工程与转基因安全评价研究，E-mail：wugang@caas.cn；
刘芳（1979-），女，副研究员，硕士生导师，主要从事基因工程与转基因安全评价研究，E-mail： liufang03@caas.cn.
[摘 要] DHA和EPA是主要的ω-3系长链多不饱和脂肪酸（LCPUFA），对人类健康和发育有着重要作用。DHA和EPA主要存在于海鱼、微藻中，但由于海洋资源的日益减少，人类的需求不断增大，寻找可持续且稳定的来源成为当务之急。利用基因工程技术获得富含DHA和EPA的转基因油菜，具有重要的应用价值和前景。本文简要介绍了DHA和EPA的重要性、来源和合成途径，并归纳了近几年转基因油料作物合成DHA和EPA的主要研究成果，最后对新型转基因油菜的安全评价提出建议和展望。
[关键词] 油料作物；转基因油菜；长链多不饱和脂肪酸；DHA；EPA；安全评价
中图分类号：S565.4 文献标识码：A
转基因作物自1996年获得商业化种植的批准后，全球种植面积已累计达400多亿亩，有29个国家种植转基因作物，还有40多个国家和地区进口转基因产品，目前种植的主要转基因作物是大豆、玉米、棉花和油菜[1]，而这些又都可以用于油脂加工。玉米油含有较多的多不饱和脂肪酸和维生素E，但是不耐热，适用于沙拉油或色拉油；棉籽油需要先清除棉酚等有毒物质，精炼后方可供人食用，但是精炼工艺较为复杂；大豆油与菜籽油是市场最常见的两种植物性食用油，其中菜籽油比大豆油的热稳定性好，而且菜籽油比大豆油有更高的吸收率，高达99%，因此高品质转基因菜籽油的研发具有很好的市场前景[2]。油菜是四大油料作物之一，也是我国第一大油料作物，全球种植油菜面积约5亿亩，30%以上都是转基因油菜，转基因油菜主要用于榨取食用油、动物饲料、生产人造黄油和人造蛋白等，此外，还可用于橡胶、化工、纺织、医药等，具有重要的经济价值。随着生物技术的快速发展，转基因油菜的关注点也从提高产量、增强抗性过度为营养品质改良，培育新型的转基因油菜[3]，如高蛋白油菜，低芥酸、低硫苷油菜，富含DHA（Docosahexaenoic Acid，二十二碳六烯酸）和EPA（Eicosapentaenoic Acid，二十碳五烯酸）的转基因油菜等。
1 DHA和EPA的重要性及来源
长链多不饱和脂肪酸（long chain polyunsaturated fatty acids，LCPUFA）主要是指含双键至少两个，且碳链长度为18至22个碳原子的直链脂肪酸。根据第一个双键位置又分为ω-3系、ω-6系、ω-9等。DHA和EPA是主要的ω-3系多不饱和脂肪酸，具有多种生物学活性，DHA也被称为“脑黄金”，是大脑、视网膜等神经系统膜磷脂的重要构成成分，对脑神经生长发育、婴儿视觉发育、调节血脂至关重要，而且也能增强人体的免疫能力、抗过敏能力等；EPA也被称为“血管清道夫”，能够降低胆固醇和甘油三脂的含量，促进体内饱和脂肪酸的代谢，预防脑血栓[4]。DHA和EPA是全球公认的人类健康的重要组成部分，DHA不能通过人类自身合成，EPA虽然可以通过亚麻酸（Linolenic Acid，十八碳三烯酸）在人体内转化获得，但是反应速率太低，远不能满足人类对EPA的需求，主要通过食物直接摄食以满足人体所需。基于心脏健康，全球DHA、EPA、ω-3组织推荐成人每人每天应摄入500mg[5]，高血压、高血脂等患者，每人每天可摄入1000mg。但是，目前人类对于DHA和EPA的摄入量远远不够，一般食物中，DHA和EPA的含量非常低。
DHA和EPA主要存在于海鱼（鲑鱼、金枪鱼等）和微藻中，而海鱼中的DHA和EPA也不是通过自身合成，是通过食用富含DHA和EPA的微藻后体内转化积累而成。微藻内油脂含量较高，被认为是最具发展潜力的油脂资源，但是大多数微藻都具有由纤维素和果胶组成的细胞壁，对于萃取DHA和EPA有一定难度，而且微藻因种类、生长环境等不同，也不能采用统一的高效萃取方法[６]。目前水产养殖业已成为人类所需DHA和EPA的主要来源，通过喂食富含DHA和EPA的饲料，确保养殖鱼中含有较高的DHA和EPA，而富含DHA和EPA的饲料也主要来源于鱼粉、鱼油，因此水产养殖业也成为养殖鱼所需DHA和EPA的主要来源。而随着海洋污染日益严重，人口不断增长，需求量越来越大，只依靠水产养殖业提供DHA和EPA不是可持续发展的策略。因此寻找新的DHA和EPA供应源，是近几年的研究热点。目前主要有两种方法：一是应用现代技术“养殖”微藻，如通过微生物基因工程，但是该方案需要提高工业技术，如配备大的生物发酵罐、精炼方法等；二是利用分子生物学技术和成熟的转化平台，将生产DHA和EPA的微藻内基因转入油料作物。
近几年也发现和研发了一些新的DHA和EPA来源，主要是一些微藻、转基因酵母和转基因油料作物[7]。微藻主要被用作水产饲料，有些新来源-微藻虽然已经是商业产品，但是由于一些美国微藻工厂的关闭，将来只会越来越少。而且有些微藻只富含DHA而没有EPA。然而如果通过转基因油料作物获得DHA和EPA，由于油料作物的种植、收获、加工、相关设施等相对完善，更容易大规模生产[8]。目前富含DHA和EPA的转基因油料作物主要被用作水产饲料，其可以直接替代目前使用的油，即鱼油与植物油的混合物，通过喂食这些饲料可以提高养殖鱼鱼油中的DHA和EPA含量再供人类使用；此外，转基因作物经过提取纯化后，制成可供直接服用的DHA和EPA油添加到婴幼儿奶粉、膳食补充剂、药品等中。
2 DHA和EPA的合成途径
DHA和EPA都以必需脂肪酸亚油酸和亚麻酸为前体物质，丙二酸单酰辅酶A为供体，在脂肪酸脱氢酶和脂肪酸延长酶的交替催化作用，经过一系列的氧去饱和反应和延伸反应，最终生成DHA和EPA[9]，也称为需氧型途径。动物体内，由于缺乏油酸脱氢酶，不能生成亚油酸和亚麻酸，这两种必需脂肪酸只能通过从食物中摄食，进一步合成DHA和EPA，但是合成效率较低。高等植物则完全不能合成DHA和EPA。在低等生物中，EPA可在脂肪酸延长酶和脂肪酸脱氢酶的作用下，直接转化合成DHA。在海洋微生物体内，还存在一种相对简单的厌氧型合成途径，也是以乙酰辅酶A为最初底物，丙二酸单酰辅酶A为供体，经过一系列的缩合、脱水、还原等反应延长碳链，最终合成DHA和EPA，但是该途径需要一种关键酶，即聚酮体合成酶（polyketide synthase，PKS） [10]。
3 转基因油料作物合成DHA和EPA的研究进展
在过去十几年，科学家们[11-13]已证实将微藻内合成DHA和EPA的相关去饱和酶基因和延长酶基因，转化大肠杆菌、拟南芥、亚麻籽等后成功生成EPA，但是含量较少。2005年，Robert等[14]人将斑马鱼、秀丽线虫和微藻内的相关去饱和酶基因和延长酶基因转入拟南芥，成功获得0.5%的DHA，虽然DHA含量较低，但也成功证明转基因植物可以合成DHA和EPA。近几年，科学家通过转基因技术，致力于提高油料作物中DHA和EPA产量，并取得了很好地研究成果，详细可见表1。
表1：近几年转基因油料作物合成DHA和EPA的研究进展
亚麻荠是世界范围内种植最广泛的油料作物之一，然而亚麻荠含有较多的“抗营养因子”，如生物碱、酚类化合物、胰蛋白酶抑制剂、葡萄糖苷等。油菜含有油酸、亚麻酸、亚油酸等多不饱和脂肪酸，可通过基因工程的方式最终生成DHA和EPA，而且油菜种质及遗传资源发达，种子产量每亩高达0.27吨，种子含油量高达45%，具有广泛的农艺和地理适应性，因此，油菜可能成为生产DHA和EPA的理想作物。而且已有实验表明，将鱼油添加在调和油中具有较高的热稳定性及安全性。为了尽快商业化生产富含DHA和EPA的转基因油菜，还需要对目标基因进一步优化，虽然基因名称相同，作用相同，但来源不同，合成DHA和EPA的效率也不同，同时，还需要减少营养价值低的中间产物和副产物的产生，如EDA（Eicosadioic Acid，二十碳二烯酸）、ETA（Eicosatetraenoic acid，二十碳四烯酸）等。
4 富含DHA和EPA转基因油菜的安全评价
转基因生物一直是社会公众及监管机构关注的重点。支持者认为，随着人口不断增多，为满足所需的营养物质，可对食品进行转基因实验。但反对者认为，这种实验是不道德的，主要是担心对生态系统构成风险。科学家们大多认为转基因食品不会对人类消费构成特殊风险，即使存在某些风险，如致敏性，也早已备案并采取措施避免这种风险，因而认为转基因食品是可以食用的[15]。
DHA和EPA主要存在于水生环境中，在陆生初级生产者中几乎没有。将DHA和EPA引入陆地生态系统，担心因素主要有两个：一是引入的高生物活性的营养物质对于陆地生态系统的初级生产者及食草昆虫消费者是陌生的；二是新型转基因作物潜在的生态影响和进化后果，如基因漂流。目前对于富含DHA和EPA的转基因油菜，更应该关注的是引入新的生物活性营养物质后潜在的风险，而不是基因操作。在水生无脊椎动物中，DHA和EPA可以提高生长、繁殖率的总体生存率，对于不能获得DHA和EPA的陆生动物，需要了解食用DHA和EPA后产生的潜在生理影响。首先，针对完全食用转基因油菜种子的食草昆虫，尝试用Hixson等[16]给菜粉蝶人工喂食DHA和EPA的实验方案，研究其对生长和发育的影响，此外，还需确定除了种子外，DHA和EPA是否还在其他组织中产生，食用这些组织的害虫等是否也会受到影响；然后，直接使用转基因油菜进行试验；最后，设计方案研究跨营养系统的影响，如给无脊椎动物喂食转基因油菜转换为给脊椎动物喂养。此外，监管机构应鼓励科学家从事相关研究，并谨慎对待富含DHA和EPA的新型转基因油菜，尤其是进行相关的田间试验时，最好在相对安全的温室内进行，除非能确保DHA和EPA不会对陆生生态系统产生实质性的有害影响[17]。
5 总结与展望
DHA和EPA 对人类健康有着重要作用，为了满足对其的大量需求，寻找稳定的、可持续的来源已成为研究重点。实验证明用ω-3系长链多不饱和脂肪酸含量超过25%的转基因亚麻荠油喂食鲑鱼后，鱼体内的DHA和EPA含量增加了一倍[18]。并且从转基因亚麻荠中提取的富含DHA和EPA的油，喂食大西洋鲑鱼和鲷鱼后，不会对鱼的生长、发育产生不利影响[19]。油菜由于产油量高、生产成本相对较低、含有多种多不饱和脂肪酸，转基因油菜将是未来可持续的、稳定的、陆生生物DHA和EPA的主要来源。
参考文献
[1] Kumar K, Gambhir G, Dass A, et al. Genetically modified crops: current status and future prospects[J]. Planta, 2020, 251(91):1-27.
[2] 李殿荣, 张耀文, 张文学, 等. 提高油菜亚麻酸含量,增强菜籽油健康功能[J]. 农业科学, 2019, 9(11):1026-1031.
[3] Macdonald C, Colombo S, Arts M T. Genetically Engineered Oil Seed Crops and Novel Terrestrial Nutrients: Ethical Considerations[J]. Science and Engineering Ethics, 2019, 25:1485-1497.
[4] 许友卿, 张海柱, 丁兆坤, 等. 二十二碳六烯酸和二十碳五烯酸研究进展[J]. 生物学通报, 2007, 42(11):13-15.
[5] Tocher D R, Betancor M B, Sprague M, et al. Omega-3 Long-Chain Polyunsaturated Fatty Acids, EPA and DHA: Bridging the Gap between Supply and Demand[J]. Nutrients, 2019, 11(89):1-20.
[6] 刘艺琳, 陈弘培, 龚世禹, 等. 微藻油的提取与功能研究进展[J]. 食品工业科技, 2019, 40(05):339-343+348.
[7] Betancor, Monica, Li, et al. Oil from transgenic Camelina sativa containing over 25 % n-3 long-chain polyunsaturated fatty acids as the major lipid source in feed for Atlantic salmon (Salmo salar) (Forthcoming)[J]. Br J Nutr, 2018, 119：1378–1392.
[8] Berge G M , Hatlen B , Odom J M , et al. Physical treatment of high EPA Yarrowia lipolytica biomass increases the availability of n-3 highly unsaturated fatty acids when fed to Atlantic salmon[J]. Aquaculture Nutrition, 2013, 19:110-121.
[9]李文宗, 王磊. 长链多不饱和脂肪酸 EPA,DHA 的基因工程研究进展[J]. 生物技术通报, 2016, 32（8）：1-7.
[10] Bentley R, Bennett J W. Constructing Polyketides: From Collie to Combinatorial Biosynthesis[J]. Annual Review of Microbiology, 1999, 53(1):411-446.
[11] Metz J G . Production of Polyunsaturated Fatty Acids by Polyketide Synthases in Both Prokaryotes and Eukaryotes[J]. Science, 2001, 293(5528):290-293.
[12] Qi B X, Fraser T, Mugford S, et al. Production of very long chain polyunsaturated omega-3 and omega-6 fatty acids in plants.[J]. Nature Biotechnology, 2004, 22:739–745.
[13] Abbadi A. Biosynthesis of Very-Long-Chain Polyunsaturated Fatty Acids in Transgenic Oilseeds: Constraints on Their Accumulation W[J]. The Plant Cell, 2004, 16(10):2734-2748.
[14] Robert S S , Singh S P , Zhou X R , et al. Metabolic engineering of Arabidopsis to produce nutritionally important DHA in seed oil[J]. Functional Plant Biology, 2005, 32: 473–479.
[15] Wu G , Truksa M , Datla N , et al. Stepwise engineering to produce high yields of very long-chain polyunsaturated fatty acids in plants[J]. Nature Biotechnology, 2005, 23(8):1013-1017.
[16] Cheng B F, Wu G H, Vrinten P, et al. Towards the production of high levels of eicosapentaenoic acid in transgenic plants:the effects of different host species, genes and promoters[J].Transgenic Res, 2010, 2:221-229.
[17] Petrie J R, Shrestha P, Belide S, et al. Metabolic Engineering Camelina sativa with Fish Oil-Like Levels of DHA[J]. Plos One, 2014, 9(4):e95409.
[18] Noemi, Ruiz-Lopez, Richard, et al. Successful high-level accumulation of fish oil omega-3 long-chain polyunsaturated fatty acids in a transgenic oilseed crop[J]. The Plant Journal, 2013, 77(2):198-208.
[19] Ruiz-Lopez N , Haslam R P , Usher S , et al. An alternative pathway for the effective production of the omega‐3 long‐chain polyunsaturates EPA and ETA in transgenic oilseeds[J]. Plant Biotechnology Journal, 2016, 13(9):1264-1275.
[20] Walsh T A, Bevan S A, Gachotte D J, et al. Canola engineered with a microalgal polyketide synthase-like system produces oil enriched in docosahexaenoic acid[J]. Nature Biotechnology, 2016, 34:881-887.
[21] Usher S, Han L, Haslam R P, et al. Tailoring seed oil composition in the real world: optimising omega-3 long chain polyunsaturated fatty acid accumulation in transgenic Camelina sativa[J]. Scientific Reports, 2017, 7(1):6570.
[15] Chen K, Gao C. Targeted genome modification technologies and their applications in crop improvements[J]. Plant Cell Reports, 2014, 33(4):575-583.
[16] Hixson S M, Kruti S, Campbell L G, et al. Long-Chain Omega-3 Polyunsaturated Fatty Acids Have Developmental Effects on the Crop Pest, the Cabbage White Butterfly Pieris rapae[J]. Plos One, 2016, 11(3):e0152264.
[17] Macdonald C, Colombo S, Arts M T. Genetically Engineered Oil Seed Crops and Novel Terrestrial Nutrients: Ethical Considerations[J]. Science and Engineering Ethics, 2019, 25(5)：1485-1497.
[18] Betancor, Monica, Li, et al. Oil from transgenic Camelina sativa containing over 25 % n-3 long-chain polyunsaturated fatty acids as the major lipid source in feed for Atlantic salmon (Salmo salar) (Forthcoming)[J]. Br J Nutr, 2018, 119(12):1378-1392.
[19] Tocher D R, Betancor M B, Sprague M, et al. Omega-3 Long-Chain Polyunsaturated Fatty Acids, EPA and DHA: Bridging the Gap between Supply and Demand[J]. Nutrients, 2019, 11(1):89.
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