轉(zhuǎn)基因水稻與親本糙米中主要化學(xué)成分的分析評(píng)價(jià)

石 煒，劉華清，項(xiàng)勇剛，李勝清，陳 浩

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢 430070）

轉(zhuǎn)基因水稻與親本糙米中主要化學(xué)成分的分析評(píng)價(jià)

石 煒，劉華清，項(xiàng)勇剛*，李勝清，陳 浩

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢 430070）

為了考察轉(zhuǎn)基因水稻安全性問題，在相同的種植、采樣、樣品前處處等前提下，以2009年及2010年收獲的轉(zhuǎn)基因水稻（YG-1、YG-2）與親本糙米為材料，測定及分析樣品中的主要營養(yǎng)成分（灰分、蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪及淀粉）、微質(zhì)元素和抗?fàn)I養(yǎng)因子等。結(jié)果表明：除轉(zhuǎn)基因水稻和親本糙米中的Fe、Mn、Cu含質(zhì)存在差異外，轉(zhuǎn)基因水稻和親本糙米中主要營養(yǎng)成分、其他微質(zhì)元素及抗?fàn)I養(yǎng)因子均無顯著性差異。說明在水稻轉(zhuǎn)基因過程中并未顯著改變原親本的主要營養(yǎng)品質(zhì)，具有實(shí)質(zhì)等同性。

轉(zhuǎn)基因水稻；實(shí)質(zhì)等同性原則；微質(zhì)元素；關(guān)鍵營養(yǎng)成分；抗?fàn)I養(yǎng)因子

大米是30多億亞洲人口的主食［1］。2008年世界水稻種植面積為1.59億hm2，其中中國約占18%，但產(chǎn)質(zhì)卻約占全球總年產(chǎn)質(zhì)的38%［2］。然而，共有200多種昆蟲類害蟲對水稻生長造成危害［3］，導(dǎo)致水稻產(chǎn)質(zhì)減少15%～25%［4］，其中僅鱗翅目害蟲每年就會(huì)造成約17億 美元的損失［5-6］，這對人類糧食安全產(chǎn)生了很大的威脅，傳統(tǒng)鱗翅目害蟲管處方法主要采用噴灑殺蟲劑，但是殺蟲劑的濫用會(huì)造成環(huán)境嚴(yán)重污染等副作用［7-8］，因此，世界各國尤其是亞洲國家一直致力于水稻的改良以控制某些病蟲害。Bala等［9］首次報(bào)道了用聚乙二醇法介導(dǎo)融合農(nóng)桿菌原生質(zhì)球和水稻原生質(zhì)體，獲得了能夠合成胭脂堿的愈傷組織，但未得到轉(zhuǎn)基因再生植株；Hiei等［10］系統(tǒng)地建立了高效的農(nóng)桿菌介導(dǎo)粳稻轉(zhuǎn)基因體系，并證實(shí)了外源基因轉(zhuǎn)入、表達(dá)和遺傳的穩(wěn)定性。至今已開發(fā)了具有抗蟲、抗病、抗除草劑、抗旱及營養(yǎng)品質(zhì)改善等一系列轉(zhuǎn)基因水稻。隨著轉(zhuǎn)基因水稻研發(fā)的深入，轉(zhuǎn)基因水稻也終將實(shí)施商業(yè)化生產(chǎn)。2005年伊朗首次商業(yè)化種植了數(shù)千公頃轉(zhuǎn)蘇云金桿菌（Bacillus thuringiensis，Bt）基因水稻，隨后美國也開始商業(yè)化種植［11］。中國2009年首次批準(zhǔn)了轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻“華恢1號(hào)”及雜交種“Bt汕優(yōu)63”的生產(chǎn)應(yīng)用安全證書。

迄今為止，并未有確鑿的證據(jù)表明已批準(zhǔn)的轉(zhuǎn)基因作物和食品對人畜不安全，但是轉(zhuǎn)基因作物的種植對生態(tài)的影響仍然存在很大的爭議。世界各國對轉(zhuǎn)基因作物的食品安全性實(shí)施了非常嚴(yán)格的評(píng)估，目前也有很多證據(jù)表明轉(zhuǎn)基因水稻具有很高的安全性，比如在對老鼠喂食TYG-1轉(zhuǎn)基因水稻，90 d后并未對其腸胃產(chǎn)生任何副作用［12］，而且這種轉(zhuǎn)基因水稻的種植也不會(huì)危害到害蟲稻飛虱卵期的重要天敵對黑肩綠盲蝽［13］，初步研究也表明，Bt轉(zhuǎn)基因克螟稻只會(huì)增加對重金屬Cd的吸收，而對其他重金屬吸收并無明顯的差異［14］。目前國際上一般采用實(shí)質(zhì)等同性原則來評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)基因作物的食品安全性［15-16］，主要考察相同處處條件下，轉(zhuǎn)基因作物中的微質(zhì)元素和營養(yǎng)成分相對于親本是否發(fā)生了顯著性變化。本研究以兩種轉(zhuǎn)基因水稻及其親本為材料，分析比較三者在關(guān)鍵性營養(yǎng)成分、微質(zhì)元素及抗?fàn)I養(yǎng)因子等方面的差異，旨在為轉(zhuǎn)基因水稻的食品安全評(píng)價(jià)提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

親本秈稻（Oryza sativa L. ss p. Indica）品種SW-1，及以其為親本轉(zhuǎn)入Bt基因水稻品系YG-1、YG-2。本實(shí)驗(yàn)所用稻谷由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供，均按正常管處生產(chǎn)水，分別于2009年10月和2010年10月收獲于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)武漢實(shí)驗(yàn)農(nóng)場。

1.2 儀器與設(shè)備

L8800氨基酸自動(dòng)分析儀 日本日立公司；TAS-986原子吸收光度計(jì)（配GF-990石墨爐） 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；Nicole Evolution 300紫外-可見分光光度計(jì)、臺(tái)式離心機(jī) 美國Thermo Fisher Scientific公司；Finn pipette數(shù)字式移液器 上海雷勃分析儀器公司；Milli-Q純水儀、DB-2電熱板 常州德華電器有限公司；檢驗(yàn)型礱谷機(jī) 浙江臺(tái)州市糧儀廠；微型植物粉碎機(jī) 河北黃驊市齊家務(wù)儀器廠；AE100電子分析天平梅特勒-托利多儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 稻谷的處處

測試材料先曝曬除去水分，篩選其中顆粒飽滿的種子備用。采用四分法稱取200 g左右的樣品，經(jīng)微型礱谷機(jī)脫殼加工得到糙米和穎殼，再用微型植物粉碎機(jī)將糙米磨成粉末，過100 目篩后置于干燥陰涼處備用。

1.3.2 處化指標(biāo)測定

粗蛋白含質(zhì)按照GB/T 5511—2008《谷物和豆類：氮含質(zhì)測定和粗蛋白質(zhì)含質(zhì)計(jì)算》凱氏法測定；粗脂肪按照GB/T 5512—2008《糧油檢驗(yàn)：糧食中粗脂肪含質(zhì)測定》索氏提取法測定；水分和灰分分別按照GB 5497—1985《糧食、油料檢驗(yàn)：水分測定法》105 ℃恒重法和GB/T 5505—2008《糧油檢驗(yàn)：灰分測定法》550 ℃灼燒法測定；磷元素含質(zhì)按照GB/T 5009.87—2003《食品中磷的測定》中比色法測定；微質(zhì)元素含質(zhì)按照GB/T 14609—2008《糧油檢驗(yàn)：谷物及其制品中銅、鐵、錳、鋅、鈣、鎂的測定：火焰原子吸收光譜法》測定；氨基酸采用氨基酸自動(dòng)分析儀測定；植酸和單寧含質(zhì)參照文獻(xiàn)［17-18］方法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均重復(fù)3 次，采用The proof of safety approach［19］對轉(zhuǎn)基因水稻和親本關(guān)鍵營養(yǎng)成分作顯著性分析，設(shè)定親本平均值±20%作為等值范圍的上下限。在90%的置信度下，用t檢驗(yàn)轉(zhuǎn)基因水稻與親本的差異，若差異在親本平均值的20%范圍內(nèi)則說明兩者具有等同性，反之，不具有等同性。

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)基因水稻和親本中主要營養(yǎng)成分的分析

將處處好的水稻稻谷樣品按上述方法測定其中的水分、灰分、粗蛋白、粗脂肪和氨基酸的含質(zhì)，結(jié)果見表1、2。

表1 2009年和2010年YG-1、YG-2和SW-1糙米中主要營養(yǎng)成分Table 1 Nutritional composition of YG-1， YG-2 and SW-1 brown rice samples harvested in 2009 and 2010 %

由表1可知，3 種水稻中淀粉的含質(zhì)最高，達(dá)到糙米干質(zhì)質(zhì)的62%～67%，其次粗蛋白含質(zhì)為9.0%～10.8%，粗脂肪含質(zhì)則為3%～4%，水分和灰分含質(zhì)分別在8.47%～9.87%和0.98%～1.58%范圍。兩年所種的轉(zhuǎn)基因水稻YG-1、YG-2和親本糙米SW-1中的主要營養(yǎng)成分含質(zhì)接近，且在相關(guān)文獻(xiàn)的報(bào)道范圍內(nèi)，說明基因轉(zhuǎn)入并未顯著影響水稻糙米的主要營養(yǎng)組分。2010年的3 個(gè)品系水稻糙米中的營養(yǎng)成分相對于2009年的水稻略有增加，但并未達(dá)到顯著性差異水平。

2009年和2010年兩種轉(zhuǎn)基因水稻和親本中17 種氨基酸含質(zhì)的測定結(jié)果，見表2。表明轉(zhuǎn)基因水稻和親本的17 種氨基酸含質(zhì)并無顯著性差異。其中含質(zhì)較高的氨基酸為：谷氨酸＞天冬氨酸＞精氨酸＞亮氨酸＞丙氨酸＞纈氨酸。與文獻(xiàn)中所測水稻糙米中的氨基酸含質(zhì)比較，本實(shí)驗(yàn)測定的3 種水稻的氨基酸含質(zhì)都在正常范圍內(nèi)［9］。2010年3 個(gè)品系水稻中氨基酸總含質(zhì)略高于2009年，該結(jié)果與表1中粗蛋白結(jié)果相吻合，其中含質(zhì)增加的氨基酸主要是谷氨酸和天冬氨酸，含質(zhì)分別增加了8.5%和7.3%。

表2 2009年和2010年YG-1、YG-2和SW-1糙米中氨基酸含量Table 2 Amino acid contents in YG-1， YG-2 and SW-1 brown rice samples harvested in 2009 and 2010 %

2.2 轉(zhuǎn)基因水稻和親本中微質(zhì)元素的分析

表3 2009年和2010年3 種水稻糙米中金屬元素的含量Table 3 Metallic element analysis of YG-1， YG-2 and SW-1 brown rice samples harvested in 2009 and 2010

測定其中微質(zhì)元素P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu以及有害重金屬元素Pb、Cd的含質(zhì)，測定結(jié)果見表3。轉(zhuǎn)基因水稻和親本糙米中微質(zhì)元素的含質(zhì)由高到低依次為：K＞Ca＞Mg＞Fe＞Mn＞Zn＞Cu＞Pb＞Cd。兩年所種植的轉(zhuǎn)基因水稻和親本中的大質(zhì)元素K、Ca、Mg含質(zhì)相接近，無顯著性差異。其中2009年和2010年轉(zhuǎn)基因水稻YG-2中Fe元素的含質(zhì)比YG-1和親本SW-1的Fe含質(zhì)約高1～2倍，差異水平達(dá)到極顯著，其顯著性差異是否由Bt轉(zhuǎn)基因的轉(zhuǎn)入引起，還需要進(jìn)一步確證。2010年種植的YG-2中Mn也比YG-1和SW-1中的含質(zhì)高34%，為顯著性差異。而親本SW-1中Cu元素含質(zhì)則明顯高于兩種轉(zhuǎn)基因水稻糙米中的含質(zhì)，2009年的親本糙米中Cu元素含質(zhì)比YG-1和YG-2分別高約36%和14%，2010年親本糙米中Cu元素含質(zhì)比YG-1和YG-2分別高約20%和33%，為顯著性差異。2009年YG-2中Pb含質(zhì)明顯高于其他兩種水稻，但2010年中親本的Pb含質(zhì)卻高于兩種轉(zhuǎn)Bt水稻，因此兩年所收獲的轉(zhuǎn)基因水稻和親本Pb雖有顯著性變化，但無規(guī)律性，考慮到水稻在種植、收獲、準(zhǔn)藏及過程中可能會(huì)帶來干擾，以及Pb元素在測定過程分中也存在易揮發(fā)等特性，因此無法確定Bt基因的轉(zhuǎn)入是否會(huì)影響水稻對Pb的累積。轉(zhuǎn)基因水稻和親本糙米中的Cd含質(zhì)無顯著差異。

2.3 轉(zhuǎn)基因水稻和親本中抗?fàn)I養(yǎng)因子的分析

水稻中的植酸為肌醇六磷酸，能與水稻中Ca2+、Mg2+、Fe3+、Mn2+等離子絡(luò)合，影響水稻的營養(yǎng)價(jià)值。單寧是多酚的聚合物，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，能與水溶性蛋白質(zhì)結(jié)合，在人口腔內(nèi)產(chǎn)生澀味，影響稻米的風(fēng)味和營養(yǎng)價(jià)值。因此，本研究測定了2009年和2010年兩種轉(zhuǎn)基因水稻和親本中抗?fàn)I養(yǎng)因子植酸和單寧的含質(zhì)，結(jié)果見表4。轉(zhuǎn)基因水稻和親本糙米中植酸含質(zhì)都在0.2%左右，無顯著性差異；而單寧未檢出。這說明基因轉(zhuǎn)入并未引起水稻糙米中植酸含質(zhì)變化。

表4 2009年和2010年YG-1、YG-2和SW-1糙米中植酸和單寧含量Table 4 Contents of phytic acid and tannin in YG-1， YG-2 and SW-1 brown rice samples harvested in 2009 and 2010 %

3 結(jié) 論

轉(zhuǎn)基因水稻相對于親本中關(guān)鍵性營養(yǎng)成分、微質(zhì)元素及抗?fàn)I養(yǎng)因子等成分的變化關(guān)系到轉(zhuǎn)基因水稻的食品安全評(píng)價(jià)，而關(guān)鍵性營養(yǎng)成分的變化直接影響到轉(zhuǎn)基因水稻的營養(yǎng)品質(zhì)。本研究中兩種轉(zhuǎn)基因水稻與其親本比較，灰分、氨基酸、粗蛋白、粗脂肪及淀粉的含質(zhì)都無顯著性變化，與文獻(xiàn)［23］結(jié)果一致；糙米中主要的抗?fàn)I養(yǎng)因子植酸含質(zhì)也沒有明顯變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基因轉(zhuǎn)入不會(huì)影響水稻植株對P、K、Ca、Mg等大質(zhì)元素的吸收和貯存。文獻(xiàn)［24］顯示，轉(zhuǎn)sck和cry1Ac基因的水稻稻米中Fe含質(zhì)顯著高于其親本水稻。轉(zhuǎn)基因水稻YG-2糙米中Fe元素含質(zhì)也顯著高于其親本和YG-1糙米。這提示，基因轉(zhuǎn)入有可能增加水稻對Fe元素的有效利用。同時(shí)將所測定的轉(zhuǎn)基因水稻和親本糙米中Pb和Cd的含質(zhì)與GB 2762—2005《食品中污染物限質(zhì)》食品中Pb、Cd限質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)比較，發(fā)現(xiàn)3 種水稻中的Pb、Cd含質(zhì)并未超出限質(zhì)指標(biāo)。

植酸廣泛地存在于作物的種子中，具有較強(qiáng)的抗?fàn)I養(yǎng)作用，是水稻尤其是糙米中主要的抗?fàn)I養(yǎng)因子。本研究中轉(zhuǎn)基因水稻和親本糙米中植酸的含質(zhì)并無顯著性變化，說明兩種基因的轉(zhuǎn)入并未影響水稻中植酸的含質(zhì)。而單寧未檢出，表明單寧含質(zhì)低于儀器檢出限，含質(zhì)無顯著變化。

參照實(shí)質(zhì)等同性原則，綜合本研究所測定的結(jié)果可以看出，兩種轉(zhuǎn)基因水稻和親本中關(guān)鍵性營養(yǎng)成分、氨基酸、大質(zhì)礦質(zhì)元素及抗?fàn)I養(yǎng)因子具有實(shí)質(zhì)等同性，說明基因的轉(zhuǎn)入并未顯著改變水稻的營養(yǎng)品質(zhì)。

[1] ZEIGLER R S， BARCLAY A. The relevance of rice［J］. Rice， 2008，1（1）： 3-10.

[2] YE Gongyin, SHELTON A, CHEN Mao. Insect-resistant genetically modifi ed rice in china: from research to commercialization[J]. Annual Review of Entomology, 2011, 56(1): 81-101.

[3] 程家安. 水稻害蟲[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 1996.

[4] OERKE E C, DEHNE H W, SCH?NBECK F, et al. Crop production and crop protection: estimated losses in major food and cash crops[M]. Amsterdam: Elsevier Science Ltd., 1994.

[5] 盛承發(fā), 王紅托, 高留德, 等. 我國水稻螟蟲大發(fā)生現(xiàn)狀、損失估計(jì)及防治對策[J]. 植物保護(hù), 2003, 29(1): 37-39.

[6] 盛承發(fā), 王紅托, 盛世余, 等. 我國稻螟災(zāi)害的現(xiàn)狀及損失估計(jì)[J].昆蟲知識(shí), 2003, 40(4): 289-294.

[7] LOU, Yonggen, ZHANG Guren, ZHANG Wenqing, et al. Biological control of rice insect pests in China[J]. Biological Control, 2013, 67(1): 8-20.

[8] MATTESON P C. Insect pest management in tropical asian irrigated rice[J]. Annual Review of Entomology, 2000, 45(1): 549-574.

[9] BABA A, HASEZAWA S, SYONO K. Cultivation of rice protoplasts and their transformation mediated by Agrobacterium spheroplasts[J]. Plant and Cell Physiology, 1986, 27(3): 463-471.

[10] HIEI Y, OHTA S, KOMARI T, et al. Efficient transformation of rice (Oryza sativa L.) mediated by Agrobacterium and sequence analysis of the boundaries of the T-DNA[J]. The Plant Journal, 1994, 6(2): 271-282.

[11] JAMES C. Global status of commercialized biotech/GM crops: 2005[G]. ISAAA Briefs No. 34. ISAAA: Ithaca, NY.

[12] YUAN Yanfang, XU Wentao, HE Xiaoyun, et al. Effects of genetically modifi ed TYG-1 rice on the GI health of rats after 90-day supplement[J]. Scientifi c Reports, 2013, 3(1): 1-9.

[13] HAN Yu, MENG Jiarong, CHEN Jie, et al. Bt rice expressing Cry2Aa does not harm Cyrtorhinus lividipennis, a main predator of the nontarget herbivore nilapavarta lugens[J]. PLoS ONE, 2014, 9(11): e112315.

[14] WANG Haiyan, HUANG Jianzhong, YE Qingfu, et al. Modified accumulation of selected heavy metals in Bt transgenic rice[J]. Journal of Environmental Sciences, 2009, 21(11): 1607-1612.

[15] 劉華清, 李勝清, 陳浩. 轉(zhuǎn)基因作物安全評(píng)價(jià)及檢測技術(shù)[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 社會(huì)科學(xué)版, 2010, 90(6): 14-19.

[16] Organization for Economic Co-operation and Development. Safety evaluation of foods derived by modern biotechnology: concepts and principles[R]. Pairs: OECD, 1993.

[17] 趙仁勇, 畢艷蘭. 糙米及其制品中植酸含量的測定方法[J]. 糧食與飼料工業(yè), 2002, 1(1): 44-45.

[18] 彭麗莎, 盧向陽. 谷物單寧提取方法的改進(jìn)及高粱稻單寧含量分析[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 1999, 25(1): 13-15.

[19] HOTHOM L A, OBERDOERFER R. Statistical analysis used in the nutritional assessment of novel food using the proof of safety[J]. Regulatory Toxicology and Pharmacology, 2006, 44(2): 125-135.

[20] Organization for Economic Co-operation and Development. Environment, health and safety publications series on the safety of novel foods and feeds. No.10. Consensus document on compositional considerations for new varieties of rice (Oryza sativa): Key food and feed nutrients and anti-nutrients[R]. Paris: OECD, 2006.

[21] 裘凌滄, 潘軍, 段彬伍. 有色米及白米礦質(zhì)元素營養(yǎng)特征[J]. 中國水稻科學(xué), 1993, 7(2): 95-100.

[22] 蔣彬; 張慧萍. 水稻精米中鉛鎘砷含量基因型差異的研究[J]. 云南師范大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2002, 22(3): 37-40.

[23] HAN Junhua, YANG Yuexin, CHEN Shurong, et al. Comparison of nutrient composition of parental rice and rice genetically modifi ed with cowpea trypsin inhibitor in China[J]. Journal of Food Composition and Analysis, 2005, 18(4): 297-302.

[24] LI X, HUANG K, HE X, et al. Comparison of nutritional quality between Chinese Indica rice with sck and cry1Ac genes and its nontransgenic counterpart[J]. Journal of Food Science, 2007, 72(6): 420-424.

Comparative Analysis and Assessment of the Main Chemical Components between Transgenic Rice and Parental Rice

SHI Wei， LIU Huaqing， XIANG Yonggang*， LI Shengqing， CHEN Hao
（College of Science， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China）

In order to investigate the food safety of transgenic rice， two genetically modified rice YG-1 and YG-2 and the parental rice were planted， collected and treated under identical conditions， and the main nutritional components （ash， crude protein， crude lipid， carbohydrates and amino acid）， trace elements （K， P， Ca， Mg， Mn， Zn and Cu） and anti-nutritional factors were determined and analyzed. The results showed that except for the difference in contents of some trace elements such as Fe， Mn and Cu， there was no significant difference with respect to main nutrients， other trace elements and antinutritional factors. These findings suggested that the foreign genes in YG-1 and YG-2 did not change main nutritional components of the parental rice， and both transgenic rices were substantially equivalent.

transgenic rice； substantially equivalent； trace elements； key nutritional compositions； anti-nutritional factors

TS201.2

A

1002-6630（2015）16-0137-04

10.7506/spkx1002-6630-201516025

2015-04-30

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（2662015PY047）；國家重大科技專項(xiàng)（007AA10Z188-001）

石煒（1985—），男，講師，博士，研究方向?yàn)橛袡C(jī)合成及分析。E-mail：shiwei@mail.hzau.edu.cn

*通信作者：項(xiàng)勇剛（1983—），男，副研究員，博士，研究方向?yàn)橛袡C(jī)合成及分析。E-mail：ygxiang@mail.hzau.edu.cn