综述：培育不含棉酚的棉花种子，以保障未来的全球粮食安全和农业可持续发展

《Food Frontiers》：Engineering Gossypol-Free Cottonseeds for Future Global Food Security and Agricultural Sustainability

棉籽作为富含蛋白质和油的高价值副产物，其应用受戈斯泊尔毒性限制。通过CRISPR/Cas9、RNA干扰和病毒诱导基因沉默等技术，成功抑制戈斯泊尔合成基因（如GoPGF、CYP706B1），开发出超低戈斯泊尔棉籽（ULGCS），在保留植物防御机制的同时解决毒性问题，为缓解全球蛋白质不足和促进棉花产业可持续发展提供新路径。

　　棉花籽是一种富含蛋白质和油脂的副产品，由棉花（*Gossypium* spp.）纤维生产过程中产生。它是一种具有巨大潜力的食品和饲料资源，但由于其含有的棉酚（gossypol）而受到限制。棉酚是一种具有毒性的倍半萜类醛，主要存在于棉的茎、叶、种子和花芽中，虽然在植物的生长组织中起着防御作用，但在种子中却对人类和非反刍动物具有显著的健康风险。然而，近年来生物技术的突破为棉酚的合成调控和腺体形成提供了精准的手段，使得开发出低棉酚含量的棉花籽（ULGCS）成为可能，同时保持植物在其他部位的防御能力。这种技术突破不仅为棉花种子的食品安全提供了保障，还为全球食品和饲料产业带来了新的可能性。

棉花的双用途特性使其在农业中具有独特地位。一方面，棉花纤维是全球纺织业的重要原料，具有高经济价值；另一方面，其种子富含油脂和蛋白质，为食品和饲料提供了重要来源。然而，由于棉酚的存在，棉花籽在食品应用上受到严格限制。棉花纤维的生产通常伴随种子的产出，每公斤纤维可产生约1.65公斤的棉花籽。全球棉花籽油的产量在2021–2022年达到497万吨，并预计在未来几年持续增长。棉花籽油的市场价值超过74亿美元，成为全球重要的食用油之一。此外，棉花籽蛋白的产量在全球范围内相当可观，每年可提供约10.8万亿克蛋白质，足以满足超过5亿人的基本营养需求。棉花籽油的脂肪酸组成具有健康益处，尤其是其高比例的不饱和脂肪酸，有助于降低血脂和胆固醇水平。因此，棉花籽在食品工业中的应用潜力巨大。

尽管棉花籽在营养和经济价值方面具有显著优势，但其主要用途仍局限于饲料，尤其是反刍动物的饲料。这是因为棉酚对非反刍动物（如猪、鸟类、鱼类等）具有较高的毒性，可能引发一系列健康问题，包括贫血、心功能障碍、消化问题以及生长迟缓等。在人类和非反刍动物的饮食中，棉酚的摄入可能带来严重的健康风险，甚至导致死亡。然而，随着基因编辑技术的发展，科学家们正在探索如何通过基因调控手段降低棉酚含量，同时不影响植物的防御能力。例如，利用CRISPR/Cas9、RNA干扰（RNAi）和病毒诱导基因沉默（VIGS）等技术，已经成功实现了对棉酚合成关键基因的靶向抑制，从而开发出低棉酚含量的棉花籽品种。这些品种在保持植物防御能力的同时，显著降低了种子中的棉酚水平，使其成为更安全的食品和饲料来源。

在棉花籽的利用过程中，棉酚的生物合成路径是一个关键的研究方向。研究表明，棉酚的合成主要通过甲瓦龙酸（MVA）途径进行，该途径涉及一系列酶和基因的协同作用。例如，*GoPGF*（Gossypium Pigment Gland Formation）基因在棉酚合成和腺体形成中起着核心调控作用，而*CGP1*基因则与棉酚的积累密切相关。通过基因编辑手段，科学家们能够精准调控这些基因的表达，从而实现棉酚含量的显著降低。例如，*GoPGF*基因的沉默可导致植物体内的腺体数量减少，但不会影响其在茎和叶中的防御能力。这种调控策略不仅有助于提高棉花籽的食用安全性，还为未来棉花的多用途发展奠定了基础。

棉花籽的低棉酚品种（如ULGCS）在食品和饲料中的应用前景广阔。一方面，它们可以为人类提供高质量的蛋白质来源，有助于缓解全球蛋白质营养不良问题；另一方面，它们在非反刍动物饲料中的应用也能显著提高饲料转化效率，减少对传统蛋白来源（如大豆和鱼粉）的依赖。在水产养殖和家禽饲料中，低棉酚棉花籽已被证明能够有效提升动物的生长性能，同时避免因棉酚摄入而导致的健康问题。此外，低棉酚棉花籽的推广还能减轻对野生鱼类资源的压力，从而促进可持续渔业发展。

然而，尽管低棉酚棉花籽的开发为棉花产业带来了新的机遇，其推广和应用仍面临一些挑战。首先，低棉酚棉花籽的基因调控需要确保其在不同环境条件下的稳定性，以避免在实际种植过程中出现棉酚水平波动的问题。其次，棉花籽的低棉酚特性是否会影响其在其他植物组织中的防御功能，仍需进一步研究。例如，虽然种子中的棉酚被有效抑制，但茎和叶中的防御机制是否受到影响，需要通过长期实验验证。此外，低棉酚棉花籽的市场接受度也受到消费者心理和文化因素的影响，尤其是在转基因作物仍存在争议的地区，如何提高公众对低棉酚棉花籽的认可度，是推动其广泛应用的重要环节。

在食品安全方面，低棉酚棉花籽的开发还需要符合各国的监管标准。虽然棉花籽油在传统上已被广泛用于食品加工，但其蛋白质成分可能存在过敏风险。因此，需要对低棉酚棉花籽的蛋白质成分进行深入研究，确保其在食品中的安全性。同时，食品标签的透明度和规范性也是消费者接受度的重要影响因素。只有在确保食品安全的前提下，低棉酚棉花籽才能真正进入食品市场，成为人类营养的重要补充。

从生态和农业可持续性的角度来看，低棉酚棉花籽的推广具有重要意义。棉花作为主要的纤维作物，其种植面积和产量在全球范围内占据重要地位。通过开发低棉酚棉花籽，可以实现棉花的多功能利用，即同时提供纤维和蛋白质资源，从而减少对其他高蛋白作物的依赖，降低农业扩张带来的生态压力。此外，低棉酚棉花籽的使用有助于减少对渔业资源的过度依赖，因为许多水产养殖业目前仍大量使用鱼粉作为蛋白来源。随着全球人口的持续增长，预计到2050年，全球粮食需求将增加约70%。低棉酚棉花籽的推广可以有效缓解这一压力，为全球粮食安全提供新的解决方案。

此外，低棉酚棉花籽的开发还可能带来经济效益的提升。棉花种子的蛋白质和油脂含量使其在食品和饲料市场中具有较高的竞争力。在一些国家，如印度、中国和巴基斯坦，棉花籽油的消费量已占全球总量的63%。这些国家的农业和食品产业对低棉酚棉花籽的需求将显著增加，从而推动其市场价值的提升。同时，低棉酚棉花籽的生产可能降低农业投入成本，提高作物的综合效益，为农民带来更高的经济回报。

为了进一步推动低棉酚棉花籽的应用，未来的研究需要从多个层面展开。首先，应加强对棉花籽基因组的深入研究，以更好地理解棉酚合成的分子机制，并开发更高效的基因编辑策略。其次，应探索如何将低棉酚棉花籽的特性与优良纤维性状相结合，从而培育出既高产优质又具备低棉酚特性的棉花品种。此外，还需关注低棉酚棉花籽的生态影响，例如其对土壤、水资源和生物多样性的潜在影响。最后，应加强公众教育和政策支持，提高消费者对低棉酚棉花籽的认知度和接受度，推动其在全球范围内的应用。

总的来说，低棉酚棉花籽的开发标志着棉花产业在生物技术和农业可持续性方面的重大突破。它不仅为人类和动物提供了更安全的蛋白质和油脂来源，还为全球粮食安全和资源节约提供了新的解决方案。通过不断优化基因调控策略，加强监管和公众沟通，低棉酚棉花籽有望成为未来农业和食品工业的重要组成部分。