综述：利用微量营养素进行农艺生物强化：一种有效提升作物营养价值并应对隐性饥饿问题的方法

《Journal of Agriculture and Food Research》：Agronomic biofortification with micronutrients: An efficient approach to increase nutritional quality in crops and combat hidden hunger

锌铁生物强化在解决微量营养素缺乏问题中的应用及挑战。

　　微量元素缺乏，尤其是铁和锌的缺乏，影响了数十亿人，导致生长迟缓、免疫力下降和认知能力减弱，特别是在发展中国家。另一种威胁营养质量的因素是饮食缺乏多样性，例如缺乏矿物质元素的作物。本综述强调了生物强化在提高作物产量和作为农业解决方案以应对营养安全的重要性。各种新颖且有针对性的农业生物强化技术已被探索，旨在提高田间作物（如谷物、豆类和油料作物）的营养浓度。农业生物强化能够增强作物中的营养成分，解决隐性饥饿问题。技术包括土壤施用、叶面施用、种子浸种以及使用生物肥料和纳米肥料，能够提高谷物中的铁含量（5–57%）和锌含量（10–95%），支持改善健康。生物强化作物不仅有助于提高营养、健康和社会经济地位，还能够提高产量和质量，增强粮食安全。本研究提供了关于生物强化在提高作物中锌和铁含量的完整见解，从而揭示了它们在各种生理过程中的作用，并对抗人体中的锌和铁营养不良。尽管生物强化研究取得了进展，但仍有许多关键领域需要进一步研究，以实现农业生物强化的首要目标。因此，持续的研究对于实现农业生物强化在全球范围内改善营养不良具有至关重要的作用。

在发展中国家，谷物和豆类是许多人口的主食作物，用于满足日常营养需求和微量元素需求。然而，它们缺乏某些必要的物质，如锌和铁等微量元素、高质量蛋白质和一些重要的氨基酸。根据世界卫生组织（WHO）的数据，全球有超过20亿人存在微量元素缺乏，其中铁和锌是最常见的微量元素。因此，谷物和豆类无法解决营养不良问题。绿色革命时期主要关注生产主食作物，如水稻、小麦和玉米，以满足迅速增长的人口的能量需求。然而，高产作物的种植导致了全球某些微量元素的缺乏，造成营养不良和隐性饥饿。微量元素被定义为人体所需微量的维生素和矿物质。尽管其需求量很小，但它们对身体运作至关重要，任何一种的缺乏都可能导致严重甚至致命的疾病。

锌和铁是人体健康的关键元素。由于人体无法自行合成锌和铁，外部摄入对于维持体内适当的锌和铁水平至关重要。这两种微量元素催化多种酶。含有锌的酶，如超氧化物歧化酶（SOD）和RNA聚合酶，可以提高细胞蛋白质的有效性。锌还积极参与多种细胞功能，并是大约3000种蛋白质的组成部分。在人类体内，锌是大约2000种转录因子和超过300种酶的组成部分，对身体的结构和功能至关重要。作为不同蛋白质和酶的组成部分，铁参与代谢过程。它是儿童生长和大脑发育所必需的关键成分。铁对于细胞的适当合成和运作也至关重要，包括激素的生成。

尽管其他因素也可能间接导致微量元素缺乏，但主要原因在于饮食中锌和铁摄入量不足，这些饮食主要由淀粉含量高但营养低的主食作物构成，包括土豆、木薯、小麦粉、玉米粉和白米。主食作物如水稻、小麦和玉米是大多数人主要的能量来源。然而，这些作物经常缺乏必要的维生素和矿物质，可能导致微量元素缺乏。水稻、小麦和玉米中的平均锌浓度分别为31.84 mg kg?1、16 mg kg?1和15.60–48 mg kg?1。然而，满足人类对小麦、水稻和玉米的需求所需的剂量分别为45 mg kg?1、28 mg kg?1和38 mg kg?1。锌在食物作物中的生物利用度较低，因为谷物的加工过程以及以六种植酸形式存在的磷会与锌离子结合，从而将锌从主动运输中隔离出来，影响其吸收。精制白米中的铁浓度为2 mg kg?1，而其他谷物如小麦和玉米的浓度分别为45.4 mg kg?1和16 mg kg?1。铁缺乏在以主食为主且肉类摄入量少的国家更为严重。虽然全谷物谷物中的铁含量与动物产品相似，但谷物中的铁主要存在于胚芽和糊粉层，这些部分在收获后加工过程中（如精制白米和磨制小麦粉）会被去除。此外，由于植物中含有多酚和植酸，植物饮食中的矿物质生物利用度远低于肉类。

谷物中的微量元素含量也取决于其在土壤中的相对丰富度。由于近年来高产作物的广泛种植，土壤中的微量元素缺乏已被观察到，因为这些种质资源对营养的需求相对较高。谷物粒径增加和胚芽与胚乳比例改变所产生的稀释效应可能是导致这一现象的一个可能原因。土壤中可提取的DTPA锌浓度低于0.5 mg kg?1的被认为是低可用性锌土壤，对作物最佳生长至关重要。一般来说，钙质土壤是锌缺乏的。这种缺乏影响了全球超过50%的耕作土壤和印度超过35%的土壤。另一方面，全球和印度的土壤中约有30%和11%存在铁缺乏。铁缺乏主要出现在高pH和钙质土壤的干旱地区。作物生物强化是解决这种严重营养短缺的方法。

生物强化确保了最佳的矿物质吸收、微量元素向可食用部分的转移以及生物利用度。因此，通过生物强化向作物种类中添加微量元素可以确保长期的粮食安全。生物强化有助于生产微量元素丰富的食物作物，提高其生物利用度。生物强化的双重目标是提高食物谷物中的生物利用度和微量元素含量，从而减轻人类和动物中的微量元素缺乏影响。对于缺乏补充营养食品和补充剂的低收入人群，生物强化提供了一个可行的解决方案。因此，与使用昂贵的补充剂相比，生物强化是更便宜且更有效的方法，为国家的弱势群体提供富含微量元素的食物。

生物强化的现状表明，虽然研究和应用已有一定进展，但仍然存在一些关键问题需要解决。主要研究方向包括确定最适合不同作物的生物强化方法，以及改善土壤和作物中的微量元素状况。由于生物强化涉及改变植物的基因型，因此对土壤和作物的环境因素以及植物自身的吸收和运输机制进行研究至关重要。此外，土壤微生物的种类和数量也会影响作物的微量元素含量，因此需要进一步研究如何优化生物强化过程。

在农业生物强化方面，已有多种技术被用于提高作物的微量元素含量。例如，通过叶面喷施富含微量元素的肥料，可以显著提高谷物中的铁含量。这种技术不仅适用于水稻，也适用于小麦、玉米、大麦和燕麦等作物。研究显示，叶面喷施锌肥可以提高谷物和相关作物成分（如糊粉层、胚乳和胚芽）中的锌含量。这最终通过减少植酸的积累来提高锌的生物利用度。此外，土壤施用锌肥和铁肥已被证明可以有效提高作物的产量和质量，同时降低植酸和某些抗营养物质的含量，提高微量元素的生物利用度。

生物强化作物不仅有助于提高营养和健康，还能增强农业生产力和作物质量。这些作物在土壤和作物生长过程中能够吸收更多的微量元素，从而提高其在植物体内的积累。此外，通过叶面喷施或土壤施用富含微量元素的肥料，能够提高作物的产量和质量，使它们成为改善营养不良的重要工具。生物强化技术，如叶面喷施、种子浸种和生物肥料的使用，可以有效提高作物中的微量元素含量，从而改善农业产量和质量。

农业生物强化的实施需要考虑多种因素，包括土壤类型、肥料施用方法、时间以及剂量。例如，在钙质土壤中，土壤施用锌肥和铁肥可以提高作物的产量和质量。然而，由于土壤中锌和铁的生物利用度较低，因此需要通过叶面喷施等方式来提高其在植物体内的含量。此外，不同作物对微量元素的需求不同，因此需要针对每种作物优化生物强化方法。例如，水稻、小麦和玉米的生物强化方法可能与豆类和油料作物不同，需要根据其生长周期和营养需求进行调整。

尽管农业生物强化技术已取得显著进展，但仍存在一些限制。例如，肥料成本较高，可能导致生物强化作物的价格上涨，从而影响低收入群体的获取。此外，土壤微生物的种类和数量也会影响作物的微量元素含量，因此需要进一步研究如何优化土壤微生物群落以提高生物强化效果。农业生物强化还依赖于农民的参与，由于施肥可能不会带来直接的经济收益，农民可能不愿意采用这种技术。因此，需要通过政策支持和经济激励，鼓励农民实施农业生物强化措施。

未来的研究方向包括优化生物强化技术，提高其在不同作物中的应用效果。例如，需要确定最佳的施肥方法和时间，以提高作物中的微量元素含量。此外，还需要研究生物强化对土壤微生物群落和土壤健康的影响，以确保农业生物强化的可持续性。国际间的合作和资源共享对于推广农业生物强化技术至关重要，特别是在全球范围内应对饥饿和营养不良问题。例如，Harvest Plus等项目通过政府、非政府组织、学术机构和农业协会的合作，推动了生物强化的发展。

综上所述，农业生物强化是一种有效的手段，能够提高作物中的微量元素含量，从而改善全球范围内的营养不良问题。通过优化施肥方法和土壤管理，可以进一步提高农业生物强化的效果。同时，还需要考虑不同作物的生长周期和营养需求，以确保生物强化技术的适用性和有效性。农业生物强化的实施需要多方面的努力，包括科研、政策支持和农民参与，才能实现其在改善营养不良方面的潜力。