《Plant-Environment Interactions》：Maize Biofortification Approaches for Fighting Malnutrition in Sub-Saharan Africa
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玉米是撒哈拉以南非洲（SSA）的主食；然而，常用玉米品种缺乏必需营养素，包括赖氨酸、色氨酸、维生素A以及铁（Fe）和锌（Zn）等矿物质。因此，该地区数百万人患有一种或多种营养素缺乏症，通常导致与营养不良相关的疾病。尤其是儿童和哺乳期妇女受到严重影响。在SSA，
玉米是撒哈拉以南非洲（SSA）的主食；然而，常用玉米品种缺乏必需营养素，包括赖氨酸、色氨酸、维生素A以及铁（Fe）和锌（Zn）等矿物质。因此，该地区数百万人患有一种或多种营养素缺乏症，通常导致与营养不良相关的疾病。尤其是儿童和哺乳期妇女受到严重影响。在SSA，超过32%的5岁以下儿童发育迟缓，37%的15–49岁女性患有贫血。这表明中低收入国家（LMICs）的营养不良严重程度仍然很高，凸显了进一步解决这一问题的必要性。工业强化、临床补充、膳食多样化和生物强化是对抗营养不良的策略。生物强化是改善LMICs营养最有效且经济可行的策略之一。然而，在SSA，容易获取生物强化玉米品种、小农户和消费者对生物强化玉米营养益处的认识不足，以及生物强化种质资源的缺乏，是其中一些挑战。因此，本综述论文聚焦于必需营养素缺乏的影响、对抗营养不良的策略以及用于玉米生物强化的技术。它还讨论了所面临的挑战，并为研究人员、种子生产者、农民和政策制定者提供了关于生物强化玉米品种的建议。
论文主体部分总结如下：
**1 引言**
玉米（*Zea mays* L.）是全球主要谷物作物之一，在SSA约占谷物产量的40%，其中超过80%作为食物消费，贡献了约30%的总热量摄入。普通玉米的高消费率和缺乏膳食多样性导致必需氨基酸（如赖氨酸和色氨酸）、维生素及矿物质（如Fe和Zn）水平不足，从而引发营养不良。在发展中国家，约45%的5岁以下儿童死亡与营养不良有关。缓解营养不良的策略包括医学补充、食品强化、膳食多样化和生物强化，这些策略互补且可单独或联合使用，选择取决于资源、可及性、可负担性、可持续性和技术可行性。玉米等主食作物的生物强化是一种可持续、经济有效的长期策略。玉米种质中必需营养素浓度的遗传变异对生物强化至关重要。例如，优质蛋白玉米（QPM）种质中赖氨酸和色氨酸含量是常规范围的两倍；一些富含维生素A原（PVA）、Zn和Fe的玉米基因型也超过了育种目标水平。当前，开发营养强化玉米品种的机会显著增加，得益于对关键生化途径理解的加深、分析工具的改进以及分子标记和基因组编辑技术的应用。本综述重点讨论了宏量和微量营养素缺乏的影响及其健康后果，并评估了杂交、突变、标记辅助选择（MAS）、数量性状位点（QTL）定位、全基因组关联研究（GWAS）、基因组选择、基因组编辑和基因工程等不同生物强化方法在开发营养强化玉米品种方面的有效性。
**2 必需营养素缺乏的影响**
以玉米和其他谷物为主的饮食常缺乏赖氨酸、色氨酸、PVA、Fe和Zn，导致蛋白质-能量营养不良（PEM）和微量营养素缺乏，这在发展中国家是重大公共卫生问题。PEM影响儿童导致体重不足、发育迟缓和消瘦，严重形式包括夸希奥科病和消瘦症。微量营养素缺乏，常被称为“隐性饥饿”，影响超过20亿人，其中SSA占全球病例的一半以上。维生素A缺乏（VAD）和Zn缺乏是低收入国家伤残调整生命年（DALYs）的十大风险因素之一。VAD可损害视力并增加感染风险，约33%的儿童受其影响。此外，约17.3%的世界人口面临Zn摄入不足的风险，近30%的人患有缺铁性贫血。目前，在SSA，约32%的5岁以下儿童发育迟缓，37%的15–49岁女性受贫血影响。为对抗营养不良，开发高产且营养丰富的主食作物（如玉米）至关重要。
**3 对抗营养不良的策略**
已实施多种策略来增加饮食中必需营养素的摄入，包括工业食品强化、临床或药物补充、膳食多样化和生物强化。
3.1 工业食品强化：指在食品加工过程中添加必需营养素，SSA多个国家已实施主食强化计划。但存在局限性，如添加过量可能带来健康风险，且可能增加成本。
3.2 膳食补充：主要针对高风险人群，如维生素A补充剂和Zn补充剂。
3.3 膳食多样化：摄入多种富含营养素的食物，可降低宏量和微量营养素缺乏风险。但动物性食品（ASFs）的可负担性在LMICs中具有挑战性，季节性水果蔬菜也限制了可及性。
3.4 生物强化：利用植物育种技术富集主食作物中的必需氨基酸、维生素和矿物质。研究表明生物强化具有成本效益，例如在巴基斯坦，生物强化锌小麦可降低健康饮食成本。生物强化在LMICs中仍是新兴技术，但多数项目集中于单一营养素，研究者建议多营养素生物强化策略。过去二十年，QPM、PVA和富Zn玉米在SSA、亚洲和拉丁美洲的开发取得了显著进展。
**4 玉米生物强化中使用的必需营养素**
4.1 优质蛋白玉米（QPM）：玉米胚乳中约80%的蛋白质为醇溶蛋白（zein），缺乏赖氨酸和色氨酸。1960年代中期发现天然突变基因*opaque 2*（*o2*）后，通过操纵*o2*基因及其修饰基因，开发出QPM种质，其赖氨酸和色氨酸含量是普通玉米的两倍。QPM的蛋白生物学价值高达牛奶蛋白的90%。QPM已在全球发布超过167个品种，其中非洲占53%。研究表明，QPM对儿童和单胃动物具有显著的营养益处。
4.2 维生素A原玉米（PVA）：黄色或橙色玉米籽粒富含类胡萝卜素，尤其是α-胡萝卜素和β-胡萝卜素是PVA的主要前体。通过类胡萝卜素生物合成途径的调控，已开发出多个PVA强化玉米品种，并在非洲国家推广。食用PVA玉米可显著提高儿童血清视黄醇浓度，改善暗视力，并提高哺乳期母亲乳汁中维生素A浓度。
4.3 矿物质：Fe和Zn是人体必需矿物质。Fe是血红蛋白成分，参与氧运输和氧化代谢，对免疫和生殖系统至关重要。Zn是300多种酶的辅因子，参与代谢、DNA转录、细胞分裂和免疫反应。
**5 玉米生物强化方法**
营养强化玉米品种可通过常规、非常规和整合育种方法开发。
5.1 遗传变异：确认种质中目标营养素浓度的足够遗传变异是育种的首要条件。玉米在Fe、Zn、PVA、赖氨酸和色氨酸等营养品质性状上表现出显著遗传变异。一些研究揭示了这些性状的变异范围，并指出实现育种目标水平的潜力。QPM基因型中Zn的高变异可能归因于*o2*基因的影响。性状相关性分析表明，同时提高多种营养素是可能的，且QPM可提高Zn的生物利用度。
5.2 杂交育种与评价：杂交育种是开发新种质的有效技术。通过回交、系谱选择和轮回选择等方法，将普通玉米转化为PVA或QPM类型。需要从不同杂种优势群中开发自交系，并通过一般配合力（GCA）和特殊配合力（SCA）分析评估其配合力。研究表明，多数营养品质性状受加性基因效应控制，GCA效应大于SCA效应。优良基因型需在不同目标环境中测试以评估基因型×环境互作（G×E）效应。
5.3 农艺措施：农艺生物强化简单经济，包括土壤施肥、叶面喷施和种子包衣。施用Zn肥可显著提高玉米籽粒Zn含量和产量。土壤Zn有效性受多种因素影响，联合土壤和叶面施Zn效果更佳。
5.4 诱变育种：诱变可产生遗传多样性。利用X射线、γ射线和化学诱变剂（如EMS）处理种子，可引发随机DNA变化。已鉴定出与类胡萝卜素合成和醇溶蛋白合成相关的多种突变体。
5.5 分子标记在玉米生物强化中的应用：分子标记辅助选择（MAS）可提高选择效率。标记辅助前景选择和背景选择可用于QPM育种，如利用与*o2*基因紧密连锁的SSR标记（phi057、phi112、umc1066）。通过分子标记辅助回交（MAB）可加速PVA性状的导入。已鉴定出多个与Fe、Zn、β-胡萝卜素和必需氨基酸相关的QTL和候选基因，例如ZmNAC78基因与Fe浓度相关。
5.6 基因工程：当种质资源遗传变异有限时，转基因技术有用。通过农杆菌介导转化或基因枪法将外源基因导入玉米基因组，可提高赖氨酸、维生素等含量。例如，利用RNA干扰技术降低α-zein蛋白可提高赖氨酸含量。尽管转基因作物的安全性已得到多项研究证实，但公众接受度仍存在争议。
5.7 基因组编辑：基因组编辑（GE）技术（如CRISPR-Cas、TALENs、ZFNs）可精确修饰DNA序列，用于提高营养品质。例如，编辑玉米中PSY1、Crtl、LCYB基因可增加PVA产量；编辑水稻OsAAP6、OsAAP10基因可提高蛋白质含量。该技术还可降低抗营养因子（如植酸）含量，提高矿物质生物利用度。
**6 玉米中植酸含量与微量元素的生物利用度**
植酸是植物种子中磷的主要储存形式，可与Fe、Zn等矿物质形成复合物，降低其生物利用度。玉米中植酸浓度范围为2.77–16.70 mg·g
-1。通常以植酸/锌（PA/Zn）摩尔比<18和植酸/铁（PA/Fe）摩尔比<1为适宜吸收标准，但玉米常超过这些阈值。通过育种和基因工程降低植酸水平、或通过食品加工（如发酵、发芽）水解植酸，可提高矿物质生物利用度。玉米种质中PA/Fe和PA/Zn摩尔比存在显著遗传变异。
**7 生物强化玉米开发和推广的挑战**
7.1 QPM开发和推广的挑战：资金不足、非QPM花粉导致的品质退化、农民对QPM营养优势认识不足、对产量低的误解，以及研究人员、政策制定者和农民之间缺乏合作。
7.2 维生素A原玉米开发和推广的挑战：PVA类胡萝卜素对光和热敏感，加工过程中易损失；橙色和黄色玉米在非洲常被负面看待，被认为与贫困相关；农民和消费者对PVA玉米营养益处缺乏认识。
7.3 富Zn玉米基因型开发的挑战：土壤Zn有效性受土壤成分、pH和有机质影响；植酸与Zn结合抑制其吸收；需在保持高产的同时提高Zn浓度，需要育种学家、土壤科学家、营养学家和农业社区的合作。
**8 结论与建议**
生物强化是解决SSA营养不良问题的有效技术。建议通过表型和分子标记筛选自交系，结合化学分析，细化杂种优势群，并在不同地点评估新开发品种以评估G×E效应。建立监测和评估系统跟踪推广率和影响，以优化策略并向利益相关者展示成果。
