《Journal of Advanced Research》：Steering biofortification of Zn, Fe and Se in staple cereals (wheat, maize and rice) for micronutrient hunger mitigation: from trials to industrialized food products
摘要
**背景**由锌（Zn）、铁（Fe）和硒（Se）缺乏引起的“隐性饥饿”仍然是一个重大的全球健康挑战，尤其是在发展中国家依赖谷类膳食的人群中。虽然传统的食品强化和膳食补充剂有效，但通过农艺措施和育种/生物技术方法对主要谷类作物（小麦、玉米和水稻）进行生物强化，提供了一种可持续的、基于食物的解决方案，具有长期影响。然而，现有文献存在两个关键空白：（1）分析碎片化：缺乏对小麦、玉米和水稻中Zn/Fe/Se生物强化可行性进行系统的跨营养元素、跨作物分析。（2）与产业脱节：农艺和育种/生物技术技术与食品加工、市场需求和消费者健康结果的整合不足——未能将试验结果规模化推广至工业化产品。
**综述目的**本综述旨在填补上述知识空白，并概述一个概念框架，以帮助弥合主要谷类作物Zn/Fe/Se生物强化中“试验到产业”的鸿沟，旨在支持研究人员、政策制定者和食品企业共同努力，缓解全球微量营养素营养不良问题，并推进联合国2030年“零饥饿”目标。
**综述的关键科学概念**系统比较了小麦、玉米和水稻中Zn、Fe和Se的生物强化可行性（难度级别、相似性和差异性）。Se的生物强化比Zn和Fe更容易。近期的农艺创新，包括无人机叶面喷施、纳米肥料和土壤-作物系统综合管理，显示出可规模化生物强化的巨大潜力。为了开发符合营养标签和健康声称法规、消费者可接受的微量营养素强化功能性农产品，需要若干关键进展：改善Zn/Fe-氮/蛋白质复合物向胚乳的转运和生物合成、先进的保Zn/Fe“全组分”加工和硒代蛋氨酸提取技术，以及加强临床证据、政策框架和市场指导（特别是针对Se安全性）。最后，本综述概述了一个分阶段、全面的路线图，以整合整个产业链的创新，并阐明了每种微量营养素的产业化进展和技术成熟度。
**引言**
锌（Zn）、铁（Fe）和硒（Se）等微量营养素的缺乏，即持续的“隐性饥饿”负担，仍然是一个严峻的全球健康挑战，尤其是在发展中国家依赖谷类膳食的人群中。由于谷类作物育种进步解决了人类对热量的需求，全球约30%的人口受到微量营养素营养不良的影响。遗憾的是，包括小麦（*Triticum aestivum* L.）、玉米（*Zea mays* L.）和水稻（*Oryza sativa* L.）在内的此类谷类作物缺乏微量营养素，尤其是在加工之后。虽然传统的食品强化和膳食补充剂可以发挥作用，但用充足的Zn、Fe和Se对小麦、玉米和水稻等主粮作物进行生物强化，为低收入和中等收入发展中国家提供了一种可持续的、基于食物的解决方案。
以往的研究主要集中在小麦、玉米和/或水稻中Zn、Fe和Se这三种关键微量营养素中的一种或两种的生物强化上。然而，关于这三种微量营养素之间以及三种主要谷类作物之间生物强化策略的异同，仍存在巨大的知识空白。尽管通过作物育种和农艺管理措施在生物强化方面取得了进展，但这些研究成果尚未被农民和企业广泛采用。这种脱节主要源于四个关键制约因素：新品种带来的产量权衡、额外投入、高劳动成本和目标农艺管理措施的低操作效率，以及最关键的，与食品工业、市场需求和消费者健康结果的关联不足。值得注意的是，作物生物强化的核心目标是为消费者提供可获得的、营养丰富的食品，而不仅仅是生产富含微量营养素的谷物原料。因此，决定生物强化成功及其可规模化部署以缓解全球微量营养素缺乏的一个关键问题是：如何将生物强化从概念框架和试验研究转化为工业化食品？解决这个问题需要将生物强化整合到整个食品价值链中，并以研究人员、政府和食品企业之间的协同合作为基础。
在本综述中，研究人员严格评估了三种关键微量营养素（Zn、Fe和Se）在三种主要谷类作物（小麦、玉米和水稻）中生物强化的最新研究进展。研究人员比较了它们的生物强化可行性，强调了这三种微量营养素之间以及三种主粮作物之间生物强化特性的异同。研究人员特别关注农艺管理方面的最新创新——这些方法能够实现可规模化的应用，以生产富含微量营养素的谷物原料。值得注意的是，从食品生产者和企业的角度来看，研究人员根据每种微量营养素在三种主粮中的生物强化可行性，确定了关键瓶颈并优先考虑了未来的研究方向，以促进将富含微量营养素的谷物原料高效生产和加工成消费者可接受的食品。最后，为了整合农艺创新、政策框架和产业转化，研究人员提出了一个分阶段的综合路线图，概述了将创新链与产业链紧密联系在一起的汇聚路径，从而推动微量营养素强化功能食品的发展，这些食品是指符合营养标签和声称法规的、源自生物强化的增值农产品。总的来说，本综述为三种主要谷类作物中Zn、Fe和Se的生物强化提供了一个统一框架。它还阐明了每种微量营养素的当前进展，并强调了后续发展的优先事项。综述中还讨论了与可扩展性、可负担性和消费者可接受性相关的潜在限制和挑战。
**Se与Zn和Fe在小麦、玉米和水稻籽粒中生物强化的可行性比较**
**Se生物强化：简单与高效**
与Zn和Fe相比，在小麦、玉米和水稻籽粒中强化Se更容易。主要原因是这些谷类作物对Se的吸收和转运效率相对较高，这并不严重依赖超积累作物品种或复杂的农艺管理技术，而是更多地依赖于土壤Se资源或简单的Se肥料叶面喷施。一般来说，在富Se土壤中种植的作物很容易满足富Se农产品的要求，而在开花前和/或灌浆早期叶面喷施Se肥料可以轻松满足谷物中100–300 μg/kg的推荐Se含量（用作饲料和食品），并且效果优于土壤施用。此外，籽粒中的大部分Se转化为含氮（N）的有机Se形态，包括硒代蛋氨酸（SeMet）、硒-甲基-硒代半胱氨酸（Se-MeSeCys）、硒代半胱氨酸（SeCys?）和硒代胱氨酸（SeCys），这些形态对人体具有高度生物可利用性。Se主要积累在淀粉质胚乳中，以精粉或精白米的形式供人类膳食摄入，具有很高的可利用性。
目前，通过施肥进行的农艺生物强化是短期内提高小麦、玉米和水稻籽粒Se浓度的最有效策略，而在土壤有效Se含量极低的情况下，常规植物育种或基因工程可能效果较差。迄今为止，全球范围内释放或正在测试的Se生物强化谷物品种很少。因此，在现阶段，小麦、玉米和水稻籽粒的Se生物强化主要依赖于肥料施用。
农艺Se生物强化的效果受到多种因素的显著影响：Se施用方法（土壤或叶面）、施用时间、Se的化学形态（亚硒酸盐或硒酸盐）以及施用剂量。大量田间试验表明，这些变量导致籽粒Se浓度的显著变化。具体来说，与对照组相比，小麦籽粒中Se浓度从32–150 μg/kg增加到51–3930 μg/kg，玉米籽粒中从4–34 μg/kg增加到42–306 μg/kg，水稻籽粒中从30–97 μg/kg增加到59–320 μg/kg。在大多数情况下，在土壤和作物中迁移率较高的硒酸盐（Na?SeO?）优于亚硒酸盐（Na?SeO?），且叶面喷施优于土壤施用。此外，籽粒Se浓度随Se施用剂量的增加而升高，小麦籽粒的Se吸收能力相对高于玉米和水稻。对于未来的研究，有必要确定每种作物最佳的Se形态、剂量、施用方法和时间，最终为作物、人类和土壤实现最佳效果。
**Zn和Fe生物强化：多重挑战**
与Se相比，Zn和Fe的生物强化遇到了几个主要困难，涉及土壤障碍、不利的气候条件和作物生理限制。首先，世界上大面积的低水分、低有机质和高pH的石灰性土壤限制了土壤中Zn和Fe的有效性以及Zn和Fe施用于土壤的效果。其次，不平衡施肥，例如过量施用磷（P），加剧了P-Zn/Fe拮抗作用，这可能会降低谷类作物籽粒中的Zn和Fe浓度。第三，与老品种相比，产量更高的现代谷类作物品种不幸地具有较低的籽粒Zn和Fe浓度，表明存在负面的产量-营养权衡，即“稀释效应”。为了打破产量和营养之间的负相关并实现双赢，“产量还是营养？”的困境已成为作物育种者必须克服的不可避免的挑战。此外，气候变化，包括干旱/干旱化、气温升高、大气CO?浓度升高及其交互效应，可能间接降低谷类作物对Zn和Fe的有效性及其在籽粒中的密度，从而威胁人类营养。另外，与Se相比，Zn和Fe优先积累在糊粉层/麸皮和胚中，这些部分在碾磨过程中被去除。因此，与Se相比，用Zn和Fe对小麦、玉米和水稻进行生物强化需要更多的努力和更高水平的技术熟练度。
与Zn相比，小麦、玉米和水稻的Fe生物强化在植物育种和农艺管理方面都面临更大的挑战。迄今为止，在HarvestPlus在41个国家开发的13种生物强化作物类型中，小麦、玉米和水稻的Zn生物强化品种是可用的，而Fe生物强化品种仅在豆类（例如，铁豆）中可用，但在这三种主要谷类作物中不可用。这可能归因于与小麦和玉米籽粒中的Zn相比，Fe生物强化所需的目标浓度更高。根据Bouis等人（2011）的研究，全麦籽粒的生物强化目标水平是Fe为59 mg/kg，Zn为38 mg/kg，而全玉米籽粒的目标水平是Fe为60 mg/kg，Zn为38 mg/kg。
最近一项全球田间研究荟萃分析综合了遗传、环境和农艺因素对籽粒Zn和Fe浓度的影响。结果表明，面包小麦籽粒样品达到Zn目标（38 mg/kg）的概率为38.9%，硬粒小麦为42.7%；然而，只有28.5%的已释放面包小麦品种达到这一阈值。Zn生物强化品种将这一概率提高到44.7%，而非生物强化品种仅为24.0%。相比之下，面包小麦和硬粒小麦样品达到Fe目标（59 mg/kg）的可能性均低于8%，这突显了Fe生物强化的难度更大。最近一篇综述表明，各种农艺生物强化措施，包括土壤和叶面施用Zn和/或Fe，以及使用Zn溶解细菌+丛枝菌根真菌，使小麦、水稻和玉米的籽粒Zn浓度提高了26.3–170.4%（平均：69.9%），大于观察到的Fe响应（5.1–140.7%，平均：49.6%）。这些结果与Zn、Fe和Se共生物强化的观察结果一致，小麦、玉米和水稻的籽粒Zn浓度增加了25.2–64.7%（平均：49.8%），高于Fe（0.8–34.8%，平均：17.2%）。
目前，小麦、玉米和水稻的Zn生物强化通常受益于植物育种和农艺策略，而Fe生物强化面临的挑战比Zn更大，主要由农艺创新驱动。此外，在大多数作物生物强化研究中，与小麦和水稻相比，玉米在Zn和Fe富集方面获得的研究关注要少得多。
**小麦、玉米和水稻籽粒Zn、Fe和Se生物强化的近期农艺创新：迈向可规模化谷物生产**
传统的生物强化规模化在很大程度上依赖于新的生物强化作物品种（特别是对于Zn和Fe），在非洲、亚洲和拉丁美洲已发布了超过400个覆盖12种主粮作物的品种，涉及40多个国家。然而，改良作物品种极易受土壤、气候和管理条件的影响，导致作物产量和籽粒微量营养素密度不稳定。其在不同区域和环境条件下缓解微量营养素营养不良的整体效果需要全面评估。最近一项评估1994-2016年期间改良遗传、历史气候变化和农艺管理对小麦产量增长的相对贡献的研究表明，农艺管理是西北欧高产量环境中进一步增产的主要限制因素，突显了其在实际大规模作物生产中的关键作用。
农艺管理实践（特别是新型土壤和叶面微量营养素施肥措施）的最新进展，为实施籽粒生物强化提供了一条比传统土壤和叶面施肥方案更实用的途径。此外，与两种替代策略相比，它提供了更快速、更高效的解决方案：耗时的常规作物育种，以及面临商业化延迟的现代基因工程技术（例如，分子标记辅助育种、转基因和CRISPR/Cas9基因组编辑）。这些新兴的农艺实践可以有效地提高主粮（小麦、玉米和水稻）籽粒中的微量营养素水平，并加速其融入食品工业，特别是对于Zn和Fe。此类农艺创新特别适合在发展中国家应用，以推进集约化现代农业。
**精准土壤施肥以改善土壤、作物产量和籽粒营养**
通过根据土壤条件精准调整大量、中量和微量营养素的施用，可以实现协同效应，以增强微量营养素生物强化。推荐的施肥措施包括补充含Zn、Fe和Se的肥料；适度提高氮水平，同时降低复合肥或缓释N-P-K配方中的磷含量，并采用合适的化学形态；以及根据土壤缺陷或障碍，结合使用腐植酸、生物有机肥和/或其他土壤改良剂，如Ca-Mg-S-Si多营养肥料。例如，研究人员之前对玉米进行的土壤试验中，单独添加Zn或与腐植酸、腐植酸加生物有机肥、腐植酸加生物有机肥加Ca-Mg-S-Si组合添加，使籽粒产量从对照的11.3吨/公顷增加到12.7–13.9吨/公顷（增加12.4–23.0%），同时将籽粒Zn浓度从9.9 mg/kg提高到14.0–20.8 mg/kg（增加41.4–110.1%）。
这种适当的土壤施肥可以有效地实现产量和籽粒微量营养素密度的双重效益，而不是由增产引起的“稀释效应”。主要机制包括增加土壤有效微量营养素、增强N-Zn/Fe协同作用以及减轻P-Zn/Fe拮抗作用。同时，土壤肥力也可能得到改善，在土壤质量、产量表现和籽粒营养价值方面实现综合效益。然而，精准土壤调控策略可能因微量营养素、谷类作物和不同地理位置而有很大差异。针对特定地点的实施方案需要针对个别作物种类、特定微量营养素以及当地土壤、气候和环境条件进行详细研究。重要的是，单独施用土壤肥料只能适度提高籽粒Zn、Fe和Se浓度。在大多数田间条件下，仅通过土壤施用很难达到推荐的Zn和Fe生物强化目标值，尽管其对稳定和增加籽粒产量有可靠效果。
**基于无人机的大规模叶面喷施用于单一和多种微量营养素的高效生物强化**
以往生物强化研究中使用的叶面喷施方法通常依赖手持式或背负式喷雾器，由于高劳动成本和低工作效率，限制了农民的大规模采用。相比之下，使用农业无人机叶面喷施单一元素Zn、Fe或Se，即基于无人机的微量营养素叶面喷施技术，最近开始在不对产量造成损失的情况下对作物籽粒进行目标微量营养素的生物强化，提供了高操作效率和可扩展性，这对大型农场或农业种植企业尤其有吸引力。一项涉及中国11个省份2000多名粮食种植户的调查显示，在农药施用中采用农业无人机可以提高农场收入约434-488美元/公顷，并将农化喷施时间减少14.4-15.8小时/公顷，据估计无人机喷施的最佳面积约为20公顷耕地。这一证据支持了在农业生产中推广和扩大无人机辅助生物强化技术的前景。
同时强化Zn、Fe和Se这三种元素中的两种或三种，即在小麦、玉米和水稻籽粒中进行多种微量营养素的生物强化，是有利的。研究人员的最新研究表明，通过无人机叶面喷施这些元素，无论是在同一田块不同时间分别喷施，还是作为两种或三种微量元素的混合物（即微量营养素鸡尾酒）喷施，都可以实现小麦和玉米籽粒中Zn、Fe和Se的共生物强化，为同时缓解Zn、Fe和Se营养不良提供了一种有效的解决方案。同时进行多种微量营养素的遗传生物强化具有挑战性。Xu等人（2024）证明，表达OAS-TL基因的突变等位基因可以同时强化Zn和Se，以及较小程度的Fe，同时减少水稻籽粒中的砷积累。这种基因工程策略要实际应用，仍需通过新品种的发布和推广来走很长的路。
虽然基于无人机的生物强化是一种有前景的田间实施方案，但多种技术和社会经济制约因素仍阻碍其广泛应用。首先，无人机喷施的性能高度依赖天气条件，并且需要精确的喷施调度以避免漂移、覆盖不均或作物药害，特别是在使用浓缩微量营养素溶液时。其次，无人机的初始投资和维护成本，以及对经过培训的操作员的需求，可能会限制中低收入国家小农户的采用。第三，无人机微量营养素喷施的农艺和营养结果是依赖于具体情境的，基于无人机的应用技术参数，包括微量营养素浓度、喷施频率和用水量要求，与为传统喷雾器优化的参数有很大不同。无人机喷施需要在不同环境、小麦/玉米/水稻品种以及不同的Zn、Fe和Se微量营养素配方中进行针对特定地点的校准和验证。最后，缺乏针对无人机农化应用的标准化协议和监管指导，这给生产者和食品企业带来了不确定性。因此，只有在适当的培训、成本分摊机制以及跨作物、跨微量营养素技术验证的支持下，基于无人机的叶面喷施才能代表一种实用且可扩展的策略，以推进微量营养素强化谷物的可持续生产，有助于改善粮食安全、人类营养和公共健康。
**土壤-作物系统管理的整合与优化，以协同实现谷物产量最大化和微量营养素生物强化**
为了最大化产量-营养双重效益并同时提高土壤肥力，可以基于上述农艺创新建立一项综合的跨微量营养素和跨作物策略，整合土壤和叶面施肥，并针对实际应用进行定制，特别是对于正在推进集约化现代农业的发展中国家。这种实际整合优于现有的概念框架和常规做法。它同时提高土壤肥力、作物产量和籽粒Zn、Fe和Se浓度，从而在粮食生产和人类营养方面实现协同收益。
当前的综合土壤-作物系统管理方法可以通过不仅包括养分，还包括水和其他农用化学品（杀虫剂、除草剂和植物生长调节剂）的精准管理，形成更系统的框架，从而得到潜在优化。现有文献揭示了以下两个关键界面的优化。
**根-土调控：将微量营养素纳入滴灌施肥系统**
通过滴灌进行水肥一体化已在全球80多个国家和地区实施，用于水和氮的精准管理，并广泛用于小麦、玉米和其他粮食作物。一项汇总2008年至2023年在中国进行的同行评审研究的荟萃分析表明，在各种作物类型和实验条件下，滴灌施肥将氮利用效率平均提高31.3%，水分利用效率提高34.5%，作物产量提高12.5%，同时增加土壤有机碳36.4%和土壤全氮9.3%，并减少土壤蒸散量11.5%。为了促进微量营养素强化谷物的生产，需要进一步研究小麦、玉米和水稻对将单一或组合的Zn、Fe和Se纳入常规滴灌施肥系统（目前主要关注水和氮的输送以及经济作物）的土壤、产量和籽粒营养响应。研究应验证协同的水-氮-微量营养素滴灌施肥制度是否能提供均衡的农艺、经济、环境和营养收益，并评估其在低收入国家的经济可行性和可扩展性。
**叶-冠层调控：作物保护、代谢调节和微量营养素生物强化的综合解决方案**
最近一项研究表明，叶面喷施一种光激活的膜渗透性海藻糖6-磷酸（T6P，植物内源糖信号）前体，具体为4,5-二甲氧基-2-硝基苄基-T6P（DMNB-T6P），在充分浇水和水分胁迫条件下，连续4年显著提高了三个优良小麦品种的产量。机制数据表明，产量增益源于源强度提高和籽粒库容量增大，包括淀粉质胚乳扩大、籽粒筛管发育改善，以及淀粉、氨基酸和蛋白质合成基因上调。值得注意的是，产量增幅比通过常规育种计划实现的平均年遗传增益高一个数量级，并且无需额外肥料或水。类似地，叶面喷施焦磷酸硫胺素（TPP，维生素B?的活性形式）通过调节线粒体三羧酸循环活性、叶绿体碳固定和氮利用，将玉米、水稻和油菜的籽粒产量提高了高达9.8%。这些发现显示了通过作物代谢调控来提高产量的前景。在叶面喷施中将微量营养素（如Zn、Fe、Se）与DMNB-T6P或TPP结合是否能同时提高产量和强化微量营养素，需要进一步研究。
目前，用于谷类作物生物强化的无人机叶面喷施单一或组合Zn、Fe和Se（前面提到的新兴做法）与常规的无人机植物保护作业是分开进行的，从而增加了田间生产中所需的叶面喷施操作频率。未来的研究需要通过优化目标微量营养素的喷施时间、剂量和化学形态，以及其他肥料、杀虫剂、杀菌剂、生长调节剂、喷雾助剂和关键技术参数（如载体水量），来整合这些措施，以验证是否可以建立一套更系统、高效且适用于田间的综合解决方案，同时实现目标作物保护、产量提高和目标微量营养素生物强化。
**克服提高小麦、玉米和水稻籽粒中微量营养素转运和生物可利用性瓶颈的遗传优先策略**
**转运瓶颈**
放射性标记的??Zn研究和发育中小麦籽粒的LA-ICP-MS分析均表明，大部分Zn以类似于蔗糖的方式通过腹沟韧皮部转运到胚乳中。然而，Zn/Fe从腹沟韧皮部转运到胚乳腔然后进入胚乳的分子和生理机制尚未完全阐明。小麦液泡铁转运蛋白TaVIT2的胚乳特异性过表达使白面粉中的Fe增加了2倍以上（超过英国法定最低强化阈值16.5 mg/kg），且未提高抗营养因子植酸水平或损害植物生长，这归因于Fe从糊粉层重新定向到淀粉质胚乳，绕过了内在的稳态机制。此外，一种结合TaVIT2过表达和水稻烟酰胺（NA）合成酶基因OsNAS2组成型表达的双基因策略，实现了Fe向胚乳的同步重新分配和小麦籽粒中总Zn的显著提高，同时改善了白面粉体外消化过程中矿物质的释放。OsNAS2驱动NA（一种金属螯合剂）的生物合成，增强了Zn和Fe的移动性和转运。有趣的是，OsNAS2的表达部分恢复了Fe向糊粉层的转运，而糊粉层在仅过表达TaVIT2的籽粒中变得Fe耗尽。最近，Agrwal等人（2025）表明，胚乳特异性表达液泡铁转运蛋白样蛋白TaVTL5增强了小麦籽粒胚乳中Fe和Zn的积累。因此，鉴定和功能表征介导Zn和Fe从糊粉层重新分布到淀粉质胚乳的基因的研究仍在进行中。
类似地，Zn/Fe装载到玉米籽粒或胚乳中的途径在很大程度上仍不清楚，尽管最近的进展为这个问题提供了线索。Yan等人（2023）鉴定了一个转录因子基因ZmNAC78，它调控玉米籽粒中的Fe浓度。ZmNAC78在籽粒的基底胚乳转移层中高表达；与小麦籽粒的腹沟区域类似，该层是玉米中胚和母体组织之间唯一的交换界面。ZmNAC78蛋白直接调节Fe转运蛋白的mRNA丰度。通过全基因组关联分析，Chao等人（2023）鉴定了Zn-NA转运蛋白基因ZmYSL2负责将Zn装载到玉米籽粒中。ZmYSL2特异性定位于BETL面向母体组织的质膜上，并负责将Zn-NA转运到BETL中。ZmYSL2的过表达使籽粒Zn浓度提高了31.6%。Zang等人（2020）表明，ZmYSL2也在发育中的胚乳中表达，并且定位于质膜的金属-NA转运蛋白ZmYSL2在籽粒发育过程中介导Fe从胚乳到胚的转运。
与小麦和玉米籽粒相比，水稻中没有形态上明显的腹沟区域或胚乳转移区域，这表明水稻中Zn/Fe向胚乳的装载可能以不同的方式运作，并在很大程度上依赖于糊粉层和胚乳之间的分化分配。通过过表达NAS2和大豆铁蛋白的组合方法，在田间条件下，将精米中的Fe从2 mg/kg提高到15 mg/kg，增加了6倍以上。
如何克服瓶颈并促进更多微量营养素（特别是Zn和Fe）从小麦、玉米和水稻籽粒的腹沟区域、基底胚乳转移层和/或糊粉层转运到胚乳中，是决定微量营养素强化功能性谷类食品发展的关键问题。尽管上述关于NAC、NAS、VIT和YSL基因的研究提供了超越常规育种和常规农艺管理所能达到的新见解，但此类研究工作仍局限于试验阶段，且基本处于概念验证阶段。将小麦、玉米和水稻籽粒加工成面粉和衍生产品的食品制造商，迫切需要成熟的技术突破，以操纵糊粉层发育或营养特异的转运蛋白，可能通过基因编辑或转基因方法，在实际应用中增强胚乳装载，特别是Zn和Fe。
**生物可利用性挑战**
除了Zn、Fe和Se在不同籽粒组分中的分布外，这些微量营养素以不同的化学形态存在，这强烈影响它们的溶解度、生物可及性，并最终影响它们对人类的生物可利用性。在此，生物可及性是在模拟胃肠道消化过程中释放的微量营养素的可溶部分，相对于其在食物基质中的总浓度。这不同于生物可利用性，生物可利用性是指摄入的微量营养素被人体吸收和利用的部分。虽然糊粉层和腹沟区域含有高浓度的Zn和Fe，但抗营养化合物（如植酸）的存在，可以与Zn和Fe螯合形成Zn/Fe-植酸复合物，大大降低了这些微量营养素的生物可利用性。染色实验揭示了硬粒小麦籽粒中蛋白质、Zn和Fe的共定位，特别是在胚和糊粉层中，表明这些籽粒组分中可能存在蛋白质-Zn/Fe复合物的化学形态。除Zn/Fe-植酸外，在包括腹沟区域、糊粉层、胚和胚乳在内的小麦籽粒组分中检测到Zn?(PO?)?、FeO(OH)、Fe-柠檬酸、Zn/Fe-NA和Zn-半胱氨酸，其中Zn/Fe-N/蛋白质复合物被认为比Zn/Fe-P复合物对人体具有更高的生物可利用性。根和地上部分中含N的NA和Cys的生物合成对于增强水稻中多种微量营养素的同化和转运至关重要。
植酸主要定位于小麦和水稻籽粒的糊粉层和胚部分，而在胚乳中仅以极低的浓度存在，这表明胚乳中低水平的Zn可能具有潜在的生物可利用性。在甜玉米和玉米品种中，胚中的大部分Zn以Zn-植酸形式积累，而在胚乳中，Zn主要与含N配体络合，可能是Zn-组氨酸和Zn-半胱氨酸，以及与植酸的络合程度较低。如前所述，与籽粒中的Zn和Fe不同，大部分Se在胚乳中与蛋白质结合，形式为SeMet、Se-MeSeCys、SeCys?和SeCys，这些对人体表现出高生物可利用性。因此，将小麦、玉米和水稻籽粒的胚乳作为增加生物可利用微量营养素（特别是Zn和Fe）浓度的靶组织，是人类营养方面的一个重要课题。
据报道，品种选择、施肥制度和籽粒发育阶段会影响谷类作物籽粒中微量营养素的分布、形态和生物可利用性。需要进一步研究来表征Zn、Fe和Se各种化学形态在不同籽粒组分中的物理络合结构和功能特性，以及它们的生物合成调控基因和途径，即与植物结构生物学和合成生物学相关的方面。科学家们已尝试探索分子遗传方法来增强胚乳中具有高Zn和/或Fe结合能力（如铁蛋白）的蛋白质的表达。在采用前述双基因VIT-NAS策略工程化的小麦品系籽粒中，金属螯合剂NA积累的增加与白面粉消化物中Zn和Fe的更高生物可及性相对应。旨在在不同籽粒组分中，特别是向胚乳方向，生物合成更多Zn/Fe-N/蛋白质复合物的遗传改良、合成生物学和农艺管理技术，需要增强Zn和Fe的生物可利用性。
**利用纳米技术和生物合成：开发纳米级微量营养素肥料的生物合成途径，以提高籽粒中微量营养素的积累和生物可利用性**
**Se纳米颗粒与生物合成**
主要由于纳米颗粒的独特优势，包括其纳米级尺寸、相对较低的毒性和溶解度，以及控释能力，Se纳米颗粒在提高小麦和水稻等谷类作物对Se的吸收、转运以及籽粒Se浓度和生物可及性方面优于传统的离子Se肥料。在田间条件下，肥料利用率可达59%。据报道，叶面喷施一种Se纳米材料可在减氮处理下将水稻籽粒Se浓度提高287%，并提高氮利用效率。化学和生物方法可用于生产SeNPs，此处分别命名为CheSeNPs和BioSeNPs。与CheSeNPs相比，由微生物制备的BioSeNPs具有更高的稳定性，且不会随时间聚集，因为它们天然被蛋白质或细胞外聚合物包被。有机Se，如氨基酸螯合Se和腐植酸Se，在富硒水稻生产中显示出前景，但它们可能在施用后迅速降解。BioSeNPs具有低毒性（对植物、动物和人类）、高稳定性和生物可利用性的特点，其合成途径和工业可扩展性正受到越来越多的关注，并已越来越多地应用于谷类作物的生物强化。
**Zn/Fe纳米颗粒与生物合成**
叶面喷施提高小麦、玉米和水稻籽粒Zn浓度的效果受所用Zn不同化学形态的影响。据报道，Zn-氨基酸和ZnSO?·7H?O在提高水稻籽粒Zn浓度方面比Zn-柠檬酸和Zn-EDTA更有效。几项研究表明，ZnO-NPs和Zn络合壳聚糖纳米颗粒在提高小麦和玉米籽粒Zn浓度方面比ZnSO?·7H?O更有效。然而，在Sun等人和研究人员之前的研究中，ZnO-NPs在田间小麦上的效果与ZnSO?·7H?O相似。与ZnO-NPs和Zn-CNPs相比，Xue等人证明常规的ZnSO?·7H?O在提高玉米籽粒Zn浓度方面最有效。需要进一步研究以阐明上述Zn形态在小麦、玉米和水稻中的效果，并通过生物方法（如微生物）开发新型Zn形态，类似于BioSeNPs的开发。关于小麦、玉米和水稻籽粒Fe生物强化的Fe配方问题也应得到解决。与Se纳米颗粒及其生物合成相比，Zn/Fe纳米颗粒及其生物合成目前发展不足且研究较少，限制了对它们可行性和可扩展性的全面评估。
**利用微量营养素密集的籽粒组分开发生物强化食品的先进“全组分”加工和提取**
目标是营养食品，而不仅仅是营养丰富的谷物。微量营养素强化的谷物是制造所需的原料。过度精制降低了食品的营养质量，未精制的谷物原料是营养食品的关键。由于大量的Zn和Fe积累在籽粒的腹沟区域、糊粉层和/或胚中，在食品加工过程中保留而非去除这些组分对于生产符合营养标签和声称法规的微量营养素强化功能食品至关重要。实现这一目标将需要能够处理较少精制原料的“全组分”加工技术。
然而，全组分保留会通过加速脂质氧化和微生物增殖而缩短产品保质期，导致颜色变深、质地粗糙和轻微的谷物异味等口感和感官特性的改变，并降低整体可口性，从而引发消费者可接受性问题。为了解决这些限制，物理加工技术以及化学和生物方法，包括酶转化和发酵，及其协同组合，已被应用于改良麸皮特性，以改善全谷物食品的质地、口感、保质期和微量营养素生物可利用性。使用天然存在的微生物，可以用全谷物制作质地、香气、消化率和保质期均有改善的全麦酸面团面包。蒸谷和受控浸泡已被证明可以改善水稻籽粒的蒸煮品质，降低淀粉消化率和植酸含量，并提高Zn和Fe的生物可利用性。添加植酸酶作为加工助剂，可以增强植物性饮食中Zn和Fe的生物可利用性。未来的研究应针对Zn和Fe生物强化的谷类作物籽粒优化这些常见或新兴的加工技术，以在改善这些全谷物的感官特性、可口性、保质期和消费者偏好的同时，最大化微量营养素吸收。
此外，应致力于开发和建立用于蛋白质/N结合态Zn、Fe和Se，特别是SeMet的先进提取和加工技术，以及增强酶解和植酸结合态Zn/Fe高效利用的新方法。据报道，在Se生物强化的小麦面粉和面包中，SeMet占通过酶解获得的总可提取Se形态的65–87%。鉴于其相对于游离SeMet的优越肠道通透性和低毒风险，通过微囊化制备的SeMet负载纳米颗粒在口服营养补充方面具有巨大潜力。这些针对小麦、玉米和水稻籽粒中Zn、Fe和Se不同特性定制的先进技术仍在开发中，它们使食品工业能够充分利用微量营养素强化的谷物原料，并向消费者提供更多差异化的、营养密集的食品。此外，对浓缩的Zn、Fe和Se提取物进行有针对性的深度加工，为部分替代合成膳食补充剂提供了一种可行的替代方案，进一步增加了农产品的附加值。
**加强Zn、Fe和Se生物强化食品的检测能力和临床研究**
**高通量表型分析**
基于ImageJ流程的快速X射线荧光显微镜已成功开发为一种对水稻种子中微量营养素分布进行无损高通量表型分析的方法。然而，它是否适用于小麦和玉米种子需要进一步验证。将这种有前景的高通量表型分析方法从生谷粒样品扩展到面粉/食品产品中Zn、Fe和Se浓度和分布的检测，其可行性和可扩展性需要进一步研究。这些微量营养素的大规模和快速检测，不仅对推进育种计划和优化农艺管理实践至关重要，而且对加强整个供应链的质量控制和确保一致的产品质量也至关重要。
**临床研究**
微量营养素营养不良，如Fe和Zn缺乏，与撒哈拉以南非洲地区普遍存在的贫血、疟疾以及更高的婴幼儿死亡率有关。对于Zn生物强化，最近在孟加拉国进行的一项基于稳定同位素的试验证实，含有150克精制Zn生物强化水稻的每日混合饮食显著增加了36-59个月儿童的总吸收锌。与传统水稻相比，平均TAZ从1.13 mg/d上升到1.40 mg/d，增加了23.9%。值得注意的是，两组水稻之间的锌吸收分数没有显著差异，表明TAZ的增强源于更高的膳食Zn摄入量，而不是吸收效率的改善。几项研究已证明食用Zn生物强化小麦或水稻对人类健康有积极影响，但这些试验主要集中在1-6岁儿童。在印度，Zn生物强化小麦减少了4-6岁儿童的肺炎和呕吐天数以及其非怀孕、非哺乳期母亲的发热天数。在孟加拉国，Zn生物强化水稻增加了1-3岁儿童的年龄校正身高。在巴基斯坦西北部农村，Zn生物强化小麦增加了1-5岁儿童的头围。一项荟萃分析发现，模拟生物强化主粮食物干预的低剂量、长期Zn补充，可降低2型糖尿病和心血管疾病的危险因素，而最近的研究强调了Zn缺乏的终生相关性及其在全球成人糖尿病和心血管疾病负担中的作用。Zn生物强化的小麦、玉米和水稻是否能减轻2型糖尿病和心血管疾病，仍缺乏直接的临床验证，需要详细研究。
相比之下，关于Fe生物强化小麦、玉米和水稻的临床研究极为稀缺，这是全球生物强化综述中广泛认可的一个空白。一项非常早期的研究涉及在菲律宾对317名女性进行的为期9个月的喂养干预，表明Fe生物强化水稻显著改善了育龄期非贫血女性的铁储备，使血清铁蛋白和全身铁增加了约20%。尽管有这一有前景的发现，但Fe生物强化小麦、玉米和水稻的人体试验少于Zn，主要原因是开发稳定、高产的Fe生物强化品种面临更大的实际挑战。此外，大多数研究集中在Fe生物强化豆类和珍珠粟上，而不是主要谷类作物。这些Fe强化豆类和珍珠粟作为主食食用时，可为妇女和儿童提供每日Fe需求量的75-90%。
据报道，富Se水稻
