بخشی از مقاله
چکیده
کمخونی ناشی از کمبود آهن و کمبود روی جزو شناختهشدهترین شکلهای سوءتغذیه ریزمغذیها هستند به طوری که در حدود دو میلیارد نفر از جمعیت جهان به نوعی از آن رنج میبرند. رژیمهای غذایی بر پایه غلات که قوت غالب بسیاری از مردم را در سراسر جهان تشکیل می دهد، منابع ضعیفی از آهن و روی هستند. برنج برای بیش از نیمی از جمعیت جهان به عنوان یک غذای اصلی به حساب میآید. روشهای مختلفی برای غنیسازی مواد غذایی پیشنهاد شدهاند، اما خیلی از آنها به دلایل بیولوژیکی و اقتصادی-اجتماعی کارایی لازم را ندارند. روش های مرسومی که برای افزایش دسترسی چنین ریزمغذی هایی استفاده می شود عمدتا شامل مکمل دهی به برخی از غذاها وغنی سازی آنهاست.
از روش های جدیدی که توجه زیادی را به سمت خود جلب کرده است غنیسازی زیستی دانههای غلات، مانند برنج، به عنوان یک راهبرد امیدوارکننده است. به علت تنوع ژنتیکی پایین ریزمغذیها در ژرمپلاسم برنج، روش اصلاح نباتات - بهنژادی - سنتی به تنهایی روش چندان موثری برای غنیسازی زیستی برنج نیست. تکنولوژی ژن، چشماندازهایی برای بهبود مؤثر محتوای روی و آهن در دانههای برنج ارائه میدهد. در این مقاله راهبردهای استفاده شده برای بهبود محتوای آهن و روی در برنج و ژنهای کنترلکننده هموستازهای آهن و روی مورد بررسی قرار می گیرند.
.1 مقدمه
کمبود مواد معدنی و ویتامینهای مختلف در کنار هم اغلب با عنوان "گرسنگی پنهان" بیان میشود که امروزه یکی از جدیترین چالشها برای سلامت جهانی انسانهاست. کمخونی ناشی از کمبود آهن و روی، در کنار کمبود ویتامین A و کمبودیُد، بین شناختهشدهترین شکلهای سوءتغذیه ریزمغذیها در انسانها قرار دارند . - 17 - کمبود سایر مواد مغذی از قبیل فولات، کلسیم، پروتئین و ویتامینها نیز قابل توجه هستند .
عواقب جدی شامل عقبماندگی ذهنی، کاهش عملکرد ایمنی و افزایش مرگ مادر و کودک هنگام تولد میتواند ناشی از کمبود آهن باشد 10 - و . - 17تقریباً دو میلیارد نفر در کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه شناسایی شدهاند که تحت تأثیر کمخونی ناشی از کمبود آهن قرار دارند. میزان مصرف آهن توصیه شده برای افراد بالغ در روز برای مردان 8 میلیگرم، زنان 18 میلیگرم و زنان باردار 30 میلیگرم در روز است . - 17 -
به طور مشابه، روی به عنوان یک کوفاکتور برای بیش از 300 آنزیم در انسان، در سنتز و تجزیه کربوهیدراتها، لیپیدها، پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک شرکت میکند و بنابراین کمبود آن نقش حیاتی برای سلامت انسان دارد. برآورد شده است که 49 درصد از جمعیت جهان در خطر کمبود متوسط تا شدید روی هستند و علائم مختلف کمبود روی شامل عقبماندگی رشد، تعویق در رشد استخوان، ضایعات پوستی، اسهال و تضعیف سیستم ایمنی بدن میباشد.
مصرف روزانه توصیه شده روی در افراد بالغ بین 7 تا 10 میلیگرم در روز، بسته به سن و جنسیت، تغییر میکند. موضوع سلامتی ذکر شده فقط به کمبود آهن و روی محدود نمیشود اما سایر ریزمغذیها یک نقش حیاتی در عملکرد عادی بدن ایفا میکنند و بنابراین کمبود این ترکیبات میتواند منجر به عواقب شدیدی شود.[15] تمرکز اصلی این مقاله با این حال بر کمبود آهن و روی و بهبود آنها در دانه برنج است.
برای مبارزه با سوء تعذیه ریزمغذیها رژیمهای غذایی متعادلتری موردنیاز است، اما متأسفانه افراد زیادی از مردم سراسر جهان امکان متنوع سازی رژیمهای غذایی خود را به منظور فراهم کردن این تعادل ندارند. چندین روش برای غنیسازی مواد غذایی پیشنهاد شده است، اما خیلی از آنها به دلایل بیولوژیکی و اقتصادی-اجتماعی مفید نیستند. آهن یکی از سختترین مواد معدنی برای غنیسازی مواد غذایی است، زیرا ترکیبات آهنی که بسیار محلول هستند و دسترسی زیستی بالایی دارند - مانند فروس سولفات - نامطلوب هستند و اغلب رنگ غیرقابل قبولی را ایجاد میکنند و از طرف دیگر ترکیبات کم محلولتر، مانند آهن عنصری، جذب ضعیفی دارند . - 10 -
به نظر میرسد کمبودهای مواد مغذی برای انسان با رژیمهای یکنواخت بر پایه محصولات اساسی شامل غلات و رژیم کم گوشت یا بدون گوشت همراه است. دانههای غلات که مهمترین پایه خوراک انسان را تشکیل میدهند در حقیقت منابع ضعیفی از آهن و روی هستند. بیشتر غلات نه تنها از نظر غلظت کلی این عناصر پایین هستند بلکه دارای مواد ضدمغذی مانند اسید فیتیک و فنولیکها هستند که دسترسی زیستی این عناصر را پایین میآورد.
برای مثال، برنج که برای بیش از نیمی از جمعیت جهان به عنوان یک غذای اصلی به حساب میآید در حال حاضر یک منبع ایدهآل از مواد مغذی ضروری نیست. نشاسته به عنوان یک بخش اصلی در برنج - حدود 90 درصد - با مقدار اندکی ذخیره پروتئین وجود دارد - . - 6 برنج هنوز هم از نظر محتوای مواد مغذی ضعیف است و این مواد مغذی در لایههای بیرونی دانه - شامل پوسته، آلئورون و رویان - حضور دارند و بنابراین، هنگام پولیش زنی دانه خارج می شوند.
در نتیجه، دانههای برنج پولیش شده حاوی مقادیر اندکی از ریزمغذیها هستند، برای مثال 2 میکروگرم آهن در هر گرم اندوسپرم، یافت شده و هیچ ویتامین D و بتاکاروتنی در آن وجود ندارد. در نظر گرفتن حقایق بالا و شدت گسترش سوءتغذیه ناشی از ریزمغذیها، باعث ظهور غنیسازی زیستی دانههای غلات، مانند برنج، به عنوان یک راهبرد امیدوارکننده شده است.
افزایش آهن و روی در برنج از طریق زیستفناوری
در چند سال گذشته، راهبردهای متفاوتی برای افزایش آهن و روی در دانهی برنج، به ویژه در اندوسپرم مورد استفاده قرار گرفته است. هدف این راهبردها بهبود دریافت آهن و انتقال آن در گیاه، ذخیره در دانه یا افزایش دسترسی زیستی میباشد. برای ذخیره آهن در دانههای برنج، افزایش بیان پروتئین ذخیره آهن یعنی فریتین، در مطالعات مختلف ارزیابی شده است. فریتین به عنوان یک بافر آهن درون سلولی که میتواند تا 4500 مولکول آهن را در شکل محلول و غیر سمی ذخیره کند، فعالیت میکند و دسترسی زیستی نیز دارد.
یکی از اولین گزارشها در مورد غنیسازی زیستی آهن از طریق زیستفناوری شامل افزایش بیان فریتین سویا در اندوسپرم برنج بود، که تحت کنترل پروموتر پروتئین ذخیرهای گلوتلین دانه برنج - GluB-1 - راهاندازی شده است. محتوای آهن دانههای تراریخته در مقایسه با نوع تراریخته نشده آنها تا سه برابر افزایش یافت. فریتین در دانههای تراریخته بیان شد، نه در برگهای آنها، و محتوای آهن در اندوسپرم در مقایسه با رویان بیشتر افزایش یافت، این نشان میدهد که افزایش محتوای آهن مختص اندوسپرم بوده است . - 4 -
افزایش بیان فریتین فاسیلوس وولگاریس در برنج تحت کنترل پروموتر گلوتلین منجر به افزایش دو برابری محتوای آهن در دانههای برنج تراریخته شد . - 9 - این نکته نیز قابل توجه است که باوجودی که پروموتر گلوتلین - GluB-1 - یک کاندید خوب برای بیان فریتین مخصوص اندوسپرم است اما ممکن است که انتخاب ایده آلی نباشد. مطالعات نشان دادند که پروموتر گلوتلین به شدت در زیر-آلورن و لایههای خارجی بافت دانه بیان میشود در حالی که بیان هدایت شده توسط پروموتور گلوبولین بیشتر در مرکز اندوسپرم اتفاق میافتد و بنابراین بیان فریتین تحت کنترل پروموتر گلوتلین، هنگام پولیش طولانیمدت دانه برنج، ممکن است به افت آهن ذخیره شده در فریتین منجر شود.
در مطالعه ای دیگر علاوه بر افزایش محتوای آهن هنگام افزایش بیان فریتین سویا تحت کنترل پروموتر گلوتلین در دانههای برنج تراریخته، افزایش محتوای روی را نیز مشاهده شد . - 16 - در نظر داشته باشید که سطح بیان فریتین میتواند در افزایش بیشتر محتوای آهن اندوسپرم نقش یک گلوگاه را داشته باشد. لاینهای دابل-فریتین توسط تراریخت سازی - ترانسفورماسیون - برنج با فریتین بیان شده تحت دو پروموتر ژن متفاوت ذخیرهای دانه تولید شده است.
پروموترهای گلوتلین - GluB-1 - و گلوبولین . - Glb-1 - اگرچه فریتین در لاین های دابل-فریتین در مقایسه با لاین های تک فریتین 13 برابر بالاتر بیان شد، اما تفاوت معنیداری بین محتوای دانههای برنج بین لاینهای دابل فریتین و تک فریتین وجود نداشت . - 12 - این نشان میدهد که تجمع آهن در اندوسپرم از طرف جذب و جابهجایی آهن نیز محدود میشود.
بهبود دسترسی زیستی آهن و روی از طریق افزایش بیان پروتئینهای تقویت کننده جذب آهن و روی در انسان یا از طریق حذف ضد مغذیهایی مثل اسید فیتیک هدفگذاری شده است. لوکا و همکارانش گیاهان برنجی را تولید کردند که به ترتیب پروتئینهای شبهمتالوتیونین غنی از سیستئین1 یا ژنهای فیتاز را افزایش بیان میکنند. آنها افزایش حدود 7 درصدی را در محتوای سیستئین در پروتئین محلول در دانه مشاهده نمودند، اما کارایی زیستی این راهبرد باید مورد آزمایش قرار بگیرد.
اگرچه فیتاز از آسپرژیلوس فومیگاتوس به عنوان یک آنزیم گرمادوست شناخته شده است، اما آن ها گزارش کردند که فعالیت پروتئین تولید شده در گیاه، در دانههای برنج تراریخته هنگام پخت، پایین است. برای بیان بهینه در دانههای غلات، که اغلب نیاز به پختن دارند، نیاز است منابعی از فیتاز که پایداری حرارتی بیشتری دارند مورد ارزیابی قرار بگیرند. . - 9 -
در دهه گذشته، دانش ما در مورد ژنهایی که در جذب و جابهجایی آهن و روی در گیاهان نقش دارند به میزان معنیداری افزایش یافت. با هدف بهبود محتوای آهن دانه، پژوهشگران، برنج را با ژنهای کلیدی درگیر در جذب و جابهجایی آهن تغییر دادهاند. نقش انتقالدهندههایی مانند 2IRT1 ، مورد مطالعه قرار گرفته است و افزایش بیان OsIRT1 در گیاهان برنج، غلظتهای آهن و روی را در شاخهها، ریشهها و دانههای رسیده افزایش داده و منجر به افزایش تحمل به کمبود آهن و روی در مرحله جوانهزنی در گیاهان تراریخته شده است. جدول 1 خلاصهای از راهبردهای مهم زیستفناوری استفاده شده برای افزایش آهن و روی در برنج را نشان میدهد. .
