基本信息
- 项目名称：
- 制造富含赖氨酸及类胡萝卜素的稻米
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 稻米是全球超过一半人口,特别是亚洲地区人口赖以生存的基本食粮，亦是很多依赖稻米为主食的发展中国家人口的主要蛋白质来源。然而，它的营养并不平衡，缺乏某些人类必需氨基酸﹝Essential amino acid﹞，特别是赖氨酸﹝Lysine﹞。 赖氨酸是一种单胃动物无法合成的氨基酸，故人类只能由食物摄取。它参与制造抗体、荷尔蒙和酵素，更有助制造胶原蛋白和修补细胞组织，所以对于维持人类发育及健康十分重要。由于稻米的蛋白质营养不全，对以稻米为主要食粮的人的营养，有不良的影响。其中一种营养不良症是夸休可尔症，普遍认为是由于蛋白质摄入不足而导致。另外，在气候干燥地区亦出现很多消瘦症，这些都是严重的疾病。 另外，习惯上，人们在进食稻米前都会先去掉含有较丰富营养素的谷壳，进食精米，令部份养份大大流失。虽然精米含有大量淀粉质和蛋白质，但是缺乏其它对健康非常重要的营养素，其中之一就是维生素 A﹝Vitamin A﹞。维生素 A是一种油溶性化合物，有助身体正常运作，如视觉及调节与加强免疫系统，对维持健康起重要的作用。跟赖氨酸相似，人体不能自行合成维生素 A，只能从食物中摄取：例如 肝，蛋及乳制品，亦可从植物中吸收维生素 A前体﹝类胡萝卜素﹞。维生素 A缺乏是发展中国家正面对的健康问题之一；对视力、免疫反应、骨骼发展和胚胎发育有不良影响。 过往研究发现高赖氨酸和高类胡萝卜素含量的谷类食物分别能有效治疗由缺乏均衡蛋白和维生素 A而引致的疾病。经过长时间的研究，科学家掌握植物中赖氨酸代谢途径和胡萝卜素合成途径及其中的关键酶；为提高水稻赖氨酸及类胡萝卜素含量的相关研究奠下了基础。
- 详细介绍：
- 发明目的 稻米是全球超过一半人口赖以生存的基本食粮，对于依赖稻米为主食的发展中国家更是主要蛋白质来源。然而，它的营养并不均衡，缺乏某些人类必需氨基酸﹝Essential amino acid﹞，特别是有助制造抗体、荷尔蒙和酵素的赖氨酸﹝Lysine﹞；加上人们在进食稻米前都会先去掉含有不同营养素的谷壳，进食精米，令部份营养流失，其中之一就是维生素 A﹝Vitamin A﹞。目前全球至少有26个国家正受维生素 A缺乏的威胁，每年约两亿儿童受影响。在第三世界国家，每年约有25至50万营养不良儿童因此视力永久受损。单单是引致免疫系统受损，增加肠道及肺部受感染风险就足以令营养不良儿童死亡。有见及此，本项目致力透过生物技术，提升稻米赖氨酸及维生素 A含量。我们分别把稻米的天冬氨酸激酶(AK) 和二氢吡啶羧酸合酶(DHPS)基因诱变，令它们对反馈调控不敏感， 制造更多赖氨酸；另一方面把稻米八氢西红柿红素合酶(psy1) 基因表达在种子中， 提高类胡萝卜素的含量。 发明的先进性及创新特色 在提升赖氨酸含量方面，我们把反馈调控不敏感的天冬氨酸激酶 (AK) 和二氢吡啶羧酸合酶 (DHPS)在稻米中表达，结果显示转基因稻米的赖氨酸含量提升了17.46% - 83.72%。另一方面，我们把稻米八氢西红柿红素合酶表达在稻米中，有效地提高愈伤组织中类胡萝卜素含量至每克转基因稻米愈伤组织由328.34至4493.31微克不等。若以上研究成功，往后的研究将加入其它合成类胡萝卜素的酶，把八氢西红柿红素转化成类胡萝卜素，再透过交配技术繁殖出具高赖氨酸及高类胡萝卜素稻米。 由于以上研究匀以稻米本身的基因和酵素为研究对象，避免了将不同物种的基因混合的问题，减低大众对基因改造食物的忧虑,增加市场认受性。 应用价值 有助提升稻米的营养价值，另外，有关技术亦可使用到其它谷物上。 推荐者评语 稻米为世界半数人口的主要食粮而第三世界人口必需补充赖氨酸及维生素 A以帮助制造抗体、荷尔蒙和酵素以增进发育，以及避免夜盲症和免疫系统受损。本作品提供一种提高转基因稻米中赖氨酸及类胡萝卜素含量的方法。这项目技术将富赖氨酸及类胡萝卜素特性集于一体，对提高发展中国家国民之营养甚有裨益，我谨极力推荐这项作品参加挑战杯。 ﹝中科院院士暨香港中文大学 黄乃正副校长﹞ 本作品关注发展中国家以稻米为主食的众多人口，其营养及健康状况的改善，故有较高的人道意义。技术水平高，以尖端生物技术达到效果，包括基因克隆、测序、构建，修饰及转基因水稻技术。适用范围包括世界半数人口，应用及推广前景宽阔持久。 ﹝中国工程院院士暨香港中文大学辛世文研究讲座教授﹞ 奖励和发表 作品中，提高稻米类胡萝卜素含量部分，于2009年4月17日参加在香港中文大学举办的校长杯的比赛，获得研究院组个人组优异奖。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 稻米是全球超过一半人口的基本食粮，对于很多依赖稻米为主食的发展中国家更是主要蛋白质来源。它的营养并不均衡，缺乏某些人类必需氨基酸﹝Essential amino acid﹞，特别是赖氨酸﹝Lysine﹞；加上人们在进食稻米前都会先去掉含有不同营养素的谷壳，进食精米，令部份营养大大流失，其中之一就是维生素 A﹝Vitamin A﹞。 赖氨酸是一种动物无法合成的氨基酸，只能由食物中摄取。它能有助制造抗体、荷尔蒙和酵素。而维生素 A是一种油溶性化合物，人体只能从食物中摄取。由于稻米缺乏赖氨酸，故在发展中国家引致蛋白质─能量营养不良的病例。另外，目前全球至少有26个国家正受维生素 A缺乏的威胁。在第三世界国家，每年约有25至50万营养不良儿童因此视力永久受损。单单是引致免疫系统受损，增加肠道及肺部受感染风险就足以令营养不良儿童死亡。 本项目致力透过生物技术，提升稻米赖氨酸及维生素 A含量。我们把反馈调控不敏感的天冬氨酸激酶 (AK) 和二氢吡啶羧酸合酶 (DHPS) 表达在稻米中，结果显示转基因稻米的赖氨酸含量提升了17.46% - 83.72%。我们把稻米八氢西红柿红素合酶表达在稻米中，有效地提高愈伤组织中类胡萝卜素含量至每克转基因稻米愈伤组织由328.34至4493.31微克不等。研究将加入其它合成类胡萝卜素的酶，再透过交配技术繁殖出同时具高赖氨酸及高类胡萝卜素稻米。
科学性、先进性
- 在提升赖氨酸含量方面，我们把反馈调控不敏感的天冬氨酸激酶 (AK) 和二氢吡啶羧酸合酶 (DHPS)在稻米中表达，结果显示转基因稻米的赖氨酸含量提升了17.46% - 83.72%。另一方面，我们把稻米八氢西红柿红素合酶表达在稻米中，有效地提高愈伤组织中类胡萝卜素含量至每克转基因稻米愈伤组织由328.34至4493.31微克不等。若以上研究成功，往后的研究将加入其它合成类胡萝卜素的酶，把八氢西红柿红素转化成类胡萝卜素，再透过交配技术繁殖出具高赖氨酸及高类胡萝卜素稻米。 由于以上研究匀以稻米本身的基因和酵素为研究对象，避免了将不同物种的基因混合的问题，减低大众对基因改造食物的忧虑,增加市场认受性。
获奖情况及鉴定结果
- 作品中，提高稻米类胡萝卜素含量部分，于2009年4月17日参加在香港中文大学举办的校长杯的比赛，获得研究院组个人组优异奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 是次研究能有效地提高稻米赖氨酸含量，在本项目中使用的诱变基因及其用于改善谷物营养的用途将可申请专利。
作品可展示的形式
- 实物、产品、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 目前还未有发现稻米存有对赖氨酸反馈不敏感的AK和DHPS，我们利用基因诱变方法令它们对反馈不敏感是创新的尝试。另一方面，若是次研究成功，往后的研究会再加入其它合成类胡萝卜素所需的酵素，把八氢西红柿红素转化成类胡萝卜素。此举可避免不同物种的基因混合，减低大众对基因改造食物的忧虑,增加市场认受性。本研究项目透过控制不同的稻米基因，从而提升赖氨酸及类胡萝卜含量，希望能减低营养失衡对物资匮乏的偏远地区的影响。
同类课题研究水平概述
- 稻米是全球超过一半人口赖以生存的基本食粮。然而，它的营养并不均衡，缺乏某些人类必需氨基酸﹝Essential amino acid﹞，特别是赖氨酸﹝Lysine﹞；加上人们在进食稻米前都会先去掉含有不同营养素的谷壳，进食精米，令部份营养大大流失，其中之一就是维生素 A前体﹝Provitamin A﹞或类胡萝卜素。 赖氨酸是一种单胃动物无法合成的氨基酸，故人类只能由食物中摄取。由于稻米的蛋白质营养不全，引致以稻米为主要食粮的地区出现营养不良的病例。 维生素 A是一种油溶性化合物，有助身体正常运作，如视觉及调节与加强免疫系统，固此对维持健康起了重要的作用。由于人体不能自行合成维生素 A，我们只能从食物中摄取。可是，在一些较偏远，物资匮乏的地区，维生素 A缺乏正是它们面对的健康问题之一。 科学家们经过长时间的研究，从而得知植物中的赖氨酸代谢途径及其关键酶。这为往后提高水稻赖氨酸含量的相关研究奠下了基础。天冬氨酸激酶 (AK) 和二氢吡啶羧酸合酶 (DHPS) 是两种参与赖氨酸合成途径的关键酶。不过，这两种酶的活性受制于赖氨酸的反馈调控。它们的序列与野生型相比，只有单碱基替代。遗憾的是，直到目前为止并没有发现水稻有反馈调控不敏感的天冬氨酸激酶和二氢吡啶羧酸合酶自然突变体。 至于维生素 A方面，经过长时间的研究，科学家致力了解植物中胡萝卜素合成途径及其中的关键酶。这为往后提高水稻类胡萝卜素含量的相关研究奠下了基础。类胡萝卜素合成在植物中是一项非常普遍的生物化学反应，目前已有相当多的研究了解它在蕃茄、玉米、稻米，甚至细菌中的作用。类胡萝卜素合成物与植物的颜色，气味，以至叶绿素和植物生长激素的制造都有紧密的关系。当中八氢西红柿红素合酶﹝phytoene synthase,psy﹞是类胡萝卜素生物合成途径中一个非常重要的酵素。它的主要作用是将两个制造类胡萝卜素的原材料，牻牛儿基牻牛儿基二磷酸分子﹝geranylgeranyl phosphate﹞聚合成一个八氢西红柿红素分子。八氢西红柿红素分子其后接受一系列的反应，形成各种不同的胡萝卜素化合物，例如茄红素和类胡萝卜素。在稻米基因组中，已知的八氢西红柿红素合酶共有三个，分别在不同的植物组织发挥作用，以达至不同的果效。近年来，科学家积极就维生素 A前体﹝类胡萝卜素﹞的合成进行研究。
