PNAS?|?七合一！南科大朱健康團隊創制新一代“功能番茄”，展現抗癌潛力

隨著經濟社會不斷發展，全球性糧食不足導致的饑餓問題已得到關注與改善，而人體缺乏維生素和礦質元素等必需微量營養物質引發“隱性饑餓”，正成為影響人民生活品質的一大威脅。據統計，全球有超過20億人口正處于“隱性饑餓”，其中兒童、孕婦以及中老年人比例更高。“隱性饑餓”不僅影響個人身體健康，也威脅全球和平和可持續發展【1,2】。2015年聯合國提出的《2030年可持續發展議程》中將“結束一切形式的營養不良”作為核心內容之一（SDG2：Zero Hunger），而世界糧農組織將第39個世界糧食日的主題定為“行動造就未來，健康飲食實現零饑餓”，倡導健康飲食來抵抗“隱性饑餓”。在我國，2024年中央一號文件提出“樹立大農業觀、大食物觀，多渠道拓展食物來源”，其中大食物觀強調要提高膳食質量和營養健康水平。增強膳食中營養物質的攝入，是實現人民“吃得好”的核心要素，也是實現新時期 “健康中國”目標的關鍵途徑。

番茄是全球最重要的蔬菜作物之一，其口感優異、營養豐富，廣受全世界人民的喜愛。番茄果實含有人體必需維生素以及番茄紅素、γ-氨基丁酸（GABA）等多種有益健康的功能營養物質【3】，但這些有益物質含量較低，無法滿足人體需求。應用轉基因技術可有效提升番茄果實一種或一類代謝物含量，但難以快速實現多個代謝物的同時提升。近年來，第4代育種技術，即基因編輯育種技術，能夠實現精準、快速、多性狀協同的作物遺傳改良，且在政策監管上具備優勢【4】。2021年，日本率先上市了利用基因編輯技術創制的“高GABA”番茄已成功上市，成為全球第一代基因編輯“功能番茄”【5】，但多種營養物質同時強化的番茄品系仍未有報道。

近日，南方科技大學醫學院/前沿生物技術研究院朱健康院士團隊在PNAS 雜志上發表了題為“Multiplex gene editing enables the multi-biofortification of essential vitamins and other health-promoting phytonutrients in tomato”的研究論文，該研究利用多基因編輯技術對番茄四條代謝通路進行重編程，實現番茄果實中七種功能代謝物的同時提高，創制出營養價值顯著提升，且具有抗癌潛力的新一代“功能番茄”，為解決“隱性饑餓”，增進人民健康，以及建設“健康中國”提供新策略。

在該研究中，研究人員首先在番茄維生素C、維生素D、類胡蘿卜素和GABA四個代謝通路的五個關鍵基因中設計編輯靶點，構建多基因編輯載體并在Alisa Craig (AC)番茄中進行遺傳轉化。通過基因型鑒定和篩選，研究人員獲得無外源基因插入的五基因編輯Five Mutation（5m）株系，其果實呈現明顯的紅褐色，但在株高、單果重等性狀與野生型（WT）無顯著差異。進一步收集番茄果實進行代謝分析發現，與WT番茄相比，5m番茄中多個目標代謝物含量顯著提升，包括必需維生素：維生素D的含量可達0.70 μg/g DW（WT番茄未能檢測到），維生素A前體（β-胡蘿卜素）最高提升3.86倍，維生素C提高2.53倍；其他功能代謝物：番茄紅素最高提升7.07倍，GABA最高提升5.26倍，α-胡蘿卜素和葉黃素也有顯著提高。因此，應用多基因編輯技術可同時編輯番茄四個不同代謝通路的五個基因，使 七種功能營養代謝物含量同時提高，實現番茄果實的多重營養強化（圖1）。

圖1. 多基因編輯技術實現番茄果實七種功能代謝物含量顯著提高

為進一步探索和挖掘多種功能物質提升的5m番茄的功效，研究人員首先將5m番茄的提取物添加至細胞培養基中，發現與添加PBS組、WT番茄組相比，添加5m番茄提取物能夠顯著抑制結直腸癌細胞HCT116細胞的生長。細胞劃痕實驗進一步驗證了5m番茄對HCT116細胞生長和分化的抑制作用。隨后，研究人員在HCT116細胞注射至小鼠體內進行荷瘤實驗，通過喂食水、WT番茄和5m番茄后記錄體內腫瘤的生長情況。結果顯示，在喂食處理21天后發現，喂食5m番茄的小鼠體內腫瘤組織的體積和重量均顯著小于對照組（圖2）。因此，多種功能物質富集的5m番茄在體內和體外均表現出對結直腸癌細胞生長的抑制作用，表明5m番茄具備重要的抗癌潛力，有望為未來人體健康和疾病治療提供新思路。

圖2. 5m番茄可顯著抑制HCT116細胞生長以及和小鼠體內腫瘤生長

南科大醫學院/前沿生物技術研究院研究副教授洪燁淳、博士后余宗峻、碩士生朱文波和高級研究學者孫加雷為本論文的并列第一作者，洪燁淳和朱健康院士為共同通訊作者，南科大為第一通訊單位。南科大醫學院/前沿生物技術研究院高級研究學者朱澤堯、曹民杰，呂宇軒研究助理教授、郎曌博教授、劉朋朋助理教授以及安徽農業大學王鎮教授為本論文提供了幫助。該研究得到國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、廣東省科技廳以及深圳市科技計劃等項目資助。

參考文獻：

1.A. D. Gernand, K. J. Schulze, C. P. Stewart, K. P. West, P. Christian, Micronutrient deficiencies in pregnancy worldwide: health effects and prevention. Nature Reviews Endocrinology 12, 274-289 (2016).

2.S. Passarelli et al., Global estimation of dietary micronutrient inadequacies: a modelling analysis. Lancet Glob Health 12, e1590-e1599 (2024).

3.E. J. Collins, C. Bowyer, A. Tsouza, M. Chopra, Tomatoes: An Extensive Review of the Associated Health Impacts of Tomatoes and Factors That Can Affect Their Cultivation. Biology 11, 239 (2022).

4.A. Tuncel et al., Genome-edited foods. Nature Reviews Bioengineering 1, 799-816 (2023).

5.E. Waltz, GABA-enriched tomato is first CRISPR-edited food to enter market. Nat Biotechnol 40, 9-11 (2022).

論文鏈接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2603937123