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水稻品种籽粒中铁生物有效性差异及机制

何万领  
【摘要】: 铁是人体必需的微量矿物元素之一,主要参与氧的运输和能量代谢。铁缺乏是个世界性营养失调问题,占世界总人口的1/3人群面临着铁缺乏的威胁。稻米是主要粮食作物,为世界上一半人口提供能量和营养的需要,提高稻米铁含量及铁生物有效性可有效改善人体铁营养状况。本研究利用体外消化/Caco-2细胞模型研究了稻米籽粒铁生物有效性差异,以及叶面铁肥、土壤类型、种植地点和年份对稻米铁生物有效性的影响。结果如下: Caco-2细胞接种于Transwell细胞转运培养槽的聚碳酯微孔滤膜上,在37℃和5%二氧化碳浓度培养条件下,培养21d,细胞跨膜电阻值稳定在590 Ohms·cm~2;甘露醇透过率低于0.07%·h~(-1)·cm~(-2);肠腔侧(AP)碱性磷酸酶活性显著高于基底侧(BL)。表明,在本实验室条件下,Caco-2细胞模型能够形成与小肠上皮细胞相似的形态学结构,细胞间已形成紧密连接,并产生极化状态,可作为肠道吸收的体外模型。 在不同铁浓度和pH下,研究Caco-2细胞吸收转运模型(模型Ⅰ)和细胞吸收转化模型(模型Ⅱ)对铁的吸收性能。结果表明,两种模型铁吸收均与pH呈负相关,铁吸收随铁浓度增加而增加;当铁浓度25μmol/L以上时,模型Ⅱ铁吸收增加趋势显著低于模型Ⅰ。表明,在高铁浓度时,模型Ⅱ有一定局限性。因此,本研究以下试验均采用模型Ⅰ。 对Caco-2细胞铁吸收影响因素表明,草酸盐对二价铁抑制作用大于三价铁,随草酸盐/铁摩尔比,对二价铁抑制逐渐增加,5:1时有最大抑制;仅摩尔比为3:1以上时,草酸盐对三价铁有抑制作用。随硅酸盐/铁摩尔比增加,二价铁生物有效性逐渐降低,摩尔比为3:1时,铁生物有效性最低;硅酸盐对三价铁无影响。植酸对二价铁抑制作用大于三价铁。随着钙和锌水平增加,二价铁生物有效性出现不同程度的降低,最大的抑制分别出现在钙/铁摩尔比为1:1时和锌/铁摩尔比为3:1时。半胱氨酸、胱氨酸和抗坏血酸对细胞铁吸收有促进作用,且随浓度增加而增加。不同铁化合物生物有效性比较表明,柠檬酸亚铁和血红素铁铁生物有效性最高,元素铁粉最低,但减小其粒径可显著提高铁生物有效性,与其他铁化合物相比,元素铁粉受食物因子影响最小。 铁对Caco-2细胞毒性研究表明,当铁浓度大于1.5mM时,二价铁对细胞的毒性大于三价铁,细胞的生存能力明显降低。LDH释放量测定表明,二价铁的氧化破坏使细胞膜的稳定性降低。Caco-2细胞SOD和GPx活性均随着铁处理水平增加而增加,且二价铁处理组两种酶活性增加幅度高于三价铁组,提示在高铁水平下,二价铁和三价铁均能诱导细胞抗氧化酶基因表达的作用。 利用比色法和ICP-MS技术对“长三角”972个水稻基因型糙米铁含量分析表明,比色法测定铁含量最低值为15.74mg/kg,最高为54.68mg/kg,平均值35.01mg/kg;ICP-MS法测得最低值为5.25mg/kg,最高20.55mg/kg,平均值13.49mg/kg。两种方法显著相关,相关系数达0.7699。最终筛选出的13个水稻基因型,精米铁含量具有较大差异,其中铁含量最低为3.7mg/kg,最高达9.9mg/kg。利用Caco-2细胞模型进行铁生物有效性分析表明,基因型Gpei55、guangN66、HB075、TN7189显著高于其他基因型,而铁含量较高的JiaXingZD、HESQ57和GuangD50基因型,其铁生物有效性并不高,相反,铁含量最低的guangN66基因型却表现出最高的铁生物有效性。水稻精米籽粒铁生物有效性与半胱氨酸(P<0.01)、硫(P<0.01)含量呈极显著正相关;与磷(P<0.05)含量呈显著负相关。添加抗坏血酸能够显著提高稻米铁生物有效性。 土壤类型对糙米营养品质影响表明,种植在小粉土和青紫泥的水稻铁富集量高于黄红壤(P>0.05;P>0.05);钙、铜、锌、蛋白质及直链淀粉含量受土壤类型影响不大;植酸(P<0.05)和总磷(P>0.05)含量黄红壤低于其他土壤;硫(P<0.05)含量小粉土显著低于其他土壤,黄红壤最高;半胱氨酸水平黄红壤高于小粉土(P<0.05)和青紫泥(P<0.05);其他16种氨基酸含量青紫泥均显著高于小粉土(P<0.05)和黄红壤(P<0.05)。铁生物有效性结果表明,糙米可透析铁量和细胞铁蛋白形成量黄红壤显著高于小粉土(P<0.05)和青紫泥(P<0.05),小粉土和青紫泥间变化不大;细胞转运铁量黄红壤显著的低于小粉土(P<0.05)和青紫泥(P<0.05),青紫泥细胞转运铁量最高。基因型间比较表明,IR64可透析铁量(P<0.05)和细胞铁蛋白形成量(P<0.05)最低,基因型TN7189和IR68144最高;细胞转运铁量IR64和TN7189低于其他两品种(P<0.05,P<0.05),以基因型IR68144细胞转运铁量最高。铁蛋白形成量与可透析铁(P<0.05)呈显著正相关;与植酸(P<0.05)和总磷含量(P<0.05)呈显著负相关;与总铁含量没有相关(P>0.05)。 4个来自国际水稻所(IRRI)的水稻基因型在我国杭州、东辉和海宁种植2年表明,精米铁和钙含量明显受基因型(P<0.01;P<0.01)和基因型—环境效应(P<0.01;P<0.01)的影响;铜和锰受基因型(P<0.05;P<0.01)和环境(P<0.05;P<0.01)影响较大;锌主要受基因型影响。水稻籽粒蛋白质含量杭州高于东辉和海宁;直链淀粉含量受种植地点影响不大;植酸和磷含量均是东辉最高,而硫含量最低。水稻籽粒17种氨基酸水平均表现为杭州高于东辉和海宁。稻米铁生物有效性分析表明,基因型IR68144最高,IR72最低。铁生物有效性与植酸(P<0.05)和磷(P<0.01)含量呈显著负相关,与半胱氨酸(P<0.01)和硫(P<0.01)呈极显著正相关,与铁含量无明显相关性。第二年水稻籽粒铁生物有效性显著高于第一年(P<0.05)。基因型和基因型-环境互作效应对铁生物有效性具有显著影响(P<0.01;P<0.01)。 叶面铁肥对水稻基因型籽粒中营养品质及铁生物有效性的影响表明,叶面铁肥均不同程度的提高了两个水稻基因型精米中铁含量。叶面铁肥FeSO_4(P<0.05)和EDTAFeNa(P<0.05)显著提高了基因型HB075籽粒中半胱氨酸水平,而对基因型TN7189籽粒中半胱氨酸水平影响不显著。几种铁肥均显著降低了基因型HB075籽粒中植酸含量(P<0.05),除HEDTAFe(P>0.05)外,其他铁肥均显著降低了基因型TN7189籽粒中植酸含量(P<0.05);几种铁肥也不同程度的降低了两种水稻基因型籽粒中磷的水平;铁肥显著提高了基因型HB075籽粒中硫的含量(P<0.05),但对基因型TN7189的影响不大(P>0.05);铁肥DTPAFe(P<0.05)显著提高了基因型HB075籽粒中钙含量。HEDTAFe则显著提高了基因型TN7189籽粒中钙含量;铁肥处理不同程度的提高了基因型HB075籽粒中铜和锌含量,尤其以DTPAFe对铜和锌的提高效果最好(P<0.05;P<0.05)。而,HEDTAFe铁肥显著提高了基因型TN7189籽粒铜含量(P<0.05),EDTAFeNa则显著降低了其籽粒中锌含量(P<0.05)。其他铁肥对基因型TN7189籽粒中铜和锌有一定促进作用,但均未达显著水平(P>0.05)。水稻籽粒铁生物有效性存在显著的基因型差异,基因型HB075铁生物有效性显著高于TN7189(P<0.05)。叶面铁肥对两品种铁生物有效性影响表明,喷施本实验中几种铁不能显著提高两种水稻籽粒铁可透析量;但铁肥处理却不同程度的提高了基因型HB075细胞铁蛋白形成量,而对基因型TN7189影响不大;叶面铁肥FeSO_4(P<0.05)和DTPAFe(P<0.05)显著提高了基因型HB075籽粒细胞转运铁量,FeSO_4(P>0.05)、EDTAFe(P<0.05)和HEDTAFe(P>0.05)则提高了基因型TN7189籽粒细胞转运铁量。以上结果表明,水稻籽粒铁生物有效性主要受基因型控制,喷施不同种类的铁肥对其有一定促进作用,且与水稻基因型存在密切关系。


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