美國獲批的轉基因土豆「能減少油炸時產生的丙烯醯胺」具體是怎麼實現的？

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新聞鏈接：美國批准種植轉基因土豆或將進入麥當勞
具體是利用什麼機制？怎麼實現的？有無負面作用？對其他作物有無參考意義？
要能通俗易懂的解釋最好啦~~
本題僅從技術角度討論，技術無關的答案請勿擾^^

利益相關：WUR植物育種組土豆晚疫病方向PhD student

@陸旭和 @真霸道總裁已經把RNAi部分解釋的非常詳細，而且@真霸道總裁把天冬醯胺+糖產生丙烯醯胺的過程解釋的也很詳細，但是感覺對於非專業的人來說不太容易看懂，所以想試著用更易懂的方式來回答這個問題。

首先要先明確一個事情，Innate土豆有兩個性狀，一個是能減少運輸和儲藏過程中擠壓導致的發黑，另一個是在減少烹飪（主要是油炸）過程中潛在致癌物質丙烯醯胺的形成。所以我們先從這個問題下手：為什麼我們需要這種Innate土豆？

1. 為什麼我們需要這種Innate土豆？

Innate土豆改善了兩個重要的性狀：1. 這種土豆可以減少積壓導致的黑斑，目前，成千上萬噸的土豆都因為壓過的土豆都無法進入市場，導致了每年上百萬美元的損失。這個性狀同樣可以防止在土豆切開後變成棕色。2. 這種土豆減少了丙烯醯胺(acrylamide)，這種物質在澱粉食物的油炸過程中會產生，並且被懷疑有致癌作用。

讓我們來看看這些改善意味著什麼：

Innate土豆在運輸過程中就會減少44%土豆的擠壓損傷

種植者，餐館和零售商可以每年減少收穫後400百萬磅（2000噸）土豆的損失，消費者丟掉的新鮮土豆僅僅在美國就會減少28%，這就是將近30億磅（15000噸），沒有浪費這些土豆表示更好的土地和資源利用效率，這意味著少用20%的水，化肥和燃料。

2. 為什麼叫innate potato?

Innate是Simplot持有的專利技術，可以通過土豆本身的基因實現有利的性狀，而不使用來自其他物種的外源基因。通過這種技術得到的土豆不會有環境危害，不會對其他物種產生危害，並且在大規模的田間測試中也表現的普通的土豆一樣。

3. 為什麼說Innate土豆能減少致癌物質？

在食品工業里有一個很重要的術語，叫做美拉德反應 (Maillard)（圖1）, 在土豆加熱的事後就會產生這個反應，天冬醯胺(Asparagine)是一種氨基酸，當它和還原性糖(土豆中大量的澱粉轉化而成的葡萄糖和果糖)共同加熱的情況下(比如炸薯條),就會發生美拉德反應產生丙烯醯胺(Acrylamide),而丙烯醯胺是潛在的致癌物質。所以減少天冬醯胺，或者減少糖都可以減少丙烯醯胺的產生（圖2）

圖1：烤過得香腸又焦又香，這就是美拉德反應。（圖片來自wiki, 美拉德反應詞條）

圖2：天冬醯胺+糖——&>丙烯醯胺

3. 通過RNAi減少土豆擠壓後變黑和油炸後產生潛在致癌物質的原理：

這個插入的基因來自栽培土豆或者野生土豆(可雜交的親緣物種)。在插入土豆基因組的時候沒有引入外源基因，沒有抗生素標記和載體骨架序列。使用的載體叫做PSIM1278, 將兩個有沉默功能的模塊轉入土豆。第一個模塊的表達可以降低天冬醯胺合成酶-1(asparagine synthetase-1, Asn1)和多酚氧化酶(polyphenol oxidase-5，Ppo5)基因的轉錄水平，因此限制了潛在致癌物質丙烯醯胺前提天冬醯胺的形成，同時還影響了導致土豆擠壓後變黑的多酚氧化酶的產生。

第二個模塊里同樣包含兩個功能，一個是通過下調磷酸化酶(phosphorylase-L)和澱粉相關的基因(R1)的轉錄水平從而減少還原性糖的形成。這個性狀是通過減慢澱粉轉化成還原性糖(比如葡萄糖和果糖)的速度。轉進這兩個模塊的好處是可以改善品質，尤其是保持顏色，比如消費者喜歡的金黃色的炸薯。同時，也通過減少了和氨基酸反應的還原糖，從而減少了美拉德反應產生的丙烯醯胺。

4. RNAi的原理，見@陸旭和@真霸道總裁的答案

負面作用？

說實話我想不出，如果說轉外源基因的話(比如著名的Bt蛋白)反對者會拿出「蟲子吃了會死，人吃了會怎樣」這種說辭，這次用的可是土豆里本身就存在，且可雜交的的cisgenesis技術。就是說這些基因和性狀本身就可能通過傳統的雜交育種導入，且遺傳背景非常單純。

對其他物種有無參考意義？

有！至少從宣傳的角度，跟老百姓講的時候，說這是土豆里本來就有的，可比講這事從某個細菌里搞出來的毒性蛋白，我們把它放到了水稻里這樣的故事讓人心安是吧？

Reference:

1. QA with Haven Baker on Simplot』s Innate? Potatoes ? Biology Fortified, Inc.

2. McDonald』s mulling embrace of Simplot』s bruise-reducing Innate GMO potato
3. http://www.nytimes.com/2014/11/08/business/genetically-modified-potato-from-simplot-approved-by-usda.html?_r=0
4. Simplot Plant Sciences

和通常運用的轉基因技術不同，Innate土豆採用了一種叫做RNAi的技術。

性狀是由蛋白質控制的，而蛋白質是由DNA轉錄到mRNA再轉譯來的。如果要人為設計一個性狀，那就需要讓受體表達的蛋白質發生改變。改變包括多了一種新的蛋白質（如傳統的轉基因技術，抗蟲和抗除草劑作物表達了抗蟲蛋白和抗除草劑蛋白），或者改變原有蛋白質的性質（如傳統的誘變育種，使遺傳物質發生改變進而表達出的蛋白質的氨基酸序列產生變化），或者少了一種原有的蛋白質，或者說基因沉默，RNAi就是一種常見的基因沉默方法。

RNAi技術的原理， @路旭介紹得很清楚。簡而言之，就是雙鏈RNA（dsRNA）特異性沉默同源基因。這個沉默可以是直接讓DNA不轉錄，稱作轉錄沉默（TGS）；也可以是抑制轉錄而來的mRNA的轉譯，但DNA轉錄為mRNA的過程不受影響，稱作轉錄後沉默（PTGS）。那麼如何運用RNAi呢？要麼，將dsRNA直接注入到細胞內，要麼運用轉基因技術，使細胞能夠自己表達dsRNA。於是，RNAi就和傳統的轉基因技術產生了交集。在實際運用中，PTGS比較常見。PTGS相關的RNAi雖然是dsRNA在起作用，但是它並不和直接同目標基因的mRNA作用，而是先通過Dicer酶切割成更小的siRNA，siRNA再解旋，其中一條單鏈（常常是反義鏈）和蛋白質結合形成了一個複合物叫RISC。反義鏈起到了定位作用，通過與mRNA的互補將RISC牽到mRNA身旁，並對mRNA進行切割。所以，具體運用轉基因技術進行RNAi時，並不是一定要表達dsRNA，單鏈RNA（ssRNA）也可以得到類似效果。當前，有3種轉基因方法可以引起植物內源基因的RNA沉默：產生雙鏈RNA轉錄本的反向重複RNAi (IR-RNAi)、反義RNA (anti-senseRNA)和正義過量表達外源基因(senseRNA)。但是，就效果而言，還是表達dsRNA的IR-RNAi最好——這正是Innate土豆採用的方法。

對食物進行高溫處理，還原糖和氨基酸會發生反應，導致食物的氣味、顏色和營養價值發生改變，這個反應通常被稱為Maillard反應——導致美食擁有特殊風味的反應。但是，某些氨基酸同還原糖的Maillard反應也會導致潛在致癌物丙烯醯胺的產生（圖1）。

圖1 谷氨醯胺（三角形）、天冬醯胺（正方形）和甲硫氨酸（圓形）生成丙烯醯胺能力比較[1]

innate土豆運用RNAi技術，抑制了形成天冬醯胺和還原糖的酶的表達，從而降低這二者的含量，進而降低了丙烯醯胺的產生量。從圖1來看，天冬醯胺顯然對丙烯醯胺的生成的貢獻最大，因此這是對天冬醯胺下手的原因。根據FDA的一項調查，來自土豆的丙烯醯胺佔據了美國人從膳食中攝取的丙烯醯胺的35%，所以這是對土豆下手的原因。

具體如何操作的，Simplot公司的申請書[2]上有詳細說明。首先是還原糖。

The W8 event contains expression cassettes that could lower levels of reducing sugars by multiple mechanisms. Through the transformation with pSIM1278, we introduced a silencing cassette for the promoters of the starch associated gene (R1) and the phosphorylase-L gene (PhL) inserted between promoters that are predominantly active in tubers. Together, these traits function by slowing the conversion of starch to reducing sugars (glucose and fructose). The result of this silencing strategy was lowered levels of the reducing sugars glucose and fructose at harvest or when analyzed at one month after harvest (Collinge and Clark 2013). Another gene silencing cassette, for the invertase gene (Ye et al. 2010), was introduced into event W8 using the transformation vector pSIM1678. A reduction in invertase from gene silencing should reduce the conversion of sucrose to reducing sugars during cold storage, inhibit formation of sugar related defects such as sugar ends in french fries, and result in even lower levels of acrylamide upon frying. Overall benefits of silencing R1, PhL, and VInv include improved quality, especially relating to color control, and thus contributing to the desired golden brown colors required by most french fry or chip customers. Also, the reducing sugars react with amino acids, such as asparagine, to produce Maillard products including acrylamide.

試著翻譯一下。W8轉化事件包含能夠通過多種機制降低還原糖水平的表達組件。通過pSIM1278的轉化，我們導入了澱粉相關基因R1啟動子的沉默組件，並將磷酸化酶-L基因PhL插入到塊莖中很有活性的啟動子之間。這些工作能夠減緩澱粉向還原糖（葡萄糖和果糖）的轉變。這些沉默策略的結果是降低了剛收穫和收穫一個月後的還原糖水平。另一個基因沉默組件是針對轉化酶基因Vlnv，使用pSIM1678導入。轉化酶的減少抑制了冷藏時蔗糖向還原糖的轉變，這不僅更加降低了丙烯醯胺的生成，還改善了薯條的口感。R1、PhL和Vlnv的沉默，提高了土豆的品質，特別是顏色控制，能夠得到消費者喜聞樂見的金黃色。當然還有抑制了氨基酸與還原糖的反應，降低了包括丙烯醯胺在內的Maillard產物的水平。

圖2 植物中天冬醯胺和谷氨醯胺的生物合成途徑[2]

然後是天冬醯胺。天冬醯胺的生物合成途徑如圖2所示。同天冬醯胺合成相關的基因是天冬醯胺合成酶-1基因Asn1，這也是innate土豆中被抑制了表達的基因。效果很明顯（表1），轉基因的Innate土豆相比其受體Burbank土豆，天冬醯胺含量顯著下降，而天冬氨酸、谷氨醯胺和谷氨酸的含量則顯著增加——這正是意料之中的事情，原因參見圖2。

表1 收穫土豆遊離氨基酸的含量[2]

參考文獻

[1] Stadler R H, Blank I, Varga N, et al. Food chemistry: acrylamide from Maillard reaction products[J]. Nature, 2002, 419(6906): 449-450.

[2]http://www.aphis.usda.gov/brs/aphisdocs/14_09301p.pdf

新聞中提到的轉基因土豆利用了RNAi（RNA Interference）技術抑制天冬醯胺的合成，而天冬醯胺可以和澱粉在高溫下生成丙烯醯胺。那麼RNAi是種什麼技術呢？

RNAi技術是什麼？
中文翻譯為核酸干擾技術，是一種利用小RNA(21-24bp）來抑制生物體內特定基因表達的分子生物技術。安德魯?法爾和克雷格?門羅因為1998年發明此項技術獲得了2006年的諾貝爾獎，獲獎速度堪稱神速。
RNAi技術的原理，簡單來說就是在DNA轉錄成mRNA後，有一些能和mRNA匹配的負鏈小RNA可以和mRNA結合，從而抑制mRNA翻譯蛋白，同時招募一類RNA酶將此mRNA降解，從而達到抑制該基因的作用。
這種機制是真核生物中的固有機制，而RNAi技術則是巧妙的運用這套系統，將一個內源基因的小片段利用轉基因的技術轉入生物基因組內，從而達到沉默該內源基因的作用。

有無負面作用？
經過嚴格測試批准上市的轉基因作物，理應認為沒有發現負面影響。從RNAi技術的原理上來看，對食用也不會造成負面影響。只是天冬醯胺在植物抗逆境過程中起到了一定的作用，所以這種作物可能對非生物脅迫的抗性有影響，在乾旱，水澇，凍害等極端條件下的表現可能不如傳統品種。

對其他作物有無參考意義？
對其他作物的參考意義，我覺得主要不是針對這種技術的，因為這種技術已經非常成熟，在操作層面沒有難度。我覺得主要的參考意義在於這次針對的改良性狀將一種在傳統作物中不可避免的可能對人體有危害的物質降低，從而使食物變得更健康。這個思路可能會讓人們對轉基因作物的態度以及接受程度有所改觀。
如果轉基因技術使得對花生過敏的人也可以吃到花生，不必擔心可能致命的過敏，或者不再因為土豆中的龍葵鹼導致食物中毒和大量的土豆白白丟棄，等等。
當科學家利用轉基因技術，不僅僅使作物經濟性狀提高，而且也讓消費者吃得更健康的時候，一面是虛無的「可能的危害」，另一面是實實在在的益處，權衡利弊之下，對轉基因作物的接受程度也會隨之慢慢增高吧。
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剛才看到有知友 @任仁對我提出了質疑。我在這裡放兩個參考資料的鏈接，有興趣的各位可以看一下。

PS：引用文獻盡量要引近期的，33年前的中文文獻，要慎重引用。

QA with Haven Baker on Simplot』s Innate? Potatoes
天冬醯胺合成酶的特性及其功能研究進展

以下內容來自Simplot W8轉基因土豆提交FDA安全審查報告（簡述）的節選，鏈接：

BNF Memos: Biotechnology Consultation - Note to the File BNF No. 000146

Simplot reports statistically significant differences between the W8 potato and the control for vitamins B6 and C, total alanine, total aspartic acid, total glutamic acid, total glycine, total leucine, total proline, total serine, total threonine and total tyrosine. All mean values, including those representing statistically significant differences, fell within the tolerance intervals and combined literature ranges, except for total aspartic acid.

最後有一則相關腳註：

Mean value for total aspartic acid in W8 potato fell below the lowest value in the combined literature ranges. The lower total levels of this non-essential amino acid would not raise a nutritional concern.

報告聲稱發現一些物質與非轉基因的對照組有差異，但除總天冬氨酸外，大多落入文獻報道範圍內（這裡存疑，先不展開討論）。腳註聲明總天冬氨酸含量低於文獻報道值值，但由於是非必需氨基酸，因此不會引起營養方面的隱患。

這就是驗證轉基因土豆安全性的報告。其它營養成分的比對方式都暫不考慮，單看總天冬氨酸含量這一部分，真的就可靠嗎？

實際上，總天冬氨酸含量的降低並不單純只有營養學上的意義。W8轉基因土豆的設計是降低遊離天冬醯胺的含量，而遊離天冬氨酸的含量預期會提高。這兩種預期效果被檢測到。也就是說遊離的天冬氨酸含量提高，但總天冬氨酸（遊離+結合）的含量降低。除部分tRNA外，結合天冬氨酸主要存在於蛋白質中，但總蛋白質含量並未呈現顯著性差異，因此總天冬氨酸降低的機制十分可疑。考慮到該轉基因作物中有五個基因被下調，額外轉入一個外源基因，氨基酸分布在不同蛋白質中的差異可能可以解釋這一變化，但也需要深入的分析。可惜報告急切而令人遺憾地以營養方式結束這一問題。

再者，為避免土豆發黑而降低了一種多酚氧化酶的表達，這個酶的底物特異性和代謝譜根本就不清楚（如有異議，請提供文獻）。土豆氧化發黑產生的鄰醌類物質是否有毒性並不清楚。也就是說這是一個以目前看來單純為了改變消費者感官引入的性狀。本來切開放久就會發黑的土豆，如果使用這株轉基因土豆就可以避免。且不說對代謝的影響，單就這個性狀來說對消費者到底是好事還是壞事，請再思考一下做出判斷。

最後，按照支持轉基因的同志們對轉基因與致癌性相關的要求，似乎丙烯醯胺的致癌性證據也並不多。比如參考這裡

Acrylamide in Food and Cancer Risk

其中提到Studies in rodent models have found that acrylamide exposure poses a risk for several types of cancer. However, the evidence from human studies is still incomplete.

就連嚙齒類的實驗結果也不盡相同。例如

Acrylamide does not induce tumorigenesis or major defects in mice in vivo

在這樣的證據支持下，為了排除這個潛在風險，開發出這樣一個土豆，得出這樣的安全檢測結果。

第一次被邀，感謝題主。
由於來得太晚，排前三的回答已經把乾貨說得差不多了，就補充一點個人的看法吧。
1、實現方式：RNA干擾
原理不多說了。最終的結果是讓土豆少表達天冬醯胺合成和澱粉分解的相關酶類，也就是說，土豆中多了一些正常情況下沒有的核酸，少了一些正常情況下存在的蛋白質，少了很多天冬醯胺和葡萄糖。
2、對人體影響
前二者是極微量的，考慮到人的消化系統不直接吸收核酸和蛋白質，也不應產生什麼影響。天冬醯胺並非人體必需氨基酸，人體可以消化澱粉，也不會有很大影響。但這些成分的減少多少會影響土豆的口感。
3、對土豆影響
我沒有具體研究植物代謝，不能給出準確結論。僅僅提出可能情況：這個研究是直接抑制天冬醯胺的合成，而不是促進其轉化，有沒有可能影響土豆正常的蛋白質合成，也就是減少產量。另一個問題 @路旭已經提到了，其實不僅僅是天冬醯胺，還原糖對於植物抗凍也是有一定意義的，這不僅會降低土豆的抗逆性，對於其冷藏保存同樣會產生影響。
總之，對於土豆本身會產生負面影響，而對於人多少是有益的。
4、參考意義
我覺得這主要體現了對於環保勢力的妥協：我們沒有採用外源基因，僅僅是加快了雜交育種的步伐。我個人對此表示理解，但不能接受。要知道在自然界中本來就有很多機會可以引入外源基因，轉基因僅僅是擴大了外源基因引進的範圍，加快了速度，還有更重要的一點，這是可控的。
另外夾帶一點私貨：很多人反對轉基因僅僅因為這是新技術。如果在天涯和貼吧問一下，我敢說很多人會連化肥都反對，他們需要的不是安全，是原生態。在技術上做文章並不能改變這部分人的看法。

具體是利用什麼機制？怎麼實現的？有無負面作用？對其他作物有無參考意義？
要能通俗易懂的解釋最好啦~~

怎麼實現的我不清楚，但是記得若干年前看過一篇文章講過，轉基因後的作物有可能與它的野外近親雜交。記得袁隆平的雜交水稻嗎？那個就是水稻育野外品種雜交來的。

或者換個角度想：農作物不就是我們人類祖先從野外植物（雜草什麼的）中挑選可以食用的，然後千百年來一代代優選，不斷把產量高的挑出來選擇培育成的嗎？

試想未來大規模推廣轉基因作物的話，很多轉基因作物具有抗蟲抗旱抗凍基因，無需化肥無需農藥（種植成本低），簡直就是植物中的超人，基因改造戰士，有機生命中的戰鬥機。

假若轉基因作物與野外近親雜交，產生的後代必然也繼承以上基因，由於野外近親其實與雜草無異，所以沒準雜交後代生命力更頑強，雜交後代會不會泛濫？這會不會造成比物種入侵更嚴重的後果？

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ps：反倒是我不擔心樓主說的這種轉基因作物，也就是在土豆里加些對人類有益或減去對人有害的物質。這種產品就像藥品、化妝品一樣一定會經過大量嚴格測試和實驗。吃這樣的產品我相信比吃些奇怪的野菜都要健康的多，畢竟沒有人回去測試、實驗野菜里的成分，或許某種野菜裡面就含有對人體有害的物質，只是影響小，吃得少的話很難感覺到。

第一次被邀，謝啦。非植物專業，沒具體研究過，但基本原理是清楚的，粗看了一下用RNAi的方法干擾天冬醯胺的合成，從而避免油炸時丙烯醯胺的生產。1.轉的是另一種土豆的基因，不表達什麼跨物種的蛋白 2.主要是靠沉默相關合成酶的啟動子從而抑制相關合成酶的轉錄達到的，看不出有什麼風險，有也是對土豆有風險，也許哪天就沒收成了。從我個人來說，我更願意接受。扯遠點，如果轉基因可以避免使用農藥，我更願意吃轉基因，農藥殘留好可怕。。。