【国科快资讯】原创首发：谷物和土壤微量营养元素地图揭示非洲隐性饥饿问题
谷物和土壤微量营养元素地图揭示非洲隐性饥饿问题
微量营养素不足的饮食会危害人体健康。通过精准定位与缺乏微量营养素谷物有关的非洲地区地图，提供了一种解决此类不足的干预方法。
自然杂志 作者：Ken E.Giller & Shamie Zingore
编译：婧琦
微量营养素缺乏会对动植物和人类的生长发育产生负面影响。由于饮食需求以及社会、经济和文化的劣势，妇女和儿童受到了更为严重的影响。（注释2）如果隐性饥饿在婴幼儿早期造成健康问题导致个人学习能力受到损害，可能会产生终身的负面影响。（注释3）与所有健康问题一样，正确的诊断是迈向有效补救措施的第一步。然而，当由于微量营养素缺乏引起的健康障碍变得明显时，损害已经造成，因此开发能够预测在什么地方发生微量营养素缺乏的方法变得尤为重要。
直接评估人类微量营养素缺乏症需要血液采样，这对跨越广泛地理区域的大规模人口来说是一项复杂的任务。因此，通常使用的办法是通过典型饮食和食物的微量营养素成分表间接评估饮食中微量营养素的摄入量。但是，这种方法常常由于食物质量的局部差异而有失偏颇。
由于土壤、植物、动物和人类健康之间可能的相互联系，土壤中微量营养素的缺乏和饮食对人类健康的影响之间的联系越来越成为研究的热点。在微量营养素缺乏症影响最严重的地区，这种联系的实验性证据往往多变并缺乏证实。我们能根据土壤性质预测可能存在的隐性饥饿吗？Gashu及其同事组成了一个包含土壤科学家和统计人员的庞大团队，这个团队已经在埃塞俄比亚和马拉维的全国范围内解决了这一问题。他们选择了数千个农田来代表较大的地理区域，并从中抽取谷物样本以研究这一问题。
作者克服了主要的后勤挑战，在广阔的地区和短暂的收割期内开展这项工作。将所取得的谷物样品磨碎并进行分析，以确定其钙、铁、硒和锌的浓度。这些是人体饮食中经常缺乏的关键微量营养素。
埃塞俄比亚最常食用的谷类作物是小麦和画眉草（Eragrostis tef 画眉草属苔麸；图1），是一种小种子谷物。作者对埃塞俄比亚的研究表明，小麦和画眉草可以提供建议的所需膳食中钙的四分之一。相比之下，他们发现马拉维的主要谷物玉米只能提供所需钙的3%或更少，玉米还只能提供膳食中硒需求量的四分之一、铁需求量的一半和锌需求量的四分之三。测绘工作揭示了谷物中微量营养素浓度的变化很大，哪怕部分饮食缺乏多样性，单纯谷物的摄入也会导致这些国家的某些地区微量营养素缺乏的风险增加。
图1 |在埃塞俄比亚收获画眉草（Eragrostis tef 画眉草属苔麸）。图片来源：Alamy
乍一看，由于非洲土壤的地图已经被详细绘制，人们可以通过寻找微量营养素缺乏的土壤来简单地绘制人们患有微量营养素缺乏症的模式。不幸的是，这并不是那么简单。一个关键问题是确定这些元素的生物利用度（bioavailability），但这些元素只有少量的可溶性。
尽管进行了数十年的研究，我们仍然缺乏用于测量土壤中微量营养素生物利用度的可靠测试。为什么是这样？首先，微量营养素的生物利用度取决于其化学性质和在含氧（好氧）土壤中氧化态，许多微量营养素以不溶性化合物的形式存在。其次，由于植物选择性吸收养分，即使某些必需养分以极低的浓度存在于土壤中，也会被积极吸收。植物还能够避免吸收有毒的营养物质。一个关键的例子是铁，它在土壤中含量很高，氧化铁使热带土壤具有美丽的深橙色。这种铁大部分为不溶形式，植物仅吸收极少量。
营养物质一旦进入植物，就可以通过各种方式进行运输，这会影响它们是否存在于植物被食用的部分。植物仅在靠近正在生长的根尖位置吸收钙，因为这种微量营养素无法穿过成熟根茎中的细胞层（拴化的内胚层）。钙和铁的运输仅发生在木质部导管中，木质部导管将它们带到植物的叶片和尖端，他们不能被再次转移或在植物的其他地方使用。某些植物部分（例如谷物）或储藏器官（例如块茎）富含由韧皮部组织运送的糖所形成的淀粉。由于这些微量营养素不易被谷物吸收或不存在于被食用的部分，所以多叶蔬菜以及动物源食物（例如肉，牛奶和鸡蛋）对于我们饮食中钙和铁的吸收至关重要。
大量食用主食（例如谷物，根茎类和块茎类食物）来提供能量只会吸收很少的微量营养素。此外，在精制面粉加工的过程中，谷物中的微量营养素可能会被去除，某些谷物和其他食品中含有的分子，例如肌醇六磷酸，会降低微量营养素的生物利用度。因此，人体肠道中养分的生物利用度也是一个主要因素。Gashu等人研究的谷物，只是我们复杂饮食中的一部分。
对土壤下层基岩的评估可以为微量营养素含量提供线索，但农业管理会影响使用此类评估的有效性。人类活动可能对土壤产生正面或负面影响，诸如添加动物粪便之类的活动会增加有机质的积累并改善土壤质量，然而在不补充营养的情况下连续种植会降低土壤肥力。在极端情况下，单个小农户农田的土壤碳含量可能变化三倍之多。（注释4）土壤有机质是微量营养素的重要来源，并有助于调节土壤特性，从而提高作物吸收微量营养素的能力。（注释5）除了农耕程度以外，森林的流失也导致了埃塞俄比亚的饮食多样性减少。（注释6）
Gashu等人生成的详细地图，为今后针对解决隐性饥饿的干预措施提供了有力依据。作者报告说，有关土壤酸碱值的信息提供了一种预测谷物中硒浓度的方法。但是，酸碱值和谷物中锌浓度之间的关系却不太一致。土壤有机质含量与谷物中锌的含量呈正相关。因此，对农作物所生长的土壤的分析似乎无法代替谷物中微量营养素浓度的直接分析。埃塞俄比亚和马拉维位于东非大裂谷的两端，由于地壳板块的上升而形成了较为年轻的土壤。然而非洲微量营养素缺乏症的普遍，可能与覆盖非洲大陆其他大部分地区的更为年长的、风化较为严重的土壤有关。
有明确的证据表明，谷物中微量营养素含量与人类食物摄入量之间存在联系，但这种饮食促进对健康的直接作用则更难确定。例如，除了讨论的生物利用度问题外，人们食用的许多食物都来自市场，而不是他们自己的土地，这也是也值得考虑的因素。
在Gashu及其同事的工作基础之上，隐性饥饿问题未来也许可以被一系列具有针对性的干预措施所解决。通过肥料的平衡使用和土壤的有机质管理来富集土壤，是农艺生物强化的基础。（注释7）通过鉴定富含微量营养素的农作物品种，已经有大量研究投入到开发生物强化的遗传方法中，同时植物可以累积微量营养素的机制的发现也显示出了希望。（注释8）更为直接减轻微量营养素缺乏的途径是直接补充富含微量营养素的食品。但是，也许通过多样化饮食来增加包含大量矿物质和维生素的豆类、蔬菜和动物源性食品的饮食来减轻微量营养素缺乏症是最好的办法。
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-01268-5
来源：https://www.nature.com/articles/d41586-021-01268-5
注释1：Gashu, D. et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-021-03559-3 (2021).
注释2：Independent Expert Group. 2020 Global Nutrition Report: Action on Equity to End Malnutrition Ch. 2 (Development Initiatives Poverty Research Ltd, 2020); https://globalnutritionreport.org/reports/2020-global-nutrition-report
注释3：UNICEF. The State of the World’s Children 2019. Children, Food and Nutrition: Growing Well in a Changing World (UNICEF, 2019); https://www.unicef.org/reports/state-of-worlds-children-2019
注释4：Zingore, S., Murwira, H. K., Delve, R. J. & Giller, K. E. Agric. Ecosyst. Environ. 119, 112–126 (2007). https://doi.org/10.1016%2Fj.agee.2006.06.019
注释5：Wood, S. A. & Baudron, F. Agric. Ecosyst. Environ. 266, 100–108 (2018). https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167880918303025?via%3Dihub
注释6：Baudron, F., Duriaux Chavarría, J.-Y., Remans, R., Yang, K. & Sunderland, T. Ecol. Soc. 22, 28 (2017). https://www.ecologyandsociety.org/vol22/iss2/art28/
注释7：de Valença, A. W., Bake, A., Brouwer, I. D. & Giller, K. E. Global Food Sec. 12, 8–14 (2017). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211912416300487?via%3Dihub
注释8：Lilay, G. H. et al. Nature Plants 7, 137–143 (2021). https://www.nature.com/articles/s41477-021-00856-7 :