从植酸酶玉米说起(上)

2014-09-14 | 作者: 方玄昌 | 标签: 从植酸酶玉米说起

提要:植酸酶玉米减少使用无机磷,将延缓磷矿资源的枯竭,显著节省了成本,还可以增进牲畜对铁、锌、钙、镁、铜、铬、锰等矿物质元素的吸收;更重要的是,它能有效减少牲畜粪便对环境造成的污染。

许多环保主义者总喜欢以各种手段不厌其烦地表达对于现代工业的憎恨,认为它是破坏环境的根源所在,却不了解(或其实了解但不愿承认)一个环境学领域最基本的事实:对生态与环境破坏最严重的不是工业,而是农业,尤其是原始农业。

——农业不仅要侵占大量森林和草地,还要向环境施放大量农药和化肥,以及“农家肥”;原始农业生产方式(即今天所谓的“有机农业”)由于效率低下,养活同样多的人口就需要用更多的土地,这意味着更多的森林和草地将被开垦为耕地。

“农家肥”的污染则是一个由来已久的话题。随着农村劳动力大量外出,当前越来越多的“农家肥”未经田地吸收而直接通过溪流进入江河湖泊,中国几乎所有河流湖泊都或多或少遭遇到农家肥污染。“农家肥”带来的主要污染物有两种:氮和磷,正是这两种物质导致水体的富营养化。尤其是磷污染,当前,中国每年通过畜禽粪便流失到环境中的磷元素达363万吨,相当于通过化肥流失量的1.2倍。磷污染的处理难度及成本均远远高于氮污染,环保部门每处理水体中的一吨磷,平均大约要花费人民币11万元。

磷是生物体必需的元素,作为牲畜饲料主要原料的玉米中富含磷元素,但这些磷却不能被鸡、猪和鱼等动物很好地吸收。原来,玉米中丰富的磷绝大部分以植酸的形式存在。植酸又叫肌醇六磷酸,不仅是玉米,包括水稻、小麦在内的其他禾本科植物也以植酸作为磷在种子中的储存形式。正常情况下,植酸大部分不能被人、鸡、猪、鱼等单胃动物的消化系统分解,这些动物因而不能充分利用其中的磷。

植酸不仅不让动物吸收磷,它还会与蛋白质及钙、镁、铁、锌、铜、锰、铬等人体必需元素结合,影响动物对这些微量元素的吸收。所以亚洲以大米为主食的人们很容易缺钙,以及因缺铁而贫血,各种微量元素的缺乏还造成隐性饥饿。同样,缺铁、锌等微量元素也会影响鸡和猪的健康,对猪的影响尤其重。为了给牲畜补充足够的磷,人们不得不在饲料中加入含磷的添加剂(主要是磷酸氢钙),以及铁、锌、镁、锰、铜等各种微量元素。

在饲料中添加无机磷能够应对牲畜缺磷,但它无助于解决环境问题,相反,这种技术需要从外界获取大量磷元素,开采磷矿本身也造成污染。更严重的是,农业发展严重依赖于磷肥,继稀土之后,磷矿正成为全球范围内的稀缺资源。据统计,当前地球上可供经济开采的磷矿资源仅够维持百年之用。

那么,玉米中以植酸形式存在的丰富的磷,是不是就永远被封存了呢?不是的。科学家进一步研究发现,玉米种子在发芽的时候,它会合成一种叫做植酸酶的蛋白质,这种酶能把植酸分解成一分子的肌醇和六分子的磷酸,释放出可以利用的磷酸。科学家由此设想,我们能否以同样道理来直接获取玉米中的磷?

在这一思想指导下,荷兰科学家从无花果曲霉中找到并克隆出植酸酶基因,丹麦NOVO公司利用这种基因,以微生物发酵的方式生产出植酸酶添加剂。1995年,植酸酶作为饲料添加剂进入中国。那时的植酸酶制剂极其昂贵,中国大多数饲料生产商用不起。

1998年,中国在“863”项目“单胃畜禽用酸性植酸酶”的研究中取得了重大突破, 姚斌、范云六等人在国内率先利用生物反应器大规模、低成本生产饲料添加剂植酸酶,将其价格降低到原先的1%左右,成为中国饲料用酶生产和应用的起点。

在饲料中添加植酸酶能较好地解决环境污染问题。但这种技术对于农村的养猪散户鞭长莫及,因为他们几乎不可能使用合理配方、添加了植酸酶的饲料。另外,发酵工艺生产植酸酶不仅耗费大量发酵材料(粮食),它还是一种高耗能的生产方式,一套30吨容量的发酵罐,需配备400千瓦的电机,一个发酵周期耗电数十万度。

中国科学家想得更远。范云六院士提出一个问题:我们能否将生产和添加植酸酶的两个步骤,都合并到玉米生产过程中完成?这一思想催生了解决磷元素吸收问题的新一代技术——培养出本身富含植酸酶的玉米。

要解决这一问题,杂交等传统育种技术无能为力,必须借助于现代生物技术。转基因技术可以实现让玉米籽粒含有大量植酸酶的梦想,但需要解决以下两个问题:如何获得外源植酸酶基因;如何让这个基因在玉米籽粒中表达。

对于第一个问题,之前范云六、姚斌等人已经从黑曲霉中克隆出植酸酶基因。通过这种基因产生的植酸酶,比玉米发芽时产生的植酸酶具有更好的耐热、耐酸性能,在饲料高温加工后还能够在酸性胃液中起作用。范云六等科学家在1997年为自己的成果申请了中国专利。

第二个问题的解决也要依赖于基因控制。中国科学家找到了决定胚乳中特异表达的启动子,将它连同植酸酶基因一同转进玉米,就可以让植酸酶基因在胚乳中表达。2006年,范云六、陈茹梅等人为这一方法也申请了中国专利。这样,转植酸酶基因玉米的两个关键专利都已经掌握在中国科学家手中。

范云六院士将拥有自主知识产权的植酸酶基因成功地在玉米种子中得到高效表达,而且稳定遗传给下一代。通过动物试验,植酸酶玉米初步显示出它的优异特性。研究数据表明:转基因玉米完全可以替代微生物发酵生产的植酸酶添加剂,满足饲料加工标准的要求。

这种转基因玉米的籽粒中含有大量植酸酶,在加工成饲料之后仍然保留活性,在牲畜胃中可以把植酸水解,放出可供牲畜直接吸收利用的磷酸,大大提高了磷的利用率。植酸酶玉米减少使用无机磷,将延缓磷矿资源的枯竭,显著节省了成本,还可以增进牲畜对铁、锌、钙、镁、铜、铬、锰等矿物质元素的吸收;更重要的是,它能有效减少牲畜粪便对环境造成的污染。

可以说,植酸酶玉米典型地体现了农业生物技术——其实主要就是转基因技术的威力。

(本文上篇内容主要根据科普宣传片《神奇的植酸酶玉米》脚本改编)

来源:基因农业网

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