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方玄昌：從植酸酶玉米說(shuō)起（ZZ）
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http://www.agrogene.cn/info-1773.shtml 提要：植酸酶玉米減少使用無(wú)機(jī)磷，將延緩磷礦資源的枯竭，顯著節(jié)省了成本，還可以增進(jìn)牲畜對(duì)鐵、鋅、鈣、鎂、銅、鉻、錳等礦物質(zhì)元素的吸收；更重要的是，它能有效減少牲畜糞便對(duì)環(huán)境造成的污染。 許多環(huán)保主義者總喜歡以各種手段不厭其煩地表達(dá)對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)的憎恨，認(rèn)為它是破壞環(huán)境的根源所在，卻不了解（或其實(shí)了解但不愿承認(rèn)）一個(gè)環(huán)境學(xué)領(lǐng)域最基本的事實(shí)：對(duì)生態(tài)與環(huán)境破壞最嚴(yán)重的不是工業(yè)，而是農(nóng)業(yè)，尤其是原始農(nóng)業(yè)。 ——農(nóng)業(yè)不僅要侵占大量森林和草地，還要向環(huán)境施放大量農(nóng)藥和化肥，以及“農(nóng)家肥”；原始農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式（即今天所謂的“有機(jī)農(nóng)業(yè)”）由于效率低下，養(yǎng)活同樣多的人口就需要用更多的土地，這意味著更多的森林和草地將被開(kāi)墾為耕地。 “農(nóng)家肥”的污染則是一個(gè)由來(lái)已久的話(huà)題。隨著農(nóng)村勞動(dòng)力大量外出，當(dāng)前越來(lái)越多的“農(nóng)家肥”未經(jīng)田地吸收而直接通過(guò)溪流進(jìn)入江河湖泊，中國(guó)幾乎所有河流湖泊都或多或少遭遇到農(nóng)家肥污染�！稗r(nóng)家肥”帶來(lái)的主要污染物有兩種：氮和磷，正是這兩種物質(zhì)導(dǎo)致水體的富營(yíng)養(yǎng)化。尤其是磷污染，當(dāng)前，中國(guó)每年通過(guò)畜禽糞便流失到環(huán)境中的磷元素達(dá)363萬(wàn)噸，相當(dāng)于通過(guò)化肥流失量的1.2倍。磷污染的處理難度及成本均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氮污染，環(huán)保部門(mén)每處理水體中的一噸磷，平均大約要花費(fèi)人民幣11萬(wàn)元。 磷是生物體必需的元素，作為牲畜飼料主要原料的玉米中富含磷元素，但這些磷卻不能被雞、豬和魚(yú)等動(dòng)物很好地吸收。原來(lái)，玉米中豐富的磷絕大部分以植酸的形式存在。植酸又叫肌醇六磷酸，不僅是玉米，包括水稻、小麥在內(nèi)的其他禾本科植物也以植酸作為磷在種子中的儲(chǔ)存形式。正常情況下，植酸大部分不能被人、雞、豬、魚(yú)等單胃動(dòng)物的消化系統(tǒng)分解，這些動(dòng)物因而不能充分利用其中的磷。 植酸不僅不讓動(dòng)物吸收磷，它還會(huì)與蛋白質(zhì)及鈣、鎂、鐵、鋅、銅、錳、鉻等人體必需元素結(jié)合，影響動(dòng)物對(duì)這些微量元素的吸收。所以亞洲以大米為主食的人們很容易缺鈣，以及因缺鐵而貧血，各種微量元素的缺乏還造成隱性饑餓。同樣，缺鐵、鋅等微量元素也會(huì)影響雞和豬的健康，對(duì)豬的影響尤其重。為了給牲畜補(bǔ)充足夠的磷，人們不得不在飼料中加入含磷的添加劑（主要是磷酸氫鈣），以及鐵、鋅、鎂、錳、銅等各種微量元素。 在飼料中添加無(wú)機(jī)磷能夠應(yīng)對(duì)牲畜缺磷，但它無(wú)助于解決環(huán)境問(wèn)題，相反，這種技術(shù)需要從外界獲取大量磷元素，開(kāi)采磷礦本身也造成污染。更嚴(yán)重的是，農(nóng)業(yè)發(fā)展嚴(yán)重依賴(lài)于磷肥，繼稀土之后，磷礦正成為全球范圍內(nèi)的稀缺資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前地球上可供經(jīng)濟(jì)開(kāi)采的磷礦資源僅夠維持百年之用。 那么，玉米中以植酸形式存在的豐富的磷，是不是就永遠(yuǎn)被封存了呢？不是的。科學(xué)家進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，玉米種子在發(fā)芽的時(shí)候，它會(huì)合成一種叫做植酸酶的蛋白質(zhì)，這種酶能把植酸分解成一分子的肌醇和六分子的磷酸，釋放出可以利用的磷酸�？茖W(xué)家由此設(shè)想，我們能否以同樣道理來(lái)直接獲取玉米中的磷？ 在這一思想指導(dǎo)下，荷蘭科學(xué)家從無(wú)花果曲霉中找到并克隆出植酸酶基因，丹麥NOVO公司利用這種基因，以微生物發(fā)酵的方式生產(chǎn)出植酸酶添加劑。1995年，植酸酶作為飼料添加劑進(jìn)入中國(guó)。那時(shí)的植酸酶制劑極其昂貴，中國(guó)大多數(shù)飼料生產(chǎn)商用不起。 1998年，中國(guó)在“863”項(xiàng)目“單胃畜禽用酸性植酸酶”的研究中取得了重大突破, 姚斌、范云六等人在國(guó)內(nèi)率先利用生物反應(yīng)器大規(guī)模、低成本生產(chǎn)飼料添加劑植酸酶，將其價(jià)格降低到原先的1%左右，成為中國(guó)飼料用酶生產(chǎn)和應(yīng)用的起點(diǎn)。 在飼料中添加植酸酶能較好地解決環(huán)境污染問(wèn)題。但這種技術(shù)對(duì)于農(nóng)村的養(yǎng)豬散戶(hù)鞭長(zhǎng)莫及，因?yàn)樗麄儙缀醪豢赡苁褂煤侠砼浞�、添加了植酸酶的飼料。另外，發(fā)酵工藝生產(chǎn)植酸酶不僅耗費(fèi)大量發(fā)酵材料（糧食），它還是一種高耗能的生產(chǎn)方式，一套30噸容量的發(fā)酵罐，需配備400千瓦的電機(jī)，一個(gè)發(fā)酵周期耗電數(shù)十萬(wàn)度。 中國(guó)科學(xué)家想得更遠(yuǎn)。范云六院士提出一個(gè)問(wèn)題：我們能否將生產(chǎn)和添加植酸酶的兩個(gè)步驟，都合并到玉米生產(chǎn)過(guò)程中完成？這一思想催生了解決磷元素吸收問(wèn)題的新一代技術(shù)——培養(yǎng)出本身富含植酸酶的玉米。 要解決這一問(wèn)題，雜交等傳統(tǒng)育種技術(shù)無(wú)能為力，必須借助于現(xiàn)代生物技術(shù)。轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)讓玉米籽粒含有大量植酸酶的夢(mèng)想，但需要解決以下兩個(gè)問(wèn)題：如何獲得外源植酸酶基因；如何讓這個(gè)基因在玉米籽粒中表達(dá)。 對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，之前范云六、姚斌等人已經(jīng)從黑曲霉中克隆出植酸酶基因。通過(guò)這種基因產(chǎn)生的植酸酶，比玉米發(fā)芽時(shí)產(chǎn)生的植酸酶具有更好的耐熱、耐酸性能，在飼料高溫加工后還能夠在酸性胃液中起作用。范云六等科學(xué)家在1997年為自己的成果申請(qǐng)了中國(guó)專(zhuān)利。 第二個(gè)問(wèn)題的解決也要依賴(lài)于基因控制。中國(guó)科學(xué)家找到了決定胚乳中特異表達(dá)的啟動(dòng)子，將它連同植酸酶基因一同轉(zhuǎn)進(jìn)玉米，就可以讓植酸酶基因在胚乳中表達(dá)。2006年，范云六、陳茹梅等人為這一方法也申請(qǐng)了中國(guó)專(zhuān)利。這樣，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米的兩個(gè)關(guān)鍵專(zhuān)利都已經(jīng)掌握在中國(guó)科學(xué)家手中。 范云六院士將擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的植酸酶基因成功地在玉米種子中得到高效表達(dá)，而且穩(wěn)定遺傳給下一代。通過(guò)動(dòng)物試驗(yàn)，植酸酶玉米初步顯示出它的優(yōu)異特性。研究數(shù)據(jù)表明：轉(zhuǎn)基因玉米完全可以替代微生物發(fā)酵生產(chǎn)的植酸酶添加劑，滿(mǎn)足飼料加工標(biāo)準(zhǔn)的要求。 這種轉(zhuǎn)基因玉米的籽粒中含有大量植酸酶，在加工成飼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。植酸酶玉米減少使用無(wú)機(jī)磷，將延緩磷礦資源的枯竭，顯著節(jié)省了成本，還可以增進(jìn)牲畜對(duì)鐵、鋅、鈣、鎂、銅、鉻、錳等礦物質(zhì)元素的吸收；更重要的是，它能有效減少牲畜糞便對(duì)環(huán)境造成的污染。 可以說(shuō)，植酸酶玉米典型地體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生物技術(shù)——其實(shí)主要就是轉(zhuǎn)基因技術(shù)的威力。 （本文上篇內(nèi)容主要根據(jù)科普宣傳片《神奇的植酸酶玉米》腳本改編） |
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