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提要：植酸酶玉米減少使用無機磷，將延緩磷礦資源的枯竭，顯著節(jié)省了成本，還可以增進牲畜對鐵、鋅、鈣、鎂、銅、鉻、錳等礦物質元素的吸收；更重要的是，它能有效減少牲畜糞便對環(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對于現(xiàn)代工業(yè)的憎恨，認為它是破壞環(huán)境的根源所在，卻不了解（或其實了解但不愿承認）一個環(huán)境學領域最基本的事實：對生態(tài)與環(huán)境破壞最嚴重的不是工業(yè)，而是農業(yè)，尤其是原始農業(yè)。 ——農業(yè)不僅要侵占大量森林和草地，還要向環(huán)境施放大量農藥和化肥，以及“農家肥”；原始農業(yè)生產方式（即今天所謂的“有機農業(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墾為耕地。 “農家肥”的污染則是一個由來已久的話題。隨著農村勞動力大量外出，當前越來越多的“農家肥”未經田地吸收而直接通過溪流進入江河湖泊，中國幾乎所有河流 湖泊都或多或少遭遇到農家肥污染?！稗r家肥”帶來的主要污染物有兩種：氮和磷，正是這兩種物質導致水體的富營養(yǎng)化。尤其是磷污染，當前，中國每年通過畜禽 糞便流失到環(huán)境中的磷元素達363萬噸，相當于通過化肥流失量的1.2倍。磷污染的處理難度及成本均遠遠高于氮污染，環(huán)保部門每處理水體中的一噸磷，平均 大約要花費人民幣11萬元。 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、豬和魚等動物很好地吸收。原來，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、小麥在內的其他禾本科植物也以植酸作為磷在種子中的儲存形式。正常情況下，植酸大部分不能被人、雞、 豬、魚等單胃動物的消化系統(tǒng)分解，這些動物因而不能充分利用其中的磷。 植酸不僅不讓動物吸收磷，它還會與蛋白質及鈣、鎂、鐵、鋅、銅、錳、鉻等人體必需元素結合，影響動物對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、鋅等微量元素也會影響雞和豬的健康，對豬的影響尤其重。為了給牲畜補充足夠 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。 在飼料中添加無機磷能夠應對牲畜缺磷，但它無助于解決環(huán)境問題，相反，這種技術需要從外界獲取大量磷元素，開采磷礦本身也造成污染。更嚴重的是，農業(yè)發(fā)展 嚴重依賴于磷肥，繼稀土之后，磷礦正成為全球范圍內的稀缺資源。據統(tǒng)計，當前地球上可供經濟開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，是不是就永遠被封存了呢？不是的。科學家進一步研究發(fā)現(xiàn)，玉米種子在發(fā)芽的時候，它會合成一種叫做植酸酶的蛋白 質，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家由此設想，我們能否以同樣道理來直接獲取玉米中的磷？ 在這一思想指導下，荷蘭科學家從無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)酵的方式生產出植酸酶添加劑。1995年，植酸酶作為飼料添加劑進入中國。那時的植酸酶制劑極其昂貴，中國大多數飼料生產商用不起。 1998年，中國在“863”項目“單胃畜禽用酸性植酸酶”的研究中取得了重大突破, 姚斌、范云六等人在國內率先利用生物反應器大規(guī)模、低成本生產飼料添加劑植酸酶，將其價格降低到原先的1%左右，成為中國飼料用酶生產和應用的起點。 在飼料中添加植酸酶能較好地解決環(huán)境污染問題。但這種技術對于農村的養(yǎng)豬散戶鞭長莫及，因為他們幾乎不可能使用合理配方、添加了植酸酶的飼料。另外，發(fā)酵 工藝生產植酸酶不僅耗費大量發(fā)酵材料（糧食），它還是一種高耗能的生產方式，一套30噸容量的發(fā)酵罐，需配備400千瓦的電機，一個發(fā)酵周期耗電數十萬度。 中國科學家想得更遠。范云六院士提出一個問題：我們能否將生產和添加植酸酶的兩個步驟，都合并到玉米生產過程中完成？這一思想催生了解決磷元素吸收問題的新一代技術——培養(yǎng)出本身富含植酸酶的玉米。 要解決這一問題，雜交等傳統(tǒng)育種技術無能為力，必須借助于現(xiàn)代生物技術。轉基因技術可以實現(xiàn)讓玉米籽粒含有大量植酸酶的夢想，但需要解決以下兩個問題：如何獲得外源植酸酶基因；如何讓這個基因在玉米籽粒中表達。 對于第一個問題，之前范云六、姚斌等人已經從黑曲霉中克隆出植酸酶基因。通過這種基因產生的植酸酶，比玉米發(fā)芽時產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。范云六等科學家在1997年為自己的成果申請了中國專利。 第二個問題的解決也要依賴于基因控制。中國科學家找到了決定胚乳中特異表達的啟動子，將它連同植酸酶基因一同轉進玉米，就可以讓植酸酶基因在胚乳中表達。 2006年，范云六、陳茹梅等人為這一方法也申請了中國專利。這樣，轉植酸酶基因玉米的兩個關鍵專利都已經掌握在中國科學家手中。 范云六院士將擁有自主知識產權的植酸酶基因成功地在玉米種子中得到高效表達，而且穩(wěn)定遺傳給下一代。通過動物試驗，植酸酶玉米初步顯示出它的優(yōu)異特性。研究數據表明：轉基因玉米完全可以替代微生物發(fā)酵生產的植酸酶添加劑，滿足飼料加工標準的要求。 這種轉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機磷，將延緩磷礦資源的枯竭，顯著節(jié)省了成本，還可以增進牲畜對鐵、鋅、鈣、鎂、銅、鉻、錳等礦物質元素的吸收；更重要的是，它 能有效減少牲畜糞便對環(huán)境造成的污染。 可以說，植酸酶玉米典型地體現(xiàn)了農業(yè)生物技術——其實主要就是轉基因技術的威力。 （本文上篇內容主要根據科普宣傳片《神奇的植酸酶玉米》腳本改編） （作者： 方玄昌） |
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