从植酸酶玉米说起

从植酸酶玉米说起

（本文原发于微信公众号《照谣镜》zhaoyaojing2014

现形谣言：“转基因破坏环境”)

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。

作者：方玄昌

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。

2007年5月21日，转基因植酸酶玉米成果鉴定会在北京举行，以中科院副院长李振声（顺便说一句，李振声才是为中国粮食增产做贡献的第一功臣）为首的鉴定小组给出意见：中国自主研发的转基因植酸酶玉米具有国际领先水平，建议