从植酸酶玉米说起

  作者:方玄昌

  上

  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。

  中

  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,建议尽快进入技术成果转化环节、尽早推广应用。

  但植酸酶玉米要实现成果转化,科学家还需要回答一个民众至为关心的问题:它安全吗?答案是肯定的。在此之前,科学家已经完成针对转基因生物安全评价所要求的各项试验。这种测试涉及两个方面:食用安全和环境安全。

  如果单从理论上看,植酸酶玉米的食用安全性是无需检测的:所转的这个基因本身来自于食品工业已经批准利用的一种黑曲霉,即基因来源安全;植酸酶在自然界广泛存在,许多微生物都能产生并分泌植酸酶,而且高等植物本身也含有植酸酶基因,植酸酶玉米所转的基因,本身序列及其转录的蛋白质序列跟小麦植酸酶序列具有高度相似性,即从分子生物学角度来看,它也是安全的;用同样的基因发酵生产的植酸酶在饲料工业已经使用很多年,安全性没有任何问题。

  但因为植酸酶玉米属于转基因作物,仅在理论上证明其安全还不够――科学家答应,媒体与公众却不会答应。因此植酸酶玉米从其诞生那天起就开始不断接受种种食用安全性检验,先后进行过的检验和评估项目包括:

  植酸酶蛋白的急性毒性试验。以不同剂量的植酸酶蛋白分组饲喂大小鼠,连续观察7-10天,检验其急性毒性的结果是“无毒性”。

  植酸酶蛋白的遗传毒性试验。这项测试包括Ames试验(致突变试验)、小鼠骨髓微核试验、小鼠精子畸形试验和大鼠致畸试验四项内容,结论分别是:植酸酶不具致突变性;植酸酶对小鼠骨髓细胞染色体无损伤作用;植酸酶对小鼠精子不产生畸变作用;植酸酶对大鼠无致畸作用。

  植酸酶大鼠90天喂养试验(亚慢性毒性试验)。结果显示,大鼠摄入植酸酶90天,初始体重、最终体重及食物利用率与对照组无显著性差异;中期血液检测未发现异常改变,末期血液检查均在正常范围内;组织病理学检查显示,植酸酶对试验动物各器官无明显影响。综合判断,植酸酶喂养大鼠90天后未观察到不良作用。

  转植酸酶基因玉米90天大鼠喂养试验(亚慢性毒理学试验)。这项试验直接针对植酸酶玉米产品,90天喂养试验中要对大鼠做体重与进食量检测、血液学检查、血生化检测、脏体称重、病理组织学观察,结果显示,饲喂转植酸酶玉米与饲喂其亲本玉米做对照,所有指标无显著性差异。

  致敏性评价。这需要从植酸酶基因来源、新表达植酸酶与已知致敏原氨基酸序列的同源性、新表达植酸酶的消化稳定性及新表达植酸酶的热稳定性四个方面来进行评价,结论是:植酸酶玉米中所含植酸酶蛋白的潜在致敏性风险很小(玉米本身含有能导致少数人过敏的过敏原,植酸酶蛋白导致过敏的可能性远远小于玉米本身)。

  抗营养因子评价。玉米中主要含有植酸与胰蛋白酶抑制剂两种抗营养因子,对比检测普通玉米(黄早四)与植酸酶玉米,可以发现植酸酶玉米的植酸与胰蛋白酶抑制剂含量均有明显降低(后者待解释)。

  营养成分评价。对比检测植酸酶玉米与普通玉米(黄早四)的主要成分(包括蛋白、脂肪、淀粉、纤维素及铁、锌、钙、镁等元素),结果发现双方无显著性差异。

  抗生素抗性评价。因植酸酶玉米转基因过程中未使用抗性选择标记基因,转化使用的表达盒片段只含有植酸酶基因及其启动子和终止子,不含载体上的卡那霉素及细菌复制子等成分,因此,转植酸酶玉米不存在抗生素抗性风险。

  转基因玉米主要成分的生物利用率评价。以普通玉米所制饲料及添加外源性植酸酶饲料做对照,测试转植酸酶玉米对肉仔鸡生长性能及钙磷代谢的影响――每天计算采食量;记录试验期间各组鸡的死亡只数;测定试验鸡1日龄、21日龄、42日龄体重,计算试验鸡的日增重;计算饲料效率;测定血清、排泄物、胫骨中的钙、磷和氮的含量。结论是:转植酸酶基因玉米与普通玉米对照组相比,未见其对肉仔鸡生长性能产生不良影响,对肉仔鸡钙、磷、氮代谢方面的影响与微生物发酵生产的植酸酶效果相同,能帮助分解植酸磷,减少磷酸氢钙的用量,提高肉仔鸡对饲料磷的利用率,降低其粪便中磷的排泄量。

  总结起来,针对植酸酶玉米食用安全性所做的测试共有9个大项数十小项。细心的读者可以发现,其中多数检测项目实际上都是对已有结论的重复试验。

  环境安全性方面的测试和评价则包括以下11个方面:

  与亲本植物在生殖方式和生殖率方面的差异评估。植酸酶玉米的生殖率与黄早四相比较没有区别。

  与亲本植物在花粉传播方式和传播能力方面的差异评估。玉米通过花粉发生基因漂移的距离因不同环境和品种而异,通常其风传的漂移距离不超过150米。转植酸酶基因玉米与杂交亲本黄早四相比,其花粉的传播方式和传播能力没有明显差异。

  休眠期评估。根据多年的中间试验、环境释放及生产性试验的检测,转植酸酶基因玉与其杂交亲本的休眠期与萌发率没有明显差异。

  适应性测试。玉米是高度栽培化的农作物,早已失去了在野地中生存的能力。在长达五年的栽培试验中,在相同的栽培条件下观察,植酸酶玉米的农艺性状和适应性与黄早四大致持平。

  生存竞争能力测试。栽培试验证明,转植酸酶基因玉米的生存竞争能力(包括萌发率、成苗率、生长势、株高、开花历期、穗位、散粉历期、结实率以及对常见病虫害的反应)等一系列生物学特性与普通玉米未见有明显差异。

  转基因玉米遗传物质向野生近缘种转移的可能性评估。有证据表明在玉蜀黍属的物种间存在极为有限的基因交换,主要是从玉米到大刍草。中国非玉米起源地,境内无玉米的野生近缘种分布,因此不存在向野生近缘种和大刍草转移的可能性。

  转基因玉米遗传物质向普通栽培玉米品种转移的可能性评估。由于中国目前推广种植的主要是玉米杂交种,收获的籽粒不会用作种子,因此,转基因玉米外源基因逃逸的关键问题是向周围的玉米制种田以及种质资源繁育区的漂移。根据研究结果,只要在保证转基因玉米与普通玉米制种田常规隔离距离在300m以上,或花期隔离30天以上,就可有效防止外源基因向普通栽培种漂移。

  转基因玉米遗传物质向其他物种转移的可能性评估。在自然条件下,仅有细菌与病毒可通过不同方式感染植物或动物寄主,并将其遗传物质向寄主转移,从未出现过植物遗传物质向动物或微生物转移的案例,而不同物种的高等生物之间则存在生殖隔离。

  转变成杂草的可能性;玉米是一年生植物,种子是其唯一的生殖生存器官,被认为不具有发展成杂草的能力。从多年、多点的中间试验、环境释放和生产性试验观察结果来看,转植酸酶基因玉米与其杂交亲本的主要农艺性状和繁殖特性均无显著差异,不具备杂草化的生物学特征,因此认为转植酸酶基因玉米转变为杂草的风险极小。

  对环境中有益和有害生物的影响,也就是:害虫吃了转植酸酶基因的玉米是否会因提高了磷的利用率而更快成长?而害虫的天敌又吃了这种害虫,是否也会随着食物链关系而发生变化?中国农业科学院植物保护研究所的检测结果表明,取食植酸酶玉米的玉米螟和棉铃虫幼虫,在存活率、体重、相对摄食速率、相对代谢速率、近似消化率、食物利用率和食物转化率等方面与取食杂交亲本黄早四的对应指标没有显著性差异;农业部转基因植物环境安全监督检验测试中心的检测结果表明,转基因玉米的主要害虫亚洲玉米螟、蚜虫、叶蝉、叶甲等,以及害虫的重要天敌姬蜂、草蛉、瓢虫、小花蝽、蜘蛛等,其种群数量和种群消长动态,与非转基因杂交亲本黄早四不存在显著差异;对玉米病害影响的检测结果表明,玉米大、小叶斑病、褐斑病、矮化叶病、粗缩病和纹枯病等也与普通玉米基本一致。

  还有一个重要方面,就是对土壤的肥率和结构的影响评价。植酸酶的含量提高,土壤中过去难以利用的那些磷就有可能变得比较容易利用,有科学家提出假设,会不会因为磷的迅速释放和提高利用,从长远来看会对土壤的结构和土壤的肥率造成一定的影响?科学家通过实验,初步证明磷利用率确实有所提高,但对土壤的影响还不明显。

  对照这份检测单,我们将会发现反转控常年拿来质难转基因的那些问题是多么地幼稚和肤浅――他们能想到的,科学家早就想到了;而科学家想到的许多问题,反转控们即使想破脑袋也未必能想到。

  再次强调,转基因食品的安全性是设计出来的,在其上市之前已经确定,此后所有试验,严格来说都属于“验证”而非“检测”。在一个对生物学、生理学和环境学的基础知识稍有了解的人看来,针对植酸酶玉米安全性的这些试验和评估,有很大一部分都是不必要的,因为其答案过于明显;但因反转谣言肆虐多年而造成当前恶劣的舆论环境,科研人员被迫穷年累月去做这些在科学上毫无意义的重复性工作,大量纳税人的钱被迫花费在回答这些反转控炮制出来的低级问题上――十几年反转运动,付出惨重代价的不仅仅是政府和科学家,还包括我们每一个普通大众。

  下

  我们已经知道,植酸酶玉米可以带来四大好处(参看本文上篇):提高了玉米中磷的利用率,同时增进牲畜对蛋白质及铁、锌、钙、镁、铜、铬、锰等矿物元素的吸收;农业上很大程度减少使用无机磷,延缓磷矿资源的枯竭;以玉米为主要原料的饲料业不必再添加外来植酸,节省了成本;有效减少牲畜粪便对环境造成的污染。

  与此同时,植酸酶玉米如果推广种植,也必将伴随着多个行业群体的利益受损――他们因此也成为这项技术的潜在反对者。

  发酵法生产植酸酶的企业首当其冲。因玉米一直是饲料行业最主要的原材料,植酸酶玉米如果大面积推广,生产植酸酶的这个行业几乎失去了存在的必要。或许有人要问:既然已经有了发酵法生产的植酸酶,何必再研发植酸酶玉米?答案在于,植酸酶玉米作为一种生物工厂,是一种更经济、更环保、更方便、更易推广的植酸酶生产方式。正如本文上篇所介绍的,发酵生产植酸酶不仅高耗能,还耗费大量粮食;仅有部分规模化饲料生产企业具备添加植酸酶的条件,植酸酶难以惠及中国农村广大的养猪、养鸡散户。

  其次,钙、镁、铁、锌、铜、锰等微量元素添加剂的生产行业将在一定程度上受到冲击,因为植酸酶玉米的推广将进一步减少微量元素添加剂的使用。

  还有两个更值得分析的“利益受损”群体,就是饲料用无机磷(主要是磷酸氢钙和磷酸二氢钙)生产商及磷矿开采商。

  农业发展高度依赖磷肥,磷矿早已成为全球稀缺资源。对于地球上可供经济开采的磷矿资源的统计,不同的计算模式给出的结果差异很大,最悲观的估计是仅能维持二三十年,最乐观的估计则可供百年。无论怎样,今天节约使用磷矿,就是在给子孙后代造福,为未来发展出更先进的、能经济开采贫矿资源的技术争取更多时间。

  对比之下,现在大家应该看得很清楚了:至少在植酸酶玉米这个案例上,转基因技术的支持者,所捍卫的正是人类长远的公共利益。范云六曾经说过,“如果一定要说利益的话,我们为的也是国家和民族的利益”;我据此反问反转人士:你们为的又是哪门子利益?

  在此还得容我再发几句牢骚。在反对转基因技术这个问题上,环保领域一直是重灾区。而发展转基因育种技术,有很大一部分原因正是为了保护环境――比如本文所解读的能减轻磷污染的植酸酶玉米,以及能减少农药使用的抗虫作物。然而,环保领域的那些反转人士从来无视这些信息,他们只会凭借毫无证据的猜测,空洞、口号性地反对转基因。作为长年反转者,他们不存在信息交流障碍(这是普通大众反对转基因技术的最主要原因,甚至是唯一原因),我们又没有理由相信这个领域会专门接纳低智商人群,最后只能借用反转人士时常挂在嘴边的“利益”两字做解读:环保界反转人士之所以反对这些能显著改善环境的转基因技术,正是担心中国环境变好,从而危及他们的饭碗――这类似于“警察最不期望小偷全被消灭”的情形。

  综合以上信息,我们解读反转人士的行为,将不难得出一个结论:无论是从磷矿资源问题,还是从环境保护问题看,反转人士所干的,都是真正祸国殃民、断子绝孙的勾当(能部分减缓磷矿资源枯竭、并能减轻磷污染的发酵生产植酸酶技术,实际上也来源于基因工程)。

  随着人们对于物质生活要求的提高,中国的牲畜饲养数量还在逐年增加。玉米是中国第一大种植农作物,是重要的饲料加工原料;中国玉米总需求量的近80%被用作饲料。目前中国每年还要从国外进口数百万吨优质廉价的转基因玉米,这个数字还有逐年递增的趋势。当前国际上在农业技术发展方面显示出一个明显的态势:你不发展和使用自己的技术,就只能接受别人的产品。反转舆论延误这些具有自主知识产权、具有重大应用价值的技术,正是在帮“跨国集团”们的忙。

  时间在犹豫和等待中流逝,全球的磷矿资源正在加速走向枯竭,中国的水环境在继续遭受污染,每年进口的转基因玉米数量在不断攀升,一项利国利民、利于地球和全人类的成果依然束之高阁。这一切,都是反转舆论的结果,都期待着决策者的破局。

(XYS20141012)

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