□张春义
玉米是重要的也是最佳的饲料加工原料。我国玉米总需求量的近80%用于饲料加工，在家禽和家畜饲料中的用量都在50%以上。中国农科院范云六院士领导的课题组在第一代植酸酶产品的基础上，利用自主知识产权的植酸酶基因，通过生物技术和传统育种方法相结合，培育成功生产高活性植酸酶并稳定遗传的转基因玉米。转基因植酸酶玉米是全球第一例通过绿色农业生产模式替代工业生产模式来生产植酸酶，堪称低碳农业的典范，具有生产方式低能耗、减少环境污染、保护磷矿资源和安全可靠的显著优点。
玉米籽粒工厂生产植酸酶实现“零耗能”
磷是动物不可缺少的营养元素，磷缺乏严重影响动物生长，导致动物的生产性能低下。玉米、大豆等饲料原料中总磷含量非常丰富，但遗憾的是65%以上的磷是以不能为动物吸收利用的植酸磷形式而存在。转基因植酸酶玉米籽粒如同一座座威力无比的生产植酸酶的小工厂，这些植酸酶蛋白分子如同熟练的技术工人那样把植酸这种原料加工成产品——即动物能够利用的磷形式。与别的工厂不同的是，这些微型天然工厂不费吹灰之力、不耗费任何能量就可以生产出无数这样的植酸酶蛋白。
上世纪90年代我国开发的第一代植酸酶产品是用微生物发酵方式来生产的，但这种生产方式的能源消耗通常是生产成本的20%以上，探索低成本、节能降耗方式生产植酸酶的新技术在我国乃至全球都具有十分重要的意义。相比工业发酵方式来生产植酸酶，以种子为载体、以农业种植方式生产植酸酶具有以下两大低碳经济特征。一是成本低，发酵方式需要厂房、发酵罐、产品后加工设备等专门的生产设备，生产过程需要耗费化工原料；而以农业方式生产，不需要专门的生产设备，玉米能利用阳光、水分等生产植酸酶，原材料的费用极低。二是耗能少，发酵方式不仅在生产过程中需要消耗大量能量而且产品后加工也要耗费能量，后加工通常是将发酵液与载体按比例混合，利用热空气干燥，或者在压力的作用下将液体雾化，通过热空气将雾滴干燥形成小的颗粒或粉末，这些过程都需要耗能。而以农业方式生产，生产过程无须耗能，不需要进行后加工，生产的是直接饲用的富含植酸酶的玉米种子，不必进行酶的提取和纯化，酶能在种子中长期稳定保存，无须酶类产品特殊的保存条件及考虑产品的剂型，种子易于长距离运输和普及推广，因此非常节能。
促进磷的动物利用 减少环境污染
牲畜高磷粪便排放是造成环境污染的重要因素。消化道内缺乏植酸酶的单胃动物（猪、鸡、鸭）和水产类（鱼、虾）无法有效利用玉米饲料中的植酸而造成磷源浪费，未被动物利用的植酸磷形成高磷粪便排出体外。随着我国畜禽养殖业的迅速发展，畜禽粪便排放不断增加，2010年，我国每年畜禽粪便产生量将达到45亿吨，畜禽粪便每年流失至水体的总磷将为56万吨。如果不进行有效的处理，将进一步加重湖泊等水体富营养化等环境恶化问题，进而威胁饮用水安全和农产品安全。磷污染的治理是一个耗时、耗力、耗能的过程，是发展低碳农业过程中需要解决的一个重要问题。
有计算表明，至2015年动物粪便排出的磷总量将达到375万吨，而使用植酸酶玉米则可以减少动物粪便磷排放140万吨。当植酸酶在玉米籽粒中高表达以后，它就如同一只化腐朽为神奇的手，把植酸磷这种“废物”点石成金，转化成为能被动物所利用的磷，可谓是一举两得：既减少了植酸磷粪便对环境的污染，同时经动物吸收利用后也大大提高了动物的生产性能。
降低磷矿开采 保护自然资源
植酸酶玉米籽粒工厂节约能源这种特点还可以从另外一个方面充分体现。饲料工业中，每吨饲料中需要添加13.5公斤磷酸氢钙为动物生长发育提供必需的磷元素。随着经济的快速发展，磷资源短缺的压力已经对农业生产构成严重威胁，给粮食价格带来巨大上涨压力。我国磷矿资源多为中低品位。据国土资源部统计，现有的磷富矿资源仅能维持我国使用10~15年。因此，磷矿资源已被国土资源部列为我国2010年后不能满足国民经济发展需要的20种矿产之一。
中国饲料磷酸氢钙产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大。据估计，今年我国饲料用磷酸氢钙的需求量为100万吨，2015年为150万吨，至2020年将达到170万吨。若使用植酸酶转基因玉米，则分别可以替代80万吨、120万吨和136万吨磷酸氢钙。转基因玉米籽粒中的植酸酶可以分解其中的植酸为动物提供磷元素，因此大部分磷酸氢钙可以被替代。按每生产一吨饲料磷酸氢钙需要磷矿1.5吨计算，则每年可以减少磷矿石的开采量达120万吨，说明在玉米籽粒中生产植酸酶可以有效降低对磷酸氢钙的依赖（即磷矿的开采），从而大大降低因磷矿开采加工而产生的能耗以及对自然资源和环境的破坏。
安全可靠的转基因植酸酶玉米
欧盟各成员国、加拿大以及美国等发达工业国家早在上世纪90年代在养殖业中就把它作为一种“绿色磷”用以取代传统的无机磷酸盐；并制定了强制使用植酸酶的相应政策，我国在饲料中使用植酸酶也已经有十几年的历史。
还需要特别指出的是，植酸酶广泛存在于水稻、小麦、玉米、绿豆、番茄、马铃薯、菠菜等我们日常食用的粮食作物、饲料和蔬菜作物中。中国农科院范云六院士领导的课题组研发的转植酸酶基因玉米所表达的植酸酶和小麦等植物中的植酸酶是同一类酶，人类或动物已有长期安全食用或饲用的历史。
我国政府十分重视农业转基因生物安全管理工作，坚持立法先行、有法可依、执法保障，已经形成了一整套适合我国国情并与国际惯例相衔接的法律法规、技术规程和管理体系，转基因植酸酶玉米这一成果经过了长达6年的一系列复杂严格的国家安全性评审程序，表明它的安全性与普通玉米实质完全等同。
转基因植酸酶玉米研制的成功是我国科学家独立自主、积极创新的结果，拥有全部的知识产权。转植酸酶基因玉米对新一代GMO和农业产品朝环境友好、营养平衡、节能生产方向发展具有重要的引领作用，对发展我国的低碳农业将会产生巨大的促进作用。它是我国农业生物技术产业中继抗虫棉之后又一个具有巨大发展潜力的农业高科技新兴产业，对提高我国玉米种业国际竞争力和促进饲料及养殖业的可持续发展将产生重大影响并作出巨大贡献。
张春义 中国农业科学院生物技术研究所研究员，博士生导师，中国生物强化项目副主任。1990年毕业于兰州大学生物系，1996年在中国农科院获得博士学位。1999~2004年在比利时根特大学植物遗传系进行博士后研究。现从事植物代谢工程研究。
《科学时报》 (2010-4-12 B2 技术·产业)
