張春義 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所

來源：人民網(wǎng)-科技頻道

　　【背　景】

　　低碳經(jīng)濟是一種以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的現(xiàn)代經(jīng)濟模式，是人類社會在繼農(nóng)業(yè)文明、工業(yè)文明之后的又一次重大科技進(jìn)步。低碳經(jīng)濟成為今年“兩會”熱點問題。溫家寶總理在政府工作報告中明確提出：今年要加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，調(diào)整優(yōu)化經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，大力推動經(jīng)濟進(jìn)入創(chuàng)新驅(qū)動、內(nèi)生增長的發(fā)展軌道。低碳經(jīng)濟將成為我國經(jīng)濟發(fā)展模式的重要特征。作為新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一的生物育種在在低碳經(jīng)濟時代將扮演非常重要的角色。哥本哈根會議召開之前，我國政府宣布到2020年實現(xiàn)單位GDP二氧化碳排放比2005年降低40%?45%的目標(biāo)。要完成這一目標(biāo)，各行各業(yè)需共同努力，而通過發(fā)展農(nóng)業(yè)生物育種產(chǎn)業(yè)來實現(xiàn)低碳農(nóng)業(yè)也成為其中的必然選擇。

　　玉米是重要的也是最佳的飼料加工原料。我國玉米總需求量的近80%用于飼料加工，在家禽和家畜飼料中的用量都在50%以上。中國農(nóng)科院范云六院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組在第一代植酸酶產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，利用自主知識產(chǎn)權(quán)的植酸酶基因，通過生物技術(shù)和傳統(tǒng)育種方法相結(jié)合，培育成功生產(chǎn)高活性植酸酶并穩(wěn)定遺傳的轉(zhuǎn)基因玉米。這是全球第一例通過綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式替代工業(yè)生產(chǎn)模式來生產(chǎn)植酸酶，堪稱低碳農(nóng)業(yè)的典范。

　　一、“零耗能”的植酸酶工廠

　　磷是動物不可缺少的營養(yǎng)元素，磷缺乏嚴(yán)重影響動物生長，導(dǎo)致動物的生產(chǎn)性能低下。玉米、大豆等飼料原料中總磷含量非常豐富，65%以上以植酸磷形式存在。轉(zhuǎn)基因植酸酶玉米籽粒如同一座座威力無比的生產(chǎn)植酸酶的小工廠，這些植酸酶蛋白分子如同熟練的技術(shù)工人那樣把植酸這種原料加工成產(chǎn)品－即動物能夠利用的磷形式。與別的工廠所不同的是，這些微型工廠不費吹灰之力、不耗費任何能量就可以生產(chǎn)出無數(shù)這樣的植酸酶蛋白。

　　上世紀(jì)九十年代我國開發(fā)的第一代植酸酶產(chǎn)品是用微生物發(fā)酵方式來生產(chǎn)的，但這種生產(chǎn)方式的能源消耗通常是生產(chǎn)成本的20%以上。近幾年來我國經(jīng)濟持續(xù)增長，但是我國的單位GDP能耗卻是發(fā)達(dá)國家的6-7倍。為此，探索低成本、節(jié)能降耗方式生產(chǎn)植酸酶的新技術(shù)在我國乃至全球都具有十分重要的意義。相比工業(yè)發(fā)酵方式植酸酶，以種子為載體、以農(nóng)業(yè)種植方式生產(chǎn)植酸酶具有以下兩大低碳經(jīng)濟特征。一是成本低，發(fā)酵方式需要廠房、發(fā)酵罐、產(chǎn)品后加工設(shè)備等專門的生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)過程需要耗費化工原料；而以農(nóng)業(yè)方式生產(chǎn)，不需要專門的生產(chǎn)設(shè)備，玉米能利用陽光、水分等生產(chǎn)植酸酶，原材料的費用極低。二是耗能少，發(fā)酵方式不僅生產(chǎn)過程需要消耗大量能量而且產(chǎn)品后加工也要耗費能量，后加工通常是將發(fā)酵液與載體按比例混合，利用熱空氣干燥，或者在壓力的作用下將液體霧化，通過熱空氣將霧滴干燥形成小的顆粒或粉末，這些過程都需要耗能。而以農(nóng)業(yè)方式生產(chǎn)，生產(chǎn)過程無需耗能，不需要進(jìn)行后加工，生產(chǎn)的是直接飼用的富含植酸酶的玉米種子，不必進(jìn)行酶的提取和純化，酶能在種子中長期穩(wěn)定保存，無需酶類產(chǎn)品特殊的保存條件及考慮產(chǎn)品的劑型，種子易于長距離運輸和普及推廣，因此非常節(jié)能。

　　二、保護磷礦的“超級衛(wèi)士”

　　植酸酶玉米籽粒工廠節(jié)約能源這種特點還可以從另外一個方面充分體現(xiàn)。飼料工業(yè)中，每噸飼料中需要添加13.5公斤磷酸氫鈣為動物生長發(fā)育提供必需的磷元素。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，磷資源短缺的壓力已經(jīng)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，給糧食價格帶來巨大上漲壓力。我國磷礦資源多為中低品位。據(jù)國土資源部統(tǒng)計，現(xiàn)有的磷富礦資源僅能維持我國使用10－15年。因此，磷礦資源已被國土資源部列為我國2010年后不能滿足國民經(jīng)濟發(fā)展需要的20種礦產(chǎn)之一。中國飼料磷酸氫鈣產(chǎn)業(yè)能源消耗大、產(chǎn)出率低、環(huán)境污染嚴(yán)重、對自然資源破壞力大。據(jù)估計，今年我國飼料用磷酸氫鈣的需求量為100萬噸，2015年為150噸，至2020年將達(dá)到170萬噸。若使用植酸酶轉(zhuǎn)基因玉米，則分別可以替代80萬噸、120萬噸和136萬噸磷酸氫鈣。轉(zhuǎn)基因玉米籽粒中的植酸酶可以分解其中的植酸為動物提供磷元素，因此大部分磷酸氫鈣可以被替代，按每生產(chǎn)一噸飼料磷酸氫鈣需要磷礦1.5噸計算，則今年可以減少磷礦石的開采量達(dá)120萬噸，說明在玉米籽粒中生產(chǎn)植酸酶可以有效降低對磷酸氫鈣的依賴（即磷礦的開采），從而大大降低因磷礦開采加工而產(chǎn)生的能耗以及對自然資源和環(huán)境的破壞。

　　三、“點石成金”的神奇之手

　　消化道內(nèi)缺乏植酸酶的單胃動物（豬、雞、鴨）和水產(chǎn)類（魚、蝦）無法有效利用玉米飼料中的植酸而造成磷源浪費，未被動物利用的植酸磷形成高磷糞便排出體外。隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展,畜禽糞便排放不斷增加，1999年，我國畜禽糞便產(chǎn)生總量約為19億噸，而同期全國各工業(yè)行業(yè)工業(yè)固體廢棄物為7．8億噸，畜禽糞便產(chǎn)生量是工業(yè)固體廢棄物的2．4倍，部分地區(qū)如河南、湖南、江西這一比例甚至超過4倍，除北京、天津、上海等少數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)的城市地區(qū)外，大多數(shù)地區(qū)的值都超過了一倍以上。2002年，我國畜禽糞便產(chǎn)生量達(dá)27.5億噸，畜禽糞便每年流失至水體的總磷為34.5萬噸。2007年全國畜禽糞便年排放量已超40億噸，是工業(yè)有機污染物的4.1倍，且大多未經(jīng)處理直接排放，對農(nóng)業(yè)環(huán)境帶來極大威脅。2010年，我國每年畜禽糞便產(chǎn)生量將達(dá)到45億噸，畜禽糞便每年流失至水體的總磷將為56萬噸。如果不進(jìn)行有效的處理，將進(jìn)一步加重湖泊等水體富營養(yǎng)化等環(huán)境惡化問題，進(jìn)而威脅飲用水安全和農(nóng)產(chǎn)品安全。磷污染的治理是一個耗時、耗力、耗能的過程，是發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)需要克服的極大障礙。

　　有計算表明，至2015年動物糞便排出的磷總量將達(dá)到375萬噸，而使用植酸酶玉米則可以減少動物糞便磷排放140萬噸。當(dāng)植酸酶在玉米籽粒中高表達(dá)以后，它就如同一只化腐朽為神奇的手，把植酸磷這種“廢物”點石成金，轉(zhuǎn)化成為能被動物所利用的磷，可謂是一舉兩得：既減少了植酸磷糞便對環(huán)境的污染，同時經(jīng)動物吸收利用后也大大提高了動物的生產(chǎn)性能。

　　四、安全可靠的植酸酶玉米

　　轉(zhuǎn)基因植酸酶玉米是把在飼料生產(chǎn)中需要額外添加植酸酶這一程序轉(zhuǎn)化為由玉米籽粒自身來生產(chǎn)出植酸酶。植酸酶可以把玉米、大豆等飼料原料中大量存在的植酸磷分解成無機磷，解決單胃動物缺乏植酸酶，無法有效利用飼料原料中含量豐富的植酸磷的問題，提高單胃動物對飼料磷的利用率和動物的生產(chǎn)性能，降低動物糞便中磷的排泄量。從而減少或免去為滿足動物生長對磷的需求在飼料中添加磷酸氫鈣的使用量。

　　歐盟各成員國、加拿大以及美國等發(fā)達(dá)工業(yè)國家早在上世紀(jì)九十年代在養(yǎng)殖業(yè)中就把它作為一種“綠色磷”用以取代傳統(tǒng)的無機磷酸鹽；并制定了強制使用植酸酶的相應(yīng)政策，我國在飼料中使用植酸酶也已經(jīng)有十幾年的歷史。

　　還需要特別指出的是，植酸酶廣泛存在于水稻、、小麥、大麥、水稻、玉米、大豆、 菜豆、綠豆、豌豆、番茄、白芥菜、馬鈴薯、蘿卜、萵苣、菠菜、百合花粉等我們?nèi)粘Ｊ秤玫募Z食作物、飼料和蔬菜作物中，中國農(nóng)科院范云六院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組研發(fā)的轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米所表達(dá)的植酸酶和小麥等植物中的植酸酶是同一類酶，人類或動物已有長期安全食用或飼用的歷史。

　　我國政府十分重視農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全管理工作，堅持立法先行、有法可依、執(zhí)法保障、已經(jīng)形成了一整套適合我國國情并與國際慣例相銜接的法律法規(guī)、技術(shù)規(guī)程和管理體系，轉(zhuǎn)基因植酸酶玉米這一成果經(jīng)過了長達(dá)6年的一系列復(fù)雜嚴(yán)格的國家安全性評審程序，表明它的安全性與普通玉米實質(zhì)完全等同。

　　【結(jié)　語】

　　植酸酶玉米研制的成功是我國科學(xué)家獨立自主、積極創(chuàng)新的結(jié)果，擁有全部的知識產(chǎn)權(quán)。轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米對新一代GMO和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品朝環(huán)境友好、營養(yǎng)平衡、節(jié)能生產(chǎn)方向發(fā)展具有重要的引領(lǐng)作用，對低碳經(jīng)濟發(fā)展將會產(chǎn)生巨大的促進(jìn)作用。它的產(chǎn)業(yè)化將是我國作物生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中具有劃時代意義的里程碑，是我國農(nóng)業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)中繼轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲棉后又一個具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ霓r(nóng)業(yè)高科技新興產(chǎn)業(yè)。轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米的產(chǎn)業(yè)化對提高我國玉米種業(yè)國際競爭力和促進(jìn)飼料及養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重大影響和貢獻(xiàn)，并使我國在當(dāng)今農(nóng)業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的激烈國際競爭中占有一席之地。