张春义 中国农业科学院生物技术研究所
来源：人民网-科技频道
【背 景】
低碳经济是一种以低能耗、低污染、低排放为基础的现代经济模式，是人类社会在继农业文明、工业文明之后的又一次重大科技进步。低碳经济成为今年“两会”热点问题。温家宝总理在政府工作报告中明确提出：今年要加快转变经济发展方式，调整优化经济结构，大力推动经济进入创新驱动、内生增长的发展轨道。低碳经济将成为我国经济发展模式的重要特征。作为新兴战略性产业之一的生物育种在在低碳经济时代将扮演非常重要的角色。哥本哈根会议召开之前，我国政府宣布到2020年实现单位GDP二氧化碳排放比2005年降低40%?45%的目标。要完成这一目标，各行各业需共同努力，而通过发展农业生物育种产业来实现低碳农业也成为其中的必然选择。
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。这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。
一、“零耗能”的植酸酶工厂
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，65%以上以植酸磷形式存在。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。与别的工厂所不同的是，这些微型工厂不费吹灰之力、不耗费任何能量就可以生产出无数这样的植酸酶蛋白。
上世纪九十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。近几年来我国经济持续增长，但是我国的单位GDP能耗却是发达国家的6-7倍。为此，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，发酵方式不仅生产过程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，生产过程无需耗能，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，无需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。
二、保护磷矿的“超级卫士”
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，则今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。
三、“点石成金”的神奇之手
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，1999年，我国畜禽粪便产生总量约为19亿吨，而同期全国各工业行业工业固体废弃物为7．8亿吨，畜禽粪便产生量是工业固体废弃物的2．4倍，部分地区如河南、湖南、江西这一比例甚至超过4倍，除北京、天津、上海等少数工业发达的城市地区外，大多数地区的值都超过了一倍以上。2002年，我国畜禽粪便产生量达27.5亿吨，畜禽粪便每年流失至水体的总磷为34.5万吨。2007年全国畜禽粪便年排放量已超40亿吨，是工业有机污染物的4.1倍，且大多未经处理直接排放，对农业环境带来极大威胁。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，是发展低碳农业需要克服的极大障碍。
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。
四、安全可靠的植酸酶玉米
转基因植酸酶玉米是把在饲料生产中需要额外添加植酸酶这一程序转化为由玉米籽粒自身来生产出植酸酶。植酸酶可以把玉米、大豆等饲料原料中大量存在的植酸磷分解成无机磷，解决单胃动物缺乏植酸酶，无法有效利用饲料原料中含量丰富的植酸磷的问题，提高单胃动物对饲料磷的利用率和动物的生产性能，降低动物粪便中磷的排泄量。从而减少或免去为满足动物生长对磷的需求在饲料中添加磷酸氢钙的使用量。
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九十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、大麦、水稻、玉米、大豆、 菜豆、绿豆、豌豆、番茄、白芥菜、马铃薯、萝卜、莴苣、菠菜、百合花粉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。
【结 语】
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，对低碳经济发展将会产生巨大的促进作用。它的产业化将是我国作物生物技术产业化进程中具有划时代意义的里程碑，是我国农业生物技术产业中继转Bt基因抗虫棉后又一个具有巨大发展潜力的农业高科技新兴产业。转植酸酶基因玉米的产业化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产生重大影响和贡献，并使我国在当今农业生物技术产业化的激烈国际竞争中占有一席之地。
