主题：【原创】转植酸酶玉米详解 -- 金仕并

（外链出处）

　　2009年，农业部批准了两种我国拥有自主知识产权的转基因粮食作物的商业化种植。这两种转基因粮食作物就是转植酸酶基因玉米和转Bt基因水稻。其中，因为转Bt基因水稻是供人食用的，所以人们对它的讨论比较多，而转植酸酶基因玉米因为是给牲畜吃的，所以人们的关注相对较少。我这篇文章就介绍一下转植酸酶基因玉米，主要解答三个问题：(1)为什么要转这个基因？(2)怎么转这个基因？(3)我国真的拥有自主知识产权吗？

　　话说1万多年前，人类还没有开始农业生产，还在靠采集-狩猎生活的时候，地球上既没有鸡，也没有猪，也没有玉米，只有它们三者的祖先——原鸡、野猪和类蜀黍。那时候的原鸡和野猪不仅想不到自己会被人类驯化，更想不到有一天会以类蜀黍的后代为主食。实际上，原鸡和野猪从来都没有见过类蜀黍，因为它们是欧亚大陆的动物（原鸡的分布更局限在南亚、东亚和东南亚），而类蜀黍却生长在中美洲的墨西哥，中间隔着茫茫大洋呢！

　　既然原鸡和野猪从来不以类蜀黍为食，所以它们的消化道无法充分吸收类蜀黍籽粒中的营养，也就非常正常。事实上，原鸡和野猪在吃下各种禾本科植物的籽粒时，都无法充分吸收其中的营养。这是因为原鸡和野猪都是杂食动物，既吃动物性食物（主要是昆虫），也吃植物性食物（包括多种植物的果实、种子、嫩叶甚至花瓣），营养来源比较多样，并不以禾本科植物的籽粒为专食，所以没有进化出充分吸收禾本科植物籽粒营养的本领——反正不够的营养可以从别的食物中获取嘛！

　　但是在人类驯化了鸡、猪和玉米之后，问题就来了。在哥伦布“发现”新大陆之后，鸡和猪传入了新大陆，而玉米传入了旧大陆。人们很快发现，玉米是“优良”的鸡饲料和猪饲料——因为它的产量太高了。产量高，价格就低；价格低，用玉米做饲料喂出来的鸡和猪价格也低，所以在市场上更有竞争力。一来二去，大家就都用玉米做鸡饲料和猪饲料了。可是，驯化后的鸡和猪仍然和原鸡、野猪一样，不能充分吸收禾本科植物籽粒中的营养成分，驯化后的玉米也不例外。所以用玉米做饲料，便宜是便宜了，却容易让鸡和猪营养不良。所以直到今天，鸡饲料和猪饲料的配方也不能全用玉米，玉米最多一般也就只占一半，再多的话鸡和猪就要生病了。

　　下面就让我们看看玉米有什么问题吧。玉米籽粒可以分为果皮（实际上是果皮和种皮的愈合）、胚乳和胚三部分。其中，果皮的主要成分是纤维素（86.7%），但是猪和人一样不能消化纤维素，鸡也只有非常有限的消化能力，所以果皮对鸡和猪都没太大营养价值。玉米胚乳含有丰富的糖类（87.6%），可是蛋白质含量却很少（8.0%），脂类就更少了（0.8%）。玉米中的蛋白质和脂类主要存在于胚中（分别占18.4%和33.2%），所以市场上卖的玉米油，更准确的称呼是“玉米胚油”。但是，玉米胚所占的体积很小，胚乳所占的体积却很大。所以总的来说，玉米富含糖类，却缺乏蛋白质和脂类，其蛋白质品质也不高，赖氨酸和色氨酸都比较缺乏，而这两种氨基酸对鸡和猪来说也都是必需氨基酸。鸡饲料和猪饲料配方里的其他成分（如豆饼、鱼粉等）主要就是为了提供足够的、优良的蛋白质。

　　这还没有完。玉米中含有丰富的磷（每克约含300毫克的磷），但是这些磷绝大部分都是以植酸的形式存在的。植酸又叫肌醇六磷酸，从这名字就能看出它含有很多的磷。玉米种子就是以植酸作为磷的储存形式的，在发芽的时候，它会合成植酸酶（即肌醇六磷酸水解酶），把植酸分解成一分子的肌醇和六分子的磷酸，然后就可以利用其中的磷了。但是在没发芽的时候，玉米种子里的植酸酶含量是非常低的。不仅是玉米，其他禾本科植物（如水稻）也是以植酸作为磷在种子中的储存形式的。

　　人、鸡、猪都只能充分利用磷酸中的磷，而不能充分利用植酸中的磷。人还好一点，可以利用大约一半，所以很少患缺磷症（而且没消化的植酸还有一个意想不到的好处：可以降低结肠癌的发病率）。但是鸡和猪就比较惨，连一半都利用不了，因此如果饲料中玉米含量太高，鸡和猪就可能患上缺磷症。我前面说鸡和猪不能充分吸收禾本科植物籽粒中的营养成分，主要指的就是磷。为了给鸡和猪补充足够的磷，往往需要在饲料中另加含磷的添加剂（通常用磷酸氢钙），这真是舍近求远了！

　　更麻烦的是，植酸不仅不让人、鸡和猪吸收磷，还会与铁、锌等元素结合，阻挠人、鸡、猪对这些微量元素的吸收。用营养学的术语来说，植酸是一种“抗营养因子”。所以，亚洲那些穷得只能吃大米的人往往缺铁（因为大米中的植酸影响了铁的吸收），这对他们的健康造成了严重的损害。同样，缺铁也会影响鸡和猪的健康，对猪的影响更重。

　　植酸的不利影响还不仅仅在于造成鸡和猪的营养不良。在鸡和猪吃下玉米之后，因为植酸很少被消化分解，所以多数会原封不动地随粪便排出，这就造成了环境中的磷污染。这些磷会被冲入河流、海洋等水体，造成水体富营养化，进而造成有害微生物大量繁殖（微生物和植物一样，也可以利用植酸中的磷），形成陆地水中的水华和海洋中的赤潮，都是十分可怕的环境灾难。为什么现在一些国家禁止使用含磷洗衣粉，而我国也开始限制含磷洗衣粉的使用？就是因为不想加剧磷污染。

　　既然玉米有这么多的不足，那么人们当然想要设法对它进行改良。传统育种方式对玉米的改良主要是增加其蛋白质含量，或改善其蛋白质品位（增加赖氨酸和色氨酸的含量）。现在的高蛋白玉米的蛋白质含量可达25%－30%，优质蛋白玉米的赖氨酸和色氨酸含量可比普通玉米增加一倍。此外，高油玉米也已经培育出来了，其含油量可比普通玉米高50%或更多。但是，传统育种方式对于玉米籽粒中的植酸就无能为力了，因为要找到一棵能在未发芽的种子中就大量含有植酸酶、可以把植酸分解放出磷酸的突变玉米植株，可能性近乎为零！

　　但是，转基因技术就可以实现让玉米籽粒含有大量植酸酶的梦想，只要把一个外源的合成植酸酶的基因导入玉米基因组中，并让这个基因在玉米籽粒中表达就可以了。为此需要解决以下两个问题：(1)这个外源的植酸酶基因从什么生物中获得？(2)怎样做到让这个基因在玉米籽粒中表达？

　　对第一个问题来说，显然有两种选择：从植物中获取植酸酶基因，或者从微生物中获取植酸酶基因。基因工程师们基本都选择了后者。这是因为：第一，微生物制造的植酸酶比植物制造的植酸酶活性更高；第二，微生物植酸酶在动物胃液的酸性条件下也有活性，植物植酸酶却没有这样的优良特性；第三，植物植酸酶不耐热，在饲料加工过程中极易失活，而有些微生物植酸酶却可以耐高达90°C的高温。

　　在能制造微生物植酸酶的微生物中，曲霉（学名Aspergillus）得到了格外的青睐，这是因为曲霉在自然界中分布广泛（比如馒头上的黑毛和花生发的霉都是曲霉在捣鬼），而且又能合成包括植酸酶在内的一系列重要的酶，所以很早就受到了基因工程师们的关注。第一种克隆出植酸酶基因的曲霉是无花果曲霉（A. ficuum，有时被误译为粪曲霉），这个工作是由荷兰的罗伯特·凡高尔科姆（Robert F. M. Van Gorcom）等人完成的，他们在1995年申请了美国专利（专利号US5436156）。后来丹麦NOVO公司生产的植酸酶添加剂就是用的凡高尔科姆等人的专利。中国也承认凡高尔科姆等人的专利。

　　我国生产的转植酸酶基因玉米用的植酸酶基因，则是由中国农业科学院饲料研究所的姚斌、范云六等人从黑曲霉（A. niger）中克隆出来的，其序列和凡高尔科姆等人克隆出来的基因序列有较大的差异，不能被视为同一个基因型，所以姚斌、范云六等人在1997年为它申请了中国专利（专利号ZL97121731.9）。

　　第二个问题的解决很巧妙。科学家们早就发现，玉米的一些基因只在胚乳中表达，另一些基因只在胚中表达，这种特异性表达是受不同的“启动子”（也是一段DNA序列）控制的。如果给植酸酶基因加上在胚中特异表达的启动子，再把这个启动子连同植酸酶基因一同转进去，不就可以让植酸酶基因只在胚中表达了吗？

　　范云六、陈茹梅等人在2006年为上述转基因方法也申请了中国专利（专利号ZL200610137652.5）。这个专利和前一个专利合起来，就是转植酸酶基因玉米的两个关键专利。诚然，在这两个专利中，也引用了一些国外的专利，但是按照我国专利法的规定，这些对国外专利的引用并不会对转植酸酶基因玉米未来的产业化生产造成阻碍。某些组织（例如绿色和平）利用一般人对专利法的无知，大肆鼓吹专利侵权问题；他们的谎言可以吓住一般人，但是在专门研究专利法的人士眼中，却只能是笑话、蠢话、疯话。

　　现在，按照上述专利生产的转植酸酶基因玉米已经初步显示出了它的优异特性。这种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了大部分活性，鸡或猪吃下去之后，这些植酸酶在其胃中就可以把植酸水解，放出可供鸡和猪直接吸收利用的磷酸来，大大提高了磷的利用率。这样不仅不用再在饲料中额外添加磷酸氢钙，从而节省了成本，又可以增进鸡、猪对铁、锌等矿物质元素的吸收，而且还有效地减少了鸡、猪粪便对环境造成的污染，可谓一箭三雕。这个例子不正充分显示了转基因技术的巨大威力吗？

　　至于吃转基因饲料的鸡和猪被人吃了后会不会对人体造成危害，我的答案很明确：不会。至于为什么，大家搜一些方舟子的科普文章来看就知道了。

2010.03.13-14