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華南農業大學培育出少污染、節糧快生長的轉基因豬

  • 來源: 南方周末
  • 日期:2018-05-14
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華南農業大學的科學家將四個來自微生物的酶類基因轉入豬基因組中,培育出污染顯著減少、節約糧食且生長快速的轉基因豬。

2017年我國出欄生豬6.88億頭,存欄生豬4.33億頭,豬肉總產量5340萬噸,約占全球生豬養殖量和豬肉產量的一半。如此龐大的生豬養殖量,為我國居民提供了60%以上的肉類產品,同時也帶來巨大的環保壓力和糧食消耗,其中生豬糞便中總氮和總磷排放量占全國污染總量的約20%和40%,生豬飼料消耗量則占全國畜禽飼料消耗總量的50%以上。

華南農業大學吳珍芳教授小組將四個來自微生物的酶類基因轉入豬基因組中,培育出氮磷污染顯著減少、節約糧食,而且生長快速的轉基因豬新品種,有望緩解養豬業的環境污染和糧食消耗問題,該研究成果近期將發表在著名國際學術期刊《eLife》上。

養豬的煩惱

自2016年6月,豬肉價格達到歷史高點之后,“豬周期”開始步入下行通道。據中國經營報等媒體調查,2018年上半年,養殖戶每出售一頭生豬,平均虧損約200元,已突破養殖戶的心理承受極限。

在養豬生產中,飼料成本約占總成本的70%~80%,是豬場最主要的開支,因此科學家們希望從營養吸收與利用、品種培育等方面來提高飼料轉化效率,以節約飼料消耗,增加養豬效益。培育生長快速又節糧的豬新品種一直是育種學家的追求,不過常規育種方法很難同時兼顧,也就是說,如果追求生長快速,則需要給育肥豬多添加飼料,勢必造成大量飼料浪費,如果追求飼料消耗少,則會造成育肥豬生長緩慢。

豬飼料中的氮、磷是生豬生長發育的必需元素,但是由于豬的消化道缺乏一些關鍵的消化酶,飼料中約有2/3的氮、磷等元素不能被豬利用,只能隨著糞便和尿液排出體外,既浪費大量飼料,也給環境造成嚴重污染。畜禽糞便所攜帶的磷多以無機磷形式存在,一旦排放到自然環境中,會造成土壤板結和地下水污染,并造成水體富營養化,很難清除。據《全國第一次污染源普查公報》(2010年)顯示,我國養殖業已成為主要污染源之一,其中所產生的化學需氧量約占全國總排放量的44%,總氮約占全國排放量的24%,總磷約占全國總排放量的42%。全國很多地區紛紛出臺畜禽限養、禁養措施,以減少養殖業對當地環境的污染。養豬業則是受到這種限養禁養措施沖擊較大的行業,而且隨著養豬業規模化程度不斷提高,污染排放物越來越集中,養豬業的發展空間將進一步受到限制。

有人提出,既然養豬污染如此嚴重,能不能像解決我國大豆短缺問題一樣,從國外大量進口豬肉,以減少生豬養殖量呢?遺憾的是,全球豬肉出口總量只相當于中國豬肉消費量的10%左右,顯然依靠進口解決我國居民的豬肉剛性需求是行不通的。那么有沒有一種方法,既讓豬長得快,又能節省飼料,還能減少污染排放量呢?

一石三鳥

研究發現,影響飼料營養物質消化的主要因素是飼料中各種抗營養因子,其中主要成分是非淀粉多糖(NSP)和植酸,NSP是植物種子糊粉層細胞(蛋白富集區)和胚乳細胞的細胞壁主要成分,其主要組分包括木聚糖、葡聚糖和纖維素,是構成細胞內營養消化吸收的物理屏障。植酸磷主要儲存在谷物的糊粉層和胚中,是植物中磷元素的主要存在形式之一,占植物中總磷的60%以上。而豬的消化道由于缺乏消化NSP和植酸的酶類,不能有效利用飼料中的氮和磷元素。

為了提高飼料中氮磷轉化效率,目前已有兩種較為成熟的解決方案,第一種方案是利用基因工程細菌或酵母來生產微生物來源的重組木聚糖酶、葡聚糖酶和植酸酶,然后將這些重組消化酶添加到豬飼料中,這一方案已實現商品化三十多年,并在豬飼料生產中廣泛應用;另一種方案則是中國農業科學院生物技術研究所范云六院士團隊培育的植酸酶轉基因玉米,即將植酸酶基因轉入玉米基因組中,使作為能量飼料的玉米自帶植酸酶,能顯著提高飼料中植酸磷利用效率,減少磷排放,該品種2009年獲得農業部發放的轉基因生物安全證書,2015年再次獲得新的安全證書,有望成為第一個獲準商業化種植的飼料用轉基因作物。

不過,這兩種方案都是間接地將原產于微生物的木聚糖酶、葡聚糖酶和植酸酶等消化酶添加到飼料中,其中第一種方案中重組消化酶的生產過程本身會產生新的環境污染和額外的能源消耗,而第二種方案只是解決了磷的利用和排放問題,氮元素的利用和污染問題則沒有涉及。

于是,吳珍芳教授課題組提出了提高飼料氮磷利用效率的第三種方案。

該課題組利用轉基因技術和體細胞克隆技術,將微生物來源的2個葡聚糖酶基因、1個木聚糖酶基因和1個植酸酶基因等四個基因同時導入豬基因組中,培育出轉有這四個基因的轉基因克隆豬。在腮腺蛋白啟動子調控下,上述三種重組消化酶只在豬的唾液腺中特異分泌,而在其他組織中沒有表達。接下來,這些消化酶隨唾液進入豬的消化道,持續降解飼料中非淀粉多糖和植酸磷,顯著提高了飼料氮、磷、鈣等營養的消化效率。

令人驚喜的是,與飼喂相同飼料的普通豬比較,轉基因豬的糞氮排放量減少20%以上,糞磷排放量則可減少45%以上,而且這些轉基因豬的生長速度提高20%以上,飼料轉化率提高10%以上。據課題組的張獻偉博士等人測算,這些轉基因豬在飼喂低氮日糧條件下每頭豬到115公斤體重上市,可節約飼料近27公斤,縮短飼養周期約30天。

這種轉基因豬既環保,又節糧,而且生長快速,可謂是一石三鳥。如果按我國年出欄6億頭生豬計算,則可節省約1600萬噸飼料,減少飼料成本近500億元,表明這些環保節糧型轉基因豬不僅可減少環境污染和節約飼料,也有望為養殖戶帶來巨大的經濟效益。

這一項環保節糧型轉基因豬研究成果得到國家轉基因生物新品種培育重大專項資助,將于近日發表在著名國際學術期刊《eLife》上。《eLife》雜志是由美國霍華德休斯醫學研究所(Howard Hughes Medical Institute)、德國馬克斯-普朗克學會(Max Planck Society)和英國醫學慈善機構惠康基金會(Wellcome Trust)于2012年底發起創辦,很快就成為生命科學和生物醫學領域內具有重要影響力的學術期刊。

何時上餐桌

不過,這些環保節糧型轉基因豬要走上人們的餐桌并不容易。

早在2001年,加拿大圭爾夫大學的科學家在《自然生物技術》(Nature Biotechnology)宣布,成功培育出一種環保型轉基因豬(Enviropig),同樣在腮腺蛋白啟動子的調控下,在轉基因豬的唾液中表達重組植酸酶,可減少50%以上的糞磷排放量,最高可減少75%。

這是世界上第一種環保型轉基因動物。2010年2月,加拿大環境部宣布,圭爾夫大學培育的環保型轉基因豬符合加拿大環境保護法的要求,允許在經批準的受控程序下進行Enviropig生產。隨后,圭爾夫大學副校長透露,目前美國和加拿大食品藥品監督管理局正在對Enviropigs豬肉的人類食品安全性進行評估。但至2012年4月,由于缺乏持續的資金資助,圭爾夫大學宣布終止Enviropig環保型轉基因豬研究項目。

不過Enviropig環保型轉基因豬項目的夭折,并不能阻擋食用轉基因動物產品產業化的步伐。2015年11月,美國食品藥品監督管理局宣布加拿大培育的一種快速生長型轉基因三文魚產品可以上市銷售,2016年5月加拿大也批準了轉基因三文魚上市,且無需進行轉基因標識。目前轉基因三文魚產品已率先在加拿大市場上銷售。快速生長型轉基因三文魚是第一個供人類直接食用的轉基因動物產品,也開啟了全球轉基因動物產業化的大門。

相較于加拿大的環保型轉基因豬,華南農業大學培育的環保節糧型轉基因豬同時具有氮磷減排的效果,綜合性能更優良。根據我國轉基因生物安全評價相關法規,轉基因新品種實現產業化,需要經過中間試驗、環境釋放、生產性試驗、安全證書申報等多個生物安全評價階段,重點要評價該轉基因產品的食用安全性和環境安全性。至于何時可以為產業發展服務,吳珍芳教授表示,“技術是已經儲備了,主要看國家審批進度和公眾的科學認知。”

(原標題:轉了四個基因,這些豬環保又節糧)

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