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國內(nèi)要聞

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)培育出少污染、節(jié)糧快生長的轉(zhuǎn)基因豬

發(fā)布時間:2018-05-14

   華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的科學(xué)家將四個來自微生物的酶類基因轉(zhuǎn)入豬基因組中,培育出污染顯著減少、節(jié)約糧食且生長快速的轉(zhuǎn)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(chǎn)量5340萬噸,約占全球生豬養(yǎng)殖量和豬肉產(chǎn)量的一半。如此龐大的生豬養(yǎng)殖量,為我國居民提供了60%以上的肉類產(chǎn)品,同時也帶來巨大的環(huán)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(nóng)業(yè)大學(xué)吳珍芳教授小組將四個來自微生物的酶類基因轉(zhuǎn)入豬基因組中,培育出氮磷污染顯著減少、節(jié)約糧食,而且生長快速的轉(zhuǎn)基因豬新品種,有望緩解養(yǎng)豬業(yè)的環(huán)境污染和糧食消耗問題,該研究成果近期將發(fā)表在著名國際學(xué)術(shù)期刊《eLife》上。

   養(yǎng)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(jù)中國經(jīng)營報等媒體調(diào)查,2018年上半年,養(yǎng)殖戶每出售一頭生豬,平均虧損約200元,已突破養(yǎng)殖戶的心理承受極限。

   在養(yǎng)豬生產(chǎn)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(xué)家們希望從營養(yǎng)吸收與利用、品種培育等方面來提高飼料轉(zhuǎn)化效率,以節(jié)約飼料消耗,增加養(yǎng)豬效益。培育生長快速又節(jié)糧的豬新品種一直是育種學(xué)家的追求,不過常規(guī)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(fā)育的必需元素,但是由于豬的消化道缺乏一些關(guān)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(huán)境造成嚴(yán)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(huán)境中,會造成土壤板結(jié)和地下水污染,并造成水體富營養(yǎng)化,很難清除。據(jù)《全國第一次污染源普查公報》(2010年)顯示,我國養(yǎng)殖業(yè)已成為主要污染源之一,其中所產(chǎn)生的化學(xué)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(qū)紛紛出臺畜禽限養(yǎng)、禁養(yǎng)措施,以減少養(yǎng)殖業(yè)對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的污染。養(yǎng)豬業(yè)則是受到這種限養(yǎng)禁養(yǎng)措施沖擊較大的行業(yè),而且隨著養(yǎng)豬業(yè)規(guī)模化程度不斷提高,污染排放物越來越集中,養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展空間將進一步受到限制。

   有人提出,既然養(yǎng)豬污染如此嚴(yán)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(yǎng)殖量呢?遺憾的是,全球豬肉出口總量只相當(dāng)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(jié)省飼料,還能減少污染排放量呢?

   一石三鳥

   研究發(fā)現(xiàn),影響飼料營養(yǎng)物質(zhì)消化的主要因素是飼料中各種抗?fàn)I養(yǎng)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(qū))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(gòu)成細胞內(nèi)營養(yǎng)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(zhuǎn)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(chǎn)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(xiàn)商品化三十多年,并在豬飼料生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用;另一種方案則是中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所范云六院士團隊培育的植酸酶轉(zhuǎn)基因玉米,即將植酸酶基因轉(zhuǎn)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(nóng)業(yè)部發(fā)放的轉(zhuǎn)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(zhǔn)商業(yè)化種植的飼料用轉(zhuǎn)基因作物。

   不過,這兩種方案都是間接地將原產(chǎn)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(chǎn)過程本身會產(chǎn)生新的環(huán)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(zhuǎn)基因技術(shù)和體細胞克隆技術(shù),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(dǎo)入豬基因組中,培育出轉(zhuǎn)有這四個基因的轉(zhuǎn)基因克隆豬。在腮腺蛋白啟動子調(diào)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(xù)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(yǎng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)基因豬的生長速度提高20%以上,飼料轉(zhuǎn)化率提高10%以上。據(jù)課題組的張獻偉博士等人測算,這些轉(zhuǎn)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(jié)約飼料近27公斤,縮短飼養(yǎng)周期約30天。

   這種轉(zhuǎn)基因豬既環(huán)保,又節(jié)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(jié)省約1600萬噸飼料,減少飼料成本近500億元,表明這些環(huán)保節(jié)糧型轉(zhuǎn)基因豬不僅可減少環(huán)境污染和節(jié)約飼料,也有望為養(yǎng)殖戶帶來巨大的經(jīng)濟效益。

   這一項環(huán)保節(jié)糧型轉(zhuǎn)基因豬研究成果得到國家轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大專項資助,將于近日發(fā)表在著名國際學(xué)術(shù)期刊《eLife》上?!秂Life》雜志是由美國霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所(Howard Hughes Medical Institute)、德國馬克斯-普朗克學(xué)會(Max Planck Society)和英國醫(yī)學(xué)慈善機構(gòu)惠康基金會(Wellcome Trust)于2012年底發(fā)起創(chuàng)辦,很快就成為生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)具有重要影響力的學(xué)術(shù)期刊。

   何時上餐桌

   不過,這些環(huán)保節(jié)糧型轉(zhuǎn)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(xué)的科學(xué)家在《自然生物技術(shù)》(Nature Biotechnology)宣布,成功培育出一種環(huán)保型轉(zhuǎn)基因豬(Enviropig),同樣在腮腺蛋白啟動子的調(diào)控下,在轉(zhuǎn)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(huán)保型轉(zhuǎn)基因動物。2010年2月,加拿大環(huán)境部宣布,圭爾夫大學(xué)培育的環(huán)保型轉(zhuǎn)基因豬符合加拿大環(huán)境保護法的要求,允許在經(jīng)批準(zhǔn)的受控程序下進行Enviropig生產(chǎn)。隨后,圭爾夫大學(xué)副校長透露,目前美國和加拿大食品藥品監(jiān)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(xù)的資金資助,圭爾夫大學(xué)宣布終止Enviropig環(huán)保型轉(zhuǎn)基因豬研究項目。

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

   相較于加拿大的環(huán)保型轉(zhuǎn)基因豬,華南農(nóng)業(yè)大學(xué)培育的環(huán)保節(jié)糧型轉(zhuǎn)基因豬同時具有氮磷減排的效果,綜合性能更優(yōu)良。根據(jù)我國轉(zhuǎn)基因生物安全評價相關(guān)法規(guī),轉(zhuǎn)基因新品種實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,需要經(jīng)過中間試驗、環(huán)境釋放、生產(chǎn)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(zhuǎn)基因產(chǎn)品的食用安全性和環(huán)境安全性。至于何時可以為產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù),吳珍芳教授表示,“技術(shù)是已經(jīng)儲備了,主要看國家審批進度和公眾的科學(xué)認(rèn)知。”
 (南方周末)