转了四个基因,这些猪环保又节粮

2018-05-15 09:59:23  来源: 南方周末   作者: 汤波

华南农业大学的科学家将四个来自微生物的酶类基因转入猪基因组中,培育出污染显著减少、节约粮食且生长快速的转基因猪。2017年我国出栏生猪......

华南农业大学的科学家将四个来自微生物的酶类基因转入猪基因组中,培育出污染显著减少、节约粮食且生长快速的转基因猪。

2017年我国出栏生猪6.88亿头,存栏生猪4.33亿头,猪肉总产量5340万吨,约占全球生猪养殖量和猪肉产量的一半。如此庞大的生猪养殖量,为我国居民提供了60%以上的肉类产品,同时也带来巨大的环保压力和粮食消耗,其中生猪粪便中总氮和总磷排放量占全国污染总量的约20%和40%,生猪饲料消耗量则占全国畜禽饲料消耗总量的50%以上。

华南农业大学吴珍芳教授小组将四个来自微生物的酶类基因转入猪基因组中,培育出氮磷污染显著减少、节约粮食,而且生长快速的转基因猪新品种,有望缓解养猪业的环境污染和粮食消耗问题,该研究成果近期将发表在著名国际学术期刊《eLife》上。

养猪的烦恼

自2016年6月,猪肉价格达到历史高点之后,“猪周期”开始步入下行通道。据中国经营报等媒体调查,2018年上半年,养殖户每出售一头生猪,平均亏损约200元,已突破养殖户的心理承受极限。

在养猪生产中,饲料成本约占总成本的70%~80%,是猪场最主要的开支,因此科学家们希望从营养吸收与利用、品种培育等方面来提高饲料转化效率,以节约饲料消耗,增加养猪效益。培育生长快速又节粮的猪新品种一直是育种学家的追求,不过常规育种方法很难同时兼顾,也就是说,如果追求生长快速,则需要给育肥猪多添加饲料,势必造成大量饲料浪费,如果追求饲料消耗少,则会造成育肥猪生长缓慢。

猪饲料中的氮、磷是生猪生长发育的必需元素,但是由于猪的消化道缺乏一些关键的消化酶,饲料中约有2/3的氮、磷等元素不能被猪利用,只能随着粪便和尿液排出体外,既浪费大量饲料,也给环境造成严重污染。畜禽粪便所携带的磷多以无机磷形式存在,一旦排放到自然环境中,会造成土壤板结和地下水污染,并造成水体富营养化,很难清除。据《全国第一次污染源普查公报》(2010年)显示,我国养殖业已成为主要污染源之一,其中所产生的化学需氧量约占全国总排放量的44%,总氮约占全国排放量的24%,总磷约占全国总排放量的42%。全国很多地区纷纷出台畜禽限养、禁养措施,以减少养殖业对当地环境的污染。养猪业则是受到这种限养禁养措施冲击较大的行业,而且随着养猪业规模化程度不断提高,污染排放物越来越集中,养猪业的发展空间将进一步受到限制。

有人提出,既然养猪污染如此严重,能不能像解决我国大豆短缺问题一样,从国外大量进口猪肉,以减少生猪养殖量呢?遗憾的是,全球猪肉出口总量只相当于中国猪肉消费量的10%左右,显然依靠进口解决我国居民的猪肉刚性需求是行不通的。那么有没有一种方法,既让猪长得快,又能节省饲料,还能减少污染排放量呢?

一石三鸟

研究发现,影响饲料营养物质消化的主要因素是饲料中各种抗营养因子,其中主要成分是非淀粉多糖(NSP)和植酸,NSP是植物种子糊粉层细胞(蛋白富集区)和胚乳细胞的细胞壁主要成分,其主要组分包括木聚糖、葡聚糖和纤维素,是构成细胞内营养消化吸收的物理屏障。植酸磷主要储存在谷物的糊粉层和胚中,是植物中磷元素的主要存在形式之一,占植物中总磷的60%以上。而猪的消化道由于缺乏消化NSP和植酸的酶类,不能有效利用饲料中的氮和磷元素。

为了提高饲料中氮磷转化效率,目前已有两种较为成熟的解决方案,第一种方案是利用基因工程细菌或酵母来生产微生物来源的重组木聚糖酶、葡聚糖酶和植酸酶,然后将这些重组消化酶添加到猪饲料中,这一方案已实现商品化三十多年,并在猪饲料生产中广泛应用;另一种方案则是中国农业科学院生物技术研究所范云六院士团队培育的植酸酶转基因玉米,即将植酸酶基因转入玉米基因组中,使作为能量饲料的玉米自带植酸酶,能显著提高饲料中植酸磷利用效率,减少磷排放,该品种2009年获得农业部发放的转基因生物安全证书,2015年再次获得新的安全证书,有望成为第一个获准商业化种植的饲料用转基因作物。

不过,这两种方案都是间接地将原产于微生物的木聚糖酶、葡聚糖酶和植酸酶等消化酶添加到饲料中,其中第一种方案中重组消化酶的生产过程本身会产生新的环境污染和额外的能源消耗,而第二种方案只是解决了磷的利用和排放问题,氮元素的利用和污染问题则没有涉及。

于是,吴珍芳教授课题组提出了提高饲料氮磷利用效率的第三种方案。

该课题组利用转基因技术和体细胞克隆技术,将微生物来源的2个葡聚糖酶基因、1个木聚糖酶基因和1个植酸酶基因等四个基因同时导入猪基因组中,培育出转有这四个基因的转基因克隆猪。在腮腺蛋白启动子调控下,上述三种重组消化酶只在猪的唾液腺中特异分泌,而在其他组织中没有表达。接下来,这些消化酶随唾液进入猪的消化道,持续降解饲料中非淀粉多糖和植酸磷,显著提高了饲料氮、磷、钙等营养的消化效率。

令人惊喜的是,与饲喂相同饲料的普通猪比较,转基因猪的粪氮排放量减少20%以上,粪磷排放量则可减少45%以上,而且这些转基因猪的生长速度提高20%以上,饲料转化率提高10%以上。据课题组的张献伟博士等人测算,这些转基因猪在饲喂低氮日粮条件下每头猪到115公斤体重上市,可节约饲料近27公斤,缩短饲养周期约30天。

这种转基因猪既环保,又节粮,而且生长快速,可谓是一石三鸟。如果按我国年出栏6亿头生猪计算,则可节省约1600万吨饲料,减少饲料成本近500亿元,表明这些环保节粮型转基因猪不仅可减少环境污染和节约饲料,也有望为养殖户带来巨大的经济效益。

这一项环保节粮型转基因猪研究成果得到国家转基因生物新品种培育重大专项资助,将于近日发表在著名国际学术期刊《eLife》上。《eLife》杂志是由美国霍华德休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)、德国马克斯-普朗克学会(Max Planck Society)和英国医学慈善机构惠康基金会(Wellcome Trust)于2012年底发起创办,很快就成为生命科学和生物医学领域内具有重要影响力的学术期刊。

何时上餐桌

不过,这些环保节粮型转基因猪要走上人们的餐桌并不容易。

早在2001年,加拿大圭尔夫大学的科学家在《自然生物技术》(Nature Biotechnology)宣布,成功培育出一种环保型转基因猪(Enviropig),同样在腮腺蛋白启动子的调控下,在转基因猪的唾液中表达重组植酸酶,可减少50%以上的粪磷排放量,最高可减少75%。

这是世界上第一种环保型转基因动物。2010年2月,加拿大环境部宣布,圭尔夫大学培育的环保型转基因猪符合加拿大环境保护法的要求,允许在经批准的受控程序下进行Enviropig生产。随后,圭尔夫大学副校长透露,目前美国和加拿大食品药品监督管理局正在对Enviropigs猪肉的人类食品安全性进行评估。但至2012年4月,由于缺乏持续的资金资助,圭尔夫大学宣布终止Enviropig环保型转基因猪研究项目。

不过Enviropig环保型转基因猪项目的夭折,并不能阻挡食用转基因动物产品产业化的步伐。2015年11月,美国食品药品监督管理局宣布加拿大培育的一种快速生长型转基因三文鱼产品可以上市销售,2016年5月加拿大也批准了转基因三文鱼上市,且无需进行转基因标识。目前转基因三文鱼产品已率先在加拿大市场上销售。快速生长型转基因三文鱼是第一个供人类直接食用的转基因动物产品,也开启了全球转基因动物产业化的大门。

相较于加拿大的环保型转基因猪,华南农业大学培育的环保节粮型转基因猪同时具有氮磷减排的效果,综合性能更优良。根据我国转基因生物安全评价相关法规,转基因新品种实现产业化,需要经过中间试验、环境释放、生产性试验、安全证书申报等多个生物安全评价阶段,重点要评价该转基因产品的食用安全性和环境安全性。至于何时可以为产业发展服务,吴珍芳教授表示,“技术是已经储备了,主要看国家审批进度和公众的科学认知。”

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本文来源:南方周末 责任编辑:张帆
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