中流击水 2010年03月18日 22:42

刘夙:转植酸酶基因玉米详解(附:对一篇新闻的评论)

  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

附:对一篇新闻的评论

  肯定有很多朋友觉得,现在的“专家”满天飞,都不知道该信谁。下面我就给大家分析一篇新闻,告诉大家应该信谁。红色是我的评点。

转基因玉米惹争议 专家称99%专利被国外控制

2010年03月12日 22:01 经济观察报

(http://finance.sina.com.cn/roll/20100312/22017557030.shtml)
降蕴彰

  2009年10月,中国农业部批准了两种转基因水稻和一种转基因玉米的安全证书,中国成为世界上首个批准主粮转基因种植的国家。证书批准后,围绕转基因水稻和玉米的争议,迅即在业内发酵。

  而随着两个月后中央一号文件明确强调 “加速实施转基因主粮产业化”,这一争论一夜间成为全体国民关注的焦点。

  此次全国两会前后,更有百人上书反对,政协委员亦联名上交提案,担忧转基因主粮商业推广的安全性。农业部则多次通过媒体澄清转基因主粮的相关问题。

  就在包括袁隆平在内的十多位两院院士高调支持转基因水稻,令该领域的争论渐趋平息之际,转基因玉米似乎尚未引起关注。不过,本报记者调查发现,转基因玉米领域存在的争议和风险更大,甚至对于最关键事实的认定,亦存在截然相反的描述。

评:这位记者很诚恳,自己不清楚,并不乱判断,而是把各方的意见原本摆出来。如果记者们都是这样写新闻,不愁真理辩不明白。

  交锋一

  全国两会前夕,一位与转基因玉米研究推广关系密切的官员表示,转基因玉米安全证书的批准有些过早。国内企业3-5年内很难推出可商用的转基因玉米品种。届时,一旦鉴于相关政策国门打开,外资种子企业的转基因品种进入中国占领市场,中国的玉米安全将面临严重威胁。

  对于国内转基因玉米研发现状,这位官员推荐记者采访玉米行业一位权威科学家。

  这位科学家向本报透露,农业部批准了的转基因植酸酶玉米这个品种,可能存在一些重大问题。问题的关键在于,转基因植酸酶玉米的研发过程中,关键实验环节未在“负压温室、负压实验室”内进行。由此导致的结果是,实验最终获得的品种存在很大的安全不确定性。

  这位科学家介绍说,为了保证转基因品种万无一失,在玉米品种开花散粉前,几乎所有的实验关键环节都必须在“负压温室、负压实验室”内进行。“负压温室、负压实验室”里面的大气压力比外面低,这样“从实验过程一开始,空气都是往里流的,所有的空气都要经过过滤,过滤后的所有东西都会沉淀在管道里的一个箱子里。实验室里那些花粉、孢子等转基因微生物绝对不会跑到实验室外的大气当中去”。

  由于工作关系,这位科学家曾赴美国、印度尼西亚、菲律宾、墨西哥等国多次实地考察。“负压温室、负压实验室非常严格,一般人不允许进。进第一道门后,衣服要挂在门外的玻璃墙上。再经过几道门才最终进去。参观人员则都是隔着玻璃墙观察。”在美国,先锋、孟山都这些世界种业巨头如果转基因研发违反这些规则,一旦被发现,对企业的打击是毁灭性的。

  此次获批的转基因玉米品种,由中国农业科学院生物技术研究所范云六院士所带领的团队完成。上述科学家表示,自己对范云六研究转基因植酸酶玉米的过程比较了解。农科院根本没有“负压温室、负压实验室”这样的设备,“中科院遗传所有这个设施,但转基因植酸酶玉米研究没有使用这个设备”。

  随后,本报向多位农业科学家求证,除一位科学家肯定“农科院肯定没有配备这种设施”外,其他人士均表示,不了解范云六是否在“负压温室、负压实验室”做过实验。

  针对上述疑问,本报随即联系中国农科院生物技术研究所。一直参与该玉米品种研发的副研究员陈茹梅回应说,“只有研究像非典病毒一类危害性特别强的病菌时”,相关重要实验才会在负压温室、负压实验室中进行,转基因植酸酶玉米研究还没有到那么高的级别。

  “我本人在美国先锋种业公司工作过,他们的实验室就不是负压的。”陈茹梅说。

评:陈茹梅是对的。即使在美国,转植酸酶基因玉米的研发也根本用不着什么负压温室、负压实验室。有兴趣的朋友可以看一下美国NIH(国立卫生研究院)制定的《NIH对涉及重组DNA分子的研究指南》(http://oba.od.nih.gov/oba/rac/guidelines_02/NIH_Guidelines_Apr_02.htm),特别是其中的附录G和附录P。这个指南规定,转基因植物研究的生物安全等级(biosafety level),要视研究内容分为4级。其中只有第3、4级需要负压系统,第1、2级都不需要。按定义,转植酸酶基因玉米属于第1级,即没有证据表明它能够在环境中存活、扩散,即使偶然逸出,也不会造成环境风险。实际上,绝大多数的转基因植物研究都属于这一安全级别。

  我不知道那个胡说转基因玉米开发需要负压温室、负压实验室的“权威科学家”为什么不敢透露姓名?孬种!

  交锋二

  采访中,一位种业公司的育种博士,提出了针对转基因玉米的第二个质疑,即该品种不抗虫,不抗病,也不能提高玉米产量。其功能主要是“植酸酶玉米”能令生猪消化更多的磷,从而减少来自动物粪便的污染。这一看法得到了多位业内人士的认可。

  不过,这位育种博士进一步质疑说:“在玉米加工成饲料的过程中,遭遇高温处理,消化磷的作用将会降低。”

  对此,陈茹梅坦陈,植酸酶玉米,既不抗虫,也不抗病,也不能提高产量,与其他玉米品种相比较,突出的功用是“能帮助猪鸡鸭等单胃动物消化饲料中丰富的磷”。但她强调:“转基因植酸酶玉米中所含的‘酶’是一种耐热的酶。”

评:大家如果看了我前面对转植酸酶基因玉米的介绍,就知道陈茹梅是对的。具体情况详见专利ZL200610137652.5的介绍。同样,这个不敢透露姓名的“育种博士”也是孬种。

奥瑞金的声音

  前述对转基因玉米提出质疑的科学家还向本报透露:“大约两年前,农科院把‘玉米转基因植株’卖给了奥瑞金公司,价格是一年几十万。”

  “转基因植株”还不能称为 “品种”。在“转基因植株”基础上,还要通过杂交、回交和分子技术及常规技术等技术手段,才能转化为“转基因植酸酶玉米品种”,而“转化”所需要的时间最快也得2—3年。因此,前述科学家认为,未来三五年内推出商业成品有很大难度。

  奥瑞金公司是中国首家在纳斯达克上市的种子企业,也是植酸酶玉米的独家供应商。中国转基因主粮获批的消息传至美国后,该公司股价持续上涨。其间的1月27日,更是涨了一倍,并在之后的几天内继续上涨,6个交易日涨幅达到300%!

  记者多方努力,终于联系到该公司董事长韩庚辰。针对业内的质疑他回应说,农科院有“负压温室、负压实验室”。转基因植酸酶玉米前期的研究实验,也是在“负压温室、负压实验室”内进行。

  “别人怎么知道生物技术研究所没有‘负压温室、负压实验室’呢?我们公司也有‘负压温室、负压实验室’设备!”韩庚辰说。

  这一说法不仅不同于上述科学家的介绍,与生物技术研究所陈茹梅的说法也明显不同。

  对于外界一致认为转基因植酸酶玉米不能提高产量的说法,韩庚辰解释说:“我们已经将‘植酸酶’转到我们新的玉米品种中去了,下一步推出的转基因植酸酶玉米,不仅含有植酸酶,还能提高产量。”

  而此前,韩庚辰接受外国媒体采访时也表示:“该品种的产量较普通玉米提高了10%-15%,并希望转基因玉米能在2011年或2012年投入商用。”

  韩庚辰还透露说,奥瑞金与农科院的合作始于两年前。两年间,从“植株”到“品种”的转化工作已基本完成。按照计划,今年在山东省内将开始大约1万亩的种子批量生产。奥瑞金目前已经在同农业部讨论商业化种植的推进时间。

评:韩庚辰一个商人,从来没有参与过实际研发,说的话怎么可能比亲自参与了整个转基因研发过程的陈茹梅更可信呢?我怀疑他不过是为了平息外界的争论而信口开河罢了。

  谁是“推手”

  事实上,转基因玉米安全证书的批准,中央一号文件的高调支持,在相当多业内人士看来,都显得太过突然。

  虽然早在上世纪80年代,转基因植物就列入我国“863”计划,但与棉花在我国早就开始商业化种植不同,长期以来,我国政府对转基因玉米和水稻的商业化种植一直非常谨慎。

  接受本报采访的种业科学家和企业家一致的看法是,我国政府对转基因作物研究真正发力是在2008年,当年7月9日,国家投入资金200多亿元,启动 “转基因生物新品种培育”科技重大专项。但随后的一年多时间里,又有哪些人或事助推了我国转基因主粮产业化的超常提速,都显得模糊不清,知情者甚少。

评:转植酸酶基因玉米的研发至少在2003年就开始了(从相关专利的申请时间就可以看出来),所转的曲霉植酸酶基因的克隆更是上个世纪的事了。这段话莫非企图暗示,现在颁布安全证书的两种转基因作物都是2008年“真正发力”之后才匆匆弄出来的?如果是真的,这个谣就造得太阴险了。

  就是在这样一个背景下,转基因主粮安全证书获批。

  安全证书是转基因作物品种上市前最难跨过的一个关口。而一旦跨过了,也就意味着我国转基因水稻、玉米投入商业化种植并不遥远。

  对此,国内著名育种专家李登海表示了他的担忧。在前不久科技部一次种业座谈会上,李登海通过登海种业公司总经理李晓霞转述了自己的观点——“我国率先放开转基因种子商品化,将引起很多不可预计的后果。我国大型作物转基因研究基础很薄弱,拥有的合法基因很少,99%以上专利被国外控制。”

  由于李登海是中国育种界公认的顶级专家,又与美国先锋公司建立了合资公司,他的表态引发了不小震动。

评:李登海这个99%也是信口开河。就拿转植酸酶玉米来说吧,至少有两个专利是中国自主的。如果只占1%,那么这个品种全部涉及的专利就应该有200个。我想请李登海把剩下的198个专利都列出来听听?
  网上查知,李登海从事的是玉米杂交育种。这就让人不免怀疑,他是为了诋毁竞争对手而这么胡说的。像这种身份一点也不中立的人,说的话又有什么可信度呢?

  中国农科院作物所研究员张世煌也表达了同样的担忧,“获得安全证书的转基因玉米使我国拥有了完全的自主知识产权,但企业大规模商业推广还为时尚早,很多条件还不具备。”

  如此情形下,用前述科学家的话来说,安全证书的获批,范云六等一些转基因科学家和奥瑞金公司,是本次中国转基因政策提速的“推手”。

评:这个“前述科学家”自己胡说八道,还反诬别人是“推手”。见过不要脸的,没见过这么不要脸的。

  本报获悉,在2009年农业部颁发安全证书前,决策部门曾几次召集包括范云六在内的多名科学家、企业家座谈,听取推进转基因水稻、玉米产业化的建议。这几次座谈对推进转基因决策至关重要。

  有接近农业部的人士介绍说,作为转基因植酸酶玉米的独家供应商,韩庚辰参加了座谈会。会上,韩庚辰介绍了植酸酶玉米的好处,并表示最晚能在2012年内将该品种投入商用。

  座谈会后不久,中国首次为转基因主粮颁发了安全证书。

  对这一情况,韩庚辰告诉本报记者,2008年底他曾向统战部递交了一份内容为“发展我国生物技术,建立国家转基因工程规划”的建议。但他没有参加过安全证书批准前的座谈会。

  尽管转基因玉米领域基本情形仍模糊一片,但毕竟安全证书已经获得批准。对此,多位业内人士表示,在基本情况没有明晰之前,在转基因玉米产业化方面,政策层面一定要慎之又慎,绝不能轻言放开。

  对此,农业部一位官员告诉本报,我国政府一直对本国种子行业实施保护政策。他举例说,目前政策上不允许外商设立经营销售型种子企业和独资企业。经营粮棉油种子的合资企业,外商股份不得大于50%。“政府的目的就是从国外引进先进育种经验的同时,保护本国种子资源。”这位官员说。

  转基因玉米领域的一些问题,已经得到了农业部一些官员的重视。农业部两会期间也出面澄清说,发放安全证书,不等同于商业化生产。可以预见的是,在未来相当一段时间内,中国转基因玉米商业化,将稳健推进。
评:我最后总结一下吧。我现在看到的亲自参与过转基因研究的科研人员(如陈茹梅)表的态,凡是没经过记者篡改的,都是比较准确的。因为他们本来就对转基因有信心,根本用不着编谎话。反倒是搞传统育种的那些人动不动就胡说八道,为了不承担责任,多半还不敢暴露真实姓名,这种猥琐行为本身已经证明了他们的无耻。还有就是那些具体的公司负责人的话也不可全信,因为很多人不太懂技术,面对询问,为了自保,就只能支吾其辞。至于从事的专业和转基因八竿子打不到关系的蒋高明、薛达元、绿色和平之流,就更不值得认真对待了。

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