■王修啟 高春起 黎相廣 嚴(yán)會超

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，廣東廣州510642）

植物性飼料原料中，約有60%～80%的磷是以植酸磷的形式存在[1-2]。然而，豬和家禽等單胃動物消化道內(nèi)不分泌植酸酶，導(dǎo)致其無法利用植酸磷[3]。研究表明，在單胃動物低磷飼糧中添加外源微生物酶，是提高磷利用率和減少糞磷排放的最有效手段[4-6]。飼糧添加外源植酸酶會造成飼料成本增加，阻礙了外源微生物植酸酶在畜禽飼料中的使用[7]；同時，將微生物植酸酶與飼料原料混合也給飼料生產(chǎn)帶來了不便。

近20年來，轉(zhuǎn)基因技術(shù)迅速發(fā)展，轉(zhuǎn)基因植物種類和種植面積均不斷增加。2011年，美國88%的玉米、94%的大豆品種為轉(zhuǎn)基因品種[8]。轉(zhuǎn)基因技術(shù)的進(jìn)步，也促使轉(zhuǎn)基因作物高效表達(dá)外源植酸酶基因成為可能，例如，轉(zhuǎn)植酸酶基因煙草種子[9]、轉(zhuǎn)植酸酶基因大豆[10]、轉(zhuǎn)植酸酶基因油菜[11]、轉(zhuǎn)植酸酶基因小麥[12]等。經(jīng)過多年的研究，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院通過向玉米中導(dǎo)入來源于黑曲霉Aspergillus niger的植酸酶基因phyA2，實(shí)現(xiàn)了外源植酸酶基因在玉米籽粒中的高效表達(dá)，成功培育出轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米[13]。作為一種使用植酸酶的新方式，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米不僅具有傳統(tǒng)玉米的基本特性，也有提高動物飼糧中磷利用率的潛能。轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米中植酸酶基因多在玉米胚乳層表達(dá)，玉米籽粒外層會對胚乳內(nèi)植酸酶有一種“包被”作用，而商業(yè)微生物植酸酶相對“裸露”存在于飼料中，二者的存在方式有所不同，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米來源的植酸酶在畜禽飼料中的安全性和有效性亟待證實(shí)。

然而，自從轉(zhuǎn)基因玉米被大范圍推廣以來，國際社會對轉(zhuǎn)基因飼料的安全性爭議不斷[14-20]，消費(fèi)者擔(dān)心轉(zhuǎn)基因飼料可能會對動物和人類的健康造成不利影響。本文主要對轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米的營養(yǎng)組成、飼用安全性和對畜禽的生物學(xué)價值與飼用價值等研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，旨在為轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米的使用提供參考。

1 轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)微生物發(fā)酵產(chǎn)酶相比，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)植酸酶具有以下3個特點(diǎn)：①轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米利用自然光能，無需其他設(shè)備和能耗；②轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米兼具常規(guī)玉米和植酸酶添加劑的功效；③貯存方便，不需特殊處理。

2 轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米的營養(yǎng)組成及生物學(xué)價值

2.1 營養(yǎng)組成

新的外源基因的引入是否會改變作物本身營養(yǎng)成分的組成和含量，是轉(zhuǎn)基因作物安全性評價的重要內(nèi)容。通常是以“實(shí)質(zhì)等同性原則”為指導(dǎo)，將轉(zhuǎn)基因作物與其親本或近等基因作物的營養(yǎng)物質(zhì)組成與含量相比較。主要包括對作物中干物質(zhì)、粗蛋白、氨基酸、粗灰分、粗脂肪、粗纖維、維生素、礦物質(zhì)、脂肪酸、農(nóng)藥殘留、霉菌毒素和抗?fàn)I養(yǎng)因子等組成和含量的比較。

Gao 等[21]和Li等[22]研究表明，與親本玉米相比，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米中植酸酶的含量約為親本玉米的200倍，達(dá)到了8 140 FTU/kg（干物質(zhì)基礎(chǔ)），植酸磷含量顯著降低，而轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米中的概略養(yǎng)分、氨基酸、礦物元素和霉菌毒素等均無顯著性改變（P＞0.05）。Li等[22]比較了轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米和親本玉米脂肪酸、維生素、直鏈和支鏈淀粉的含量，在兩種玉米間也未見顯著差異（P＞0.05）。表明除植酸酶和植酸磷外，玉米中轉(zhuǎn)入外源植酸酶基因不改變玉米中營養(yǎng)物質(zhì)的組成和含量。

2.2 飼料生物學(xué)價值評定

除了需要根據(jù)“實(shí)質(zhì)等同性原則”評估轉(zhuǎn)基因飼料原料中的營養(yǎng)成分含量，飼料原料中外源基因的引入是否會改變其對豬、雞等的飼料生物學(xué)價值，也是行業(yè)共同關(guān)心的問題。Gao等[21]對比了轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米和其親本玉米在雞上的生物學(xué)價值，結(jié)果表明，兩種玉米在雞上的能量真利用率、真代謝能、氨基酸消化率相近（P＞0.05）；轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米在雞上的磷真利用率顯著高于其親本玉米（55.9%vs.37.9%），有效磷含量顯著提高（0.18%vs.0.12%，以干物質(zhì)為基礎(chǔ)計）（P＜0.05）。Li等[22]的研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米和親本相比，兩種玉米在生長豬上的氨基酸回腸標(biāo)準(zhǔn)消化率無顯著差異（P＞0.05），但轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米在豬上的磷回腸標(biāo)準(zhǔn)消化率和消化能顯著提高。表明轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米在豬、雞上的生物學(xué)價值高于其親本玉米，這可能與轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米植酸酶含量較高，導(dǎo)致與植酸結(jié)合的其他營養(yǎng)素被釋放利用有關(guān)。

3 轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米的飼用安全性

轉(zhuǎn)基因飼料原料的安全性評定通常是以小鼠、大鼠、畜禽、水產(chǎn)動物等作為動物模型，將轉(zhuǎn)基因作物作為試驗(yàn)飼糧的主要成分，研究轉(zhuǎn)基因作物對動物生長性能、生理生化指標(biāo)、器官指數(shù)、屠宰性能、肉質(zhì)特性、腸道健康、消化能力和繁殖性能等的影響，同時測定轉(zhuǎn)基因成分在動物的代謝和在組織中的殘留情況。

3.1 生長性能、屠宰性能和生理生化指標(biāo)

表1概括了轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米對豬雞生產(chǎn)性能、屠宰性能和畜產(chǎn)品品質(zhì)影響的研究。與親本玉米相比，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米不會對畜禽的生產(chǎn)和健康產(chǎn)生不利影響。

表1 轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米對動物生長性能、屠宰性能及生理生化指標(biāo)的影響

3.2 外源轉(zhuǎn)基因成分在動物體內(nèi)的代謝

由于外源轉(zhuǎn)基因成分（轉(zhuǎn)基因片段DNA及其表達(dá)蛋白）在被動物采食、消化吸收后有潛在遷移至畜產(chǎn)品中的風(fēng)險，因此，轉(zhuǎn)基因飼料原料的安全性評定中還需要關(guān)注轉(zhuǎn)基因成分在動物體內(nèi)的代謝和在畜產(chǎn)品中的殘留情況。

3.2.1 外源轉(zhuǎn)基因片段在動物體內(nèi)的代謝

DNA是生物體重要的遺傳物質(zhì)，動物采食轉(zhuǎn)基因作物后，外源轉(zhuǎn)基因片段能否在胃腸道消化酶及微生物的作用下完全降解，是廣大消費(fèi)者關(guān)注的焦點(diǎn)之一。飼料中微量的外源DNA在動物的口腔咀嚼、胃酸環(huán)境、胃腸道消化酶消化和微生物的作用下，大部分外源DNA可被消化道完全降解為小的碎片，參與體內(nèi)新物質(zhì)的合成或被排出體外。周暉[31]研究了轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米在肉雞的代謝情況，結(jié)果表明，肉雞采食轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米后，外源轉(zhuǎn)基因片段被迅速降解，未在腸道及心臟、肝臟、腎臟、胸肌和腿肌組織樣品中檢測到外源phyA2基因，表明外源轉(zhuǎn)基因片段可被肉雞消化道快速降解，不會被遷移至組織中。Ma等[26]給蛋雞飼喂含62.4%轉(zhuǎn)植酸酶玉米的飼糧16周后，檢測了轉(zhuǎn)基因片段phyA2和玉米內(nèi)源基因ivr在蛋雞腸道和組織內(nèi)的殘留情況，結(jié)果表明，玉米內(nèi)源基因ivr僅可被胃腸道部分降解，而外源基因phyA2可在蛋雞嗉囊和胃的作用下完全降解；可在所有組織中檢測到雞內(nèi)參基因ov，未在各組織器官檢測到轉(zhuǎn)基因片段phyA2。Gao等[27]在飼喂轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米飼糧的蛋雞胸肌、腿肌、子宮、卵巢和雞蛋中，也未檢測到玉米外源轉(zhuǎn)基因片段phyA2，僅可檢測到雞內(nèi)參基因ov。徐以娟[30]給斷奶仔豬飼喂含55.0%的轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米飼糧，未在豬心臟、肝臟、腎臟、背最長肌和腿肌組織、空腸、回腸食糜和糞便中檢出外源轉(zhuǎn)基因片段phyA2。上述研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米中的植酸酶基因極易被畜禽胃腸道消化降解，而不會被遷移至組織和畜產(chǎn)品中。

3.2.2 轉(zhuǎn)基因外源蛋白在動物體內(nèi)的代謝

在單胃動物體內(nèi)，飼糧來源蛋白質(zhì)可被降解為二肽、三肽和游離氨基酸，從而被動物腸道吸收，參與機(jī)體代謝活動和新物質(zhì)的合成[32]。在反芻動物中，大多數(shù)蛋白質(zhì)被瘤胃微生物利用后合成微生物蛋白或者降解為胺類，極少量未被降解的蛋白質(zhì)可以通過消化道，被動物排出體外[33]。

研究者觀察了轉(zhuǎn)植酸酶基因表達(dá)的蛋白在畜禽消化道內(nèi)的可消化性及其在畜禽組織中的殘留情況。周暉[31]研究表明，肉雞采食轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米飼糧后，玉米中外源植酸酶蛋白會被肉雞消化道快速降解，在肉雞的回腸食糜和糞便中均未檢出外源轉(zhuǎn)基因蛋白phyA2，也未在組織中檢測到外源轉(zhuǎn)基因蛋白。徐以娟[30]在斷奶仔豬上也得到了相似的結(jié)論。Ma等[26]研究了轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米外源phyA2蛋白在蛋雞體內(nèi)的代謝情況，結(jié)果表明，phyA2蛋白在蛋雞嗉囊、胃、十二指腸、空腸、回腸、盲腸和直腸中的檢出率分別為100%、87.5%、37.5%、12.5%、0%、0%和0%，未在蛋雞血液、組織和雞蛋中檢測到外源轉(zhuǎn)基因蛋白phyA2。以上研究表明，外源轉(zhuǎn)基因蛋白phyA2對畜禽胃腸道內(nèi)的胃蛋白酶、胰蛋白酶等較為敏感，phyA2蛋白可在動物體內(nèi)被完全降解，不會被吸收進(jìn)入動物血液、組織或雞蛋等畜產(chǎn)品中[34]。

4 轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米在豬、雞飼料中的應(yīng)用

與微生物來源植酸酶相比，植物來源植酸酶具有成本低、貯存方便、便于在飼料中使用等特點(diǎn)。畜禽消化道前段的偏酸性（pH值2.5～6）環(huán)境，植酸酶催化效率更高，因此前消化道是植酸磷降解的主要部位。但外源植酸酶基因是在玉米的胚乳層中表達(dá)[13]，在胚乳層的包被作用下，能否快速釋放作用于植酸磷，及其對豬雞生產(chǎn)性能的影響，與畜牧生產(chǎn)密切相關(guān)。

4.1 植酸酶轉(zhuǎn)基因玉米在雞飼料中的應(yīng)用

Gao等[35]在負(fù)對照組飼糧（低磷，NPP=0.10%）中分別以3種不同來源植酸酶（微生物來源A、微生物B和轉(zhuǎn)基因玉米來源）添加2個酶活劑量（500 FTU/kg和5 000 FTU/kg）的植酸酶，評價了不同來源植酸酶對蛋雞產(chǎn)蛋性能和營養(yǎng)物質(zhì)表觀消化率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與負(fù)對照組相比，在低磷飼糧中添加3種來源植酸酶均可顯著改善動物的生產(chǎn)性能、營養(yǎng)物質(zhì)消化率和脛骨灰分含量（P＜0.05）；3種不同來源植酸酶在蛋雞上的飼喂效果相當(dāng)（P＞0.05）；蛋雞糞磷表觀消化率隨著植酸酶添加量的增加而顯著增加（P＜0.05）。Wang等[36]在低磷飼糧中添加轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米，與正常磷水平飼糧組和低磷飼糧添加外源植酸酶組相比，對蛋雞的產(chǎn)蛋率、平均日采食量、飼料轉(zhuǎn)化效率和脛骨強(qiáng)度以及軟殼和破殼蛋比例、蛋重、蛋殼厚度和蛋殼強(qiáng)度均無顯著影響（P＞0.05），糞磷含量顯著低于正常磷水平飼糧組（P＜0.05），表明轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米可替代外源植酸酶應(yīng)用于蛋雞飼料中，降低糞磷的排出，而對蛋雞的生產(chǎn)性能和脛骨性狀無顯著影響。Gao等[37]在產(chǎn)蛋雞飼糧中添加相同劑量不同來源（微生物植酸酶和轉(zhuǎn)基因玉米來源）的植酸酶，對比了不同來源植酸酶在產(chǎn)蛋雞胃腸道內(nèi)的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，在玉米胚乳層的包被作用下，來源于轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米的植酸酶在各腸段的殘留活性更高，穩(wěn)定性更好。

Wu等[38]在低磷的肉雞飼糧中分別添加相同酶活的轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米和外源植酸酶，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米組試驗(yàn)前期（1～21 d）的平均日采食量和平均日增重均顯著高于外源植酸酶組，與正常磷水平組無顯著差異，總磷的表觀存留率高于正常磷水平組。相似地，Nyannor等[39]研究表明，隨著飼糧中轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米添加量的增加，肉雞腸道各段內(nèi)容物中植酸磷含量呈線性降低（P＜0.01）。Nyannor等[40]在肉雞飼糧中添加轉(zhuǎn)基因玉米來源植酸酶，也得到了相類似的結(jié)論。

4.2 轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米在豬飼料中的應(yīng)用

Nyannor等[41]分別在低磷飼糧（NPP，0.14%）中添加不同劑量轉(zhuǎn)基因玉米來源植酸酶（0、16 500、33 000 FTU/kg和49 500 FTU/kg），研究了轉(zhuǎn)基因玉米來源的植酸酶對豬生產(chǎn)性能、營養(yǎng)物質(zhì)消化率和脛骨發(fā)育的影響，試驗(yàn)期28 d，結(jié)果表明，隨著飼糧轉(zhuǎn)基因玉米來源植酸酶添加量的增加，豬的日增重、飼料轉(zhuǎn)化率和血漿磷水平均呈線性增加；豬對飼糧干物質(zhì)、能量、鈣和磷的回腸表觀消化率也極顯著增加（P＜0.01）。相同添加量的轉(zhuǎn)基因玉米來源植酸酶與外源微生物植酸酶（Quantum）對仔豬生產(chǎn)性能、營養(yǎng)物質(zhì)消化率和骨骼灰分比例的改善效果相當(dāng)（P＞0.05）。Wang等[42]在低磷飼糧中添加轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米和外源植酸酶，與外源植酸酶組相比，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米組可顯著增加生長豬的平均日增重（P＜0.05），降低料重比（P＜0.05）；與正常磷水平組相比，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米組顯著降低糞磷排放量（P＜0.05）。

各研究結(jié)果提示，轉(zhuǎn)基因植物來源植酸酶能夠水解飼糧中的植酸，提高動物的生產(chǎn)性能、改善骨骼質(zhì)量，提高營養(yǎng)物質(zhì)利用率。轉(zhuǎn)基因植物來源植酸酶與微生物植酸酶相比，在豬雞上的飼喂效果相當(dāng)。因轉(zhuǎn)基因作物來源植酸酶具有成本低、使用方便等特點(diǎn)，其在畜牧生產(chǎn)中的應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢。

5 展望

與傳統(tǒng)微生物發(fā)酵酶相比，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米在生產(chǎn)、使用、儲存等環(huán)節(jié)具有明顯的優(yōu)勢。與其親本玉米相比，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米含有較高濃度的植酸酶，其它營養(yǎng)成分無明顯差異，對豬和雞的飼料生物學(xué)價值和生產(chǎn)性能也沒有負(fù)面影響，可顯著提高畜禽對飼料磷的利用效率、降低磷排放，從而減輕磷對環(huán)境的污染?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米的外源植酸酶基因及其表達(dá)蛋白可在動物胃腸道內(nèi)被動物完全降解，在畜禽組織和血液中無殘留，表明其作為新型飼料原料是安全可行的。然而，由于轉(zhuǎn)基因作物與常規(guī)品種相比，發(fā)展的時間較短，其飼用和食用安全性還不完全明確，試驗(yàn)周期較短，缺少長期跟蹤評價的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如果能夠進(jìn)一步開展長周期的風(fēng)險評估，必將為轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米在飼料中的推廣應(yīng)用，提供有力的理論支持和技術(shù)支撐。