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(dá)到歷史高點(diǎn)之后，“豬周期”開始步入下行通道。據(jù)中國經(jīng)營報(bào)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(fèi)，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(fèi)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(jī)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(bào)》(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)?；潭炔粩嗵岣?，污染排放物越來越集中，養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展空間將進(jìn)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(jìn)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(fèi)量的10%左右，顯然依靠進(jìn)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(xì)胞(蛋白富集區(qū))和胚乳細(xì)胞的細(xì)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(xì)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(xì)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(shí)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(tuán)隊(duì)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(xì)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(dá)。接下來，這些消化酶隨唾液進(jìn)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(xiàn)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(jì)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(jì)效益。
這一項(xiàng)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(xiàng)資助，將于近日發(fā)表在著名國際學(xué)術(shù)期刊《eLife》上。《eLife》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(jī)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(dá)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(hù)法的要求，允許在經(jīng)批準(zhǔn)的受控程序下進(jìn)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(jìn)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(xiàng)目。
不過Enviropig環(huán)保型轉(zhuǎn)基因豬項(xiàng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，需要經(jīng)過中間試驗(yàn)、環(huán)境釋放、生產(chǎn)性試驗(yàn)、安全證書申報(bào)等多個生物安全評價階段，重點(diǎn)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(jìn)度和公眾的科學(xué)認(rèn)知。”
（南方周末）