低植酸作物在飼料中的應用前景

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　　低植酸作物在飼料中的應用前景

　　段智英   韓學孟   吳殿星

　　摘　要：對低植酸作物的研究是近年來興起的研究熱點，我國在這一研究領域處于世界領先地位。文章介紹了低植酸作物及其營養和環保功能，并對其作為一種新的畜禽飼料的應用前景進行了簡要分析。
　　關鍵詞：低植酸作物;飼料;應用前景
　　中圖分類號：S548
　　Low Phytic Acid Crops and Its Prospects for Application
　　Duan Zhi-ying1 , Han Xue-meng1, Wu dian-xing2
　　(1. College of Arts and Science , Shanxi Agricultural Universities,Taigu Shanxi 030801, China;2 Institute of Nuclear Agricultural Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310029 )
　　Abstract: Low phytic acid crops has breeded as a new varieties in recent years. This paper　reviews the development, the nutritional and environment protectional function of lpa crops and prospects for application in Feed.
　　Key words：Low phytic acid crops; Feed; Application prospects
　　作者介紹：段智英(1977-) ,女(漢), 山西太谷人，碩士，講師，主要從事低植酸作物的遺傳育種研究.
　　在植物中，磷主要以植酸的形式存在，磷是動植物生長發育所必須的營養元素之一。玉米、大麥、水稻、大豆和油菜等作物是我國主要飼料原料，畜牧業特別是養豬業是我國農業參與國際競爭的優勢產業。目前全球面臨磷資源匱乏和部分地區嚴重磷污染的情況，如何克服作物種子中高植酸帶來的負面影響，已引起了社會和科學界的廣泛關注。低植酸作物的研究與應用具有重大意義。通過突變手段獲得種子低植酸(low phytic acid,lpa)突變系,選育作物低植酸品系是近年來興起的研究熱點。
　　1 低植酸作物的發展
　　自1992年起,人們已相繼開展大麥、玉米、水稻和大豆等作物低植酸突變體的誘導和品種選育工作，并取得顯著進展。浙江大學利用理化誘變和空間技術，從超級稻親本9311、雜交稻保持系協青早B、晚粳稻秀水110、早秈稻浙輻906等不同遺傳背景的水稻中篩選了一批低植酸突變體，建立了高效的輔助選擇技術。最近，也成功從大豆篩選了lpa突變體。從而開辟了全新的lpa作物育種。有關低植酸玉米的選育與利用，美國率先采用誘變技術獲得了低植酸含量玉米突變體lpa1和lpa2[1]，1996年在玉米中首次分離篩選出lpa突變系[2]。最近，我國已成功地利用EMS 與60Coγ射線相結合的方法從我國玉米主栽品種‘農大108’中篩選出玉米低植酸突變體，南開大學生命科學學院分子生物學研究所植物分子生物學實驗室還利用轉基因技術成功地獲得了低植酸玉米植株[3]，其中選育的低植酸玉米的植酸含量下降30%-66%[4]。2001年，在美國農業部的積極支持下，低植酸玉米在美國已進入商品化生產階段，并受到社會的極大關注。
　　2 低植酸作物的選育
　　根據美國農業部等實驗室的研究結果，低植酸作物突變系可分為兩種類型，lpa1類型在種子植酸磷減少的同時只伴隨無機磷的增加;lpa2類型則不同，無機磷增加的同時，其他形式的磷酸肌醇亦表現上升。
　　低植酸作物的選育可通過篩選高無機磷表型來間接獲得lpa突變系，一般是采用化學誘變劑或物理方法等人工誘發獲得的，首先用化學誘變劑或γ射線處理種子，M1代通過自交獲得M2代種子，混收M2種子，單本栽植，按株收獲種子，形成株系，取每一植株的少量種子用HPLC(高效液相色譜)測定植酸含量，初選低植酸變異植株，栽植變異株的剩余種子，形成新的株系(M3)，通過再次確認，最后獲得低植酸變異系。對M2代變異植株的篩選也可先用比色法測定無機磷含量，將高無機磷變異株的種子栽植，形成M3代株系，取M3代每一株系的少量種子再進行無機磷含量測定，然后對高無機磷含量的株系進行植酸含量測定，最后確定低植酸突變。在實際篩選中,由于低植酸突變體的無機磷含量較高，因此對M2代變異植株的篩選也可先用比色法測定無機磷含量。種子無機磷含量的測定方法簡便、經濟、快速，適合早代lpa性狀的篩選。獲得lpa突變系所采用的方法，可以采取早代粗選、高代精選的原則[5]，即初期通過微量測定方法檢測個體種子無機磷含量，初步篩選高無機磷品系，然后根據材料表現及實驗條件進一步通過鐵沉淀等方法測定植酸磷和全磷含量，還可通過NMR等方法定量分析種子的植酸成分。
　　Ertl等[6]通過簡單回交方法，培育出了玉米自交系和雜交種，后代試驗發現其發芽率、莖稈強度和開花期變化不大。但是一部分雜交種表現產量下降，這可能與不利基因的存在有關,通過多次回交該現象消失。目前所獲得的低植酸突變系均屬于隱性突變，兩種類型的突變位點都由隱性基因控制。部分lpa純合植株產生強烈的負面效應，甚至表現純合致死，有的材料為純合非致死型，不利效應很小。美國USDA實驗室已經培育出14對野生型和突變型的近等基因系玉米，田間試驗結果較理想，只有少部分材料產量減少。
　　3 低植酸作物的營養和環保功能
　　植酸(6-肌醇磷酸)是植物體中磷的主要儲藏形式，而磷是動植物生長發育必需的營養元素之一，它不僅是骨骼組織的必需成分，而且對機體其他代謝功能的正常發揮也起重要作用。磷是自然界有限的非再生資源!。植酸廣泛存在于作物種子和果實中。玉米中富含植酸，其種子、糠麩和餅粕中，植酸磷占干重的1% ~ 4%,占總磷的65-80%[7-8] 。但由于單胃動物(如豬、雞等)缺少能分解植酸磷的酶而不能有效吸收利用。植酸作為強螯合劑，使得作物中Ca、Fe、Zn等礦物營養大部分以植酸鹽的形式存在，并且容易與蛋白質結合為不溶性的復合物，限制了人類和動物對上述營養元素的吸收[9] ，造成這些營養元素的生物有效性下降，從而加劇微量營養缺乏癥。因此植酸會降低食品的營養價值。因此，作物中大多數的磷通過動物的糞便排泄，常常又被雨水直接攜帶至河道，過量的磷素使水體中的藻類迅速生長，消耗水中的氧，造成水體中的魚類和其他生物窒息而死，造成嚴重的環境污染，特別是水體富營養化。由于土壤中也缺乏分解微生物，即使畜禽糞便作有機肥還田仍不能被作物吸收利用，造成磷資源浪費。
　　低植酸作物的培育為解決以上問題提供了一條切實可行的途徑。人們對低植酸作物的營養功效進行了動物飼喂試驗,表明低植酸作物能顯著提高家禽和家畜如雞和豬等對磷、鈣和鋅等營養元素的吸收和氨基酸的轉化率。據翟少偉報道,以低植酸玉米為原料進行肉雞飼喂試驗，結果發現肉雞中的總磷含量在前期料、中期料和后期料分別減少了8%、10% 和13%，且不影響肉雞的產量與健康。同樣以肉雞為供試對象，發現低植酸玉米中磷的相對生物學效價為45%-52%，而普通玉米僅為低植酸玉米的1/5[3]。國外還有試驗證實，豬對低植酸玉米中的磷利用率很高， 而且還會得到更理想的胴體，但生產性能不降低。就鐵素利用的試驗還表明：低植酸玉米突變體做飼料時與鐵強化飼料效果相當[10]。由此可見，低植酸玉米可以改善飼料的營養結構，有助于解決微量營養元素缺乏這一世界性的問題。同時研究發現，低植酸作物的應用可大大降低動物糞便等排泄物中磷的含量，從而顯著減輕由于磷過量排放所引起的水體富營養化等問題。在魚的日糧中用低植酸玉米代替普通玉米，可減少糞磷41%。當磷的含量降到魚的最低需要量時，用低植酸玉米代替普通玉米效果更明顯。以肉雞為試驗對象，發現飼喂含低植酸玉米日糧組的肉雞比普通玉米日糧組糞磷減少52%[3]。因此，降低玉米中的植酸含量有利于提高作物和人畜對P的利用效率，從而減輕此類污染。
　　低植酸作物對人類營養的吸收也有影響。有實驗表明，在鐵的吸收上，食用低植酸突變體的人群吸收利用的鐵比食用正常品種的人群要高出50%，而鋅則高達76%，在食用了lpa類型玉米的小部分人群內進行了部分驗證,通過鐵、鋅的殘留測定初步表明lpa玉米可以改善人類的礦物營養水平 [11，12] 。由此可見,培育低植酸作物對于人們的日常飲食營養的意義非常重大，有利于解決微量營養元素缺乏的世界性問題。
　　4 低植酸作物的應用前景
　　低植酸作物的應用前景非常廣闊。目前,在全球每年生產的農作物和果品中,含有植酸3500萬t，其中包含了約990萬t的磷，這些磷占到每年全球磷肥施用量的65%。此外，由于這些植酸的存在，還使1250萬t鉀和390萬t鎂被固定，與植酸結合成了5100萬t植酸鹽，不能被有效地吸收和利用。因此，培育低植酸作物，可以使現有的施肥量大大減少[13]，節約了大量的資源。如果以低植酸作物為原料生產飼料，可實現在生產過程中免除添加植酸酶和磷酸二氫鈣或降低使用量，達到降低成本、增加動物對飼料中鐵、鈣、鋅營養的吸收;同時可有效減少排泄物的植酸磷含量、顯著提高無機磷含量，從而減輕環境中磷的富集化(水體赤化)問題，達到綠色環保之目的。因此，低植酸作物的推廣種植，將實現飼料的功能與環?；?，為解決鐵、鈣、鋅等微營養缺乏問題提供全新的源頭途徑。低植酸作物對于今后發展綠色環保型農業產業,　提高我國農業國際競爭力等方面均具有重要的意義。
　　隨著低植酸作物育種技術的不斷成熟，低植酸作物的應用將會越來越廣。低植酸作物將以其特有的飼用價值代替普通作物，成為重要的飼料原料，還能形成飼料加工業、畜禽養殖業及后續產業綜合發展的產業鏈。隨著農業產業結構調整和加入WTO對我國農業影響的不斷增大，低植酸作物必將為我國畜牧產業發展做出巨大的貢獻。
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　　[13]John N A lott Irene Ockenden., Phytic acid and phosphorus in crop seeds and fruits: a global estimate. Seed Sc.i Res., 2000, 10: 11-33.

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