转植酸酶基因玉米的饲用安全性评价及其在猪鸡饲料中的应用

■王修启 高春起 黎相广 严会超

（华南农业大学动物科学学院，广东广州510642）

植物性饲料原料中，约有60%～80%的磷是以植酸磷的形式存在[1-2]。然而，猪和家禽等单胃动物消化道内不分泌植酸酶，导致其无法利用植酸磷[3]。研究表明，在单胃动物低磷饲粮中添加外源微生物酶，是提高磷利用率和减少粪磷排放的最有效手段[4-6]。饲粮添加外源植酸酶会造成饲料成本增加，阻碍了外源微生物植酸酶在畜禽饲料中的使用[7]；同时，将微生物植酸酶与饲料原料混合也给饲料生产带来了不便。

近20年来，转基因技术迅速发展，转基因植物种类和种植面积均不断增加。2011年，美国88%的玉米、94%的大豆品种为转基因品种[8]。转基因技术的进步，也促使转基因作物高效表达外源植酸酶基因成为可能，例如，转植酸酶基因烟草种子[9]、转植酸酶基因大豆[10]、转植酸酶基因油菜[11]、转植酸酶基因小麦[12]等。经过多年的研究，中国农业科学院通过向玉米中导入来源于黑曲霉Aspergillus niger的植酸酶基因phyA2，实现了外源植酸酶基因在玉米籽粒中的高效表达，成功培育出转植酸酶基因玉米[13]。作为一种使用植酸酶的新方式，转植酸酶基因玉米不仅具有传统玉米的基本特性，也有提高动物饲粮中磷利用率的潜能。转植酸酶基因玉米中植酸酶基因多在玉米胚乳层表达，玉米籽粒外层会对胚乳内植酸酶有一种“包被”作用，而商业微生物植酸酶相对“裸露”存在于饲料中，二者的存在方式有所不同，转植酸酶基因玉米来源的植酸酶在畜禽饲料中的安全性和有效性亟待证实。

然而，自从转基因玉米被大范围推广以来，国际社会对转基因饲料的安全性争议不断[14-20]，消费者担心转基因饲料可能会对动物和人类的健康造成不利影响。本文主要对转植酸酶基因玉米的营养组成、饲用安全性和对畜禽的生物学价值与饲用价值等研究现状进行综述，旨在为转植酸酶基因玉米的使用提供参考。

1 转植酸酶基因玉米的特点

与传统微生物发酵产酶相比，转植酸酶基因玉米作为生物反应器生产植酸酶具有以下3个特点：①转植酸酶基因玉米利用自然光能，无需其他设备和能耗；②转植酸酶基因玉米兼具常规玉米和植酸酶添加剂的功效；③贮存方便，不需特殊处理。

2 转植酸酶基因玉米的营养组成及生物学价值

2.1 营养组成

新的外源基因的引入是否会改变作物本身营养成分的组成和含量，是转基因作物安全性评价的重要内容。通常是以“实质等同性原则”为指导，将转基因作物与其亲本或近等基因作物的营养物质组成与含量相比较。主要包括对作物中干物质、粗蛋白、氨基酸、粗灰分、粗脂肪、粗纤维、维生素、矿物质、脂肪酸、农药残留、霉菌毒素和抗营养因子等组成和含量的比较。

Gao 等[21]和Li等[22]研究表明，与亲本玉米相比，转植酸酶基因玉米中植酸酶的含量约为亲本玉米的200倍，达到了8 140 FTU/kg（干物质基础），植酸磷含量显著降低，而转植酸酶基因玉米中的概略养分、氨基酸、矿物元素和霉菌毒素等均无显著性改变（P＞0.05）。Li等[22]比较了转植酸酶基因玉米和亲本玉米脂肪酸、维生素、直链和支链淀粉的含量，在两种玉米间也未见显著差异（P＞0.05）。表明除植酸酶和植酸磷外，玉米中转入外源植酸酶基因不改变玉米中营养物质的组成和含量。

2.2 饲料生物学价值评定

除了需要根据“实质等同性原则”评估转基因饲料原料中的营养成分含量，饲料原料中外源基因的引入是否会改变其对猪、鸡等的饲料生物学价值，也是行业共同关心的问题。Gao等[21]对比了转植酸酶基因玉米和其亲本玉米在鸡上的生物学价值，结果表明，两种玉米在鸡上的能量真利用率、真代谢能、氨基酸消化率相近（P＞0.05）；转植酸酶基因玉米在鸡上的磷真利用率显著高于其亲本玉米（55.9%vs.37.9%），有效磷含量显著提高（0.18%vs.0.12%，以干物质为基础计）（P＜0.05）。Li等[22]的研究结果表明，转植酸酶基因玉米和亲本相比，两种玉米在生长猪上的氨基酸回肠标准消化率无显著差异（P＞0.05），但转植酸酶基因玉米在猪上的磷回肠标准消化率和消化能显著提高。表明转植酸酶基因玉米在猪、鸡上的生物学价值高于其亲本玉米，这可能与转植酸酶基因玉米植酸酶含量较高，导致与植酸结合的其他营养素被释放利用有关。

3 转植酸酶基因玉米的饲用安全性

转基因饲料原料的安全性评定通常是以小鼠、大鼠、畜禽、水产动物等作为动物模型，将转基因作物作为试验饲粮的主要成分，研究转基因作物对动物生长性能、生理生化指标、器官指数、屠宰性能、肉质特性、肠道健康、消化能力和繁殖性能等的影响，同时测定转基因成分在动物的代谢和在组织中的残留情况。

3.1 生长性能、屠宰性能和生理生化指标

表1概括了转植酸酶基因玉米对猪鸡生产性能、屠宰性能和畜产品品质影响的研究。与亲本玉米相比，转植酸酶基因玉米不会对畜禽的生产和健康产生不利影响。

表1 转植酸酶基因玉米对动物生长性能、屠宰性能及生理生化指标的影响

3.2 外源转基因成分在动物体内的代谢

由于外源转基因成分（转基因片段DNA及其表达蛋白）在被动物采食、消化吸收后有潜在迁移至畜产品中的风险，因此，转基因饲料原料的安全性评定中还需要关注转基因成分在动物体内的代谢和在畜产品中的残留情况。

3.2.1 外源转基因片段在动物体内的代谢

DNA是生物体重要的遗传物质，动物采食转基因作物后，外源转基因片段能否在胃肠道消化酶及微生物的作用下完全降解，是广大消费者关注的焦点之一。饲料中微量的外源DNA在动物的口腔咀嚼、胃酸环境、胃肠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为小的碎片，参与体内新物质的合成或被排出体外。周晖[31]研究了转植酸酶基因玉米在肉鸡的代谢情况，结果表明，肉鸡采食转植酸酶基因玉米后，外源转基因片段被迅速降解，未在肠道及心脏、肝脏、肾脏、胸肌和腿肌组织样品中检测到外源phyA2基因，表明外源转基因片段可被肉鸡消化道快速降解，不会被迁移至组织中。Ma等[26]给蛋鸡饲喂含62.4%转植酸酶玉米的饲粮16周后，检测了转基因片段phyA2和玉米内源基因ivr在蛋鸡肠道和组织内的残留情况，结果表明，玉米内源基因ivr仅可被胃肠道部分降解，而外源基因phyA2可在蛋鸡嗉囊和胃的作用下完全降解；可在所有组织中检测到鸡内参基因ov，未在各组织器官检测到转基因片段phyA2。Gao等[27]在饲喂转植酸酶基因玉米饲粮的蛋鸡胸肌、腿肌、子宫、卵巢和鸡蛋中，也未检测到玉米外源转基因片段phyA2，仅可检测到鸡内参基因ov。徐以娟[30]给断奶仔猪饲喂含55.0%的转植酸酶基因玉米饲粮，未在猪心脏、肝脏、肾脏、背最长肌和腿肌组织、空肠、回肠食糜和粪便中检出外源转基因片段phyA2。上述研究结果表明，转植酸酶基因玉米中的植酸酶基因极易被畜禽胃肠道消化降解，而不会被迁移至组织和畜产品中。

3.2.2 转基因外源蛋白在动物体内的代谢

在单胃动物体内，饲粮来源蛋白质可被降解为二肽、三肽和游离氨基酸，从而被动物肠道吸收，参与机体代谢活动和新物质的合成[32]。在反刍动物中，大多数蛋白质被瘤胃微生物利用后合成微生物蛋白或者降解为胺类，极少量未被降解的蛋白质可以通过消化道，被动物排出体外[33]。

研究者观察了转植酸酶基因表达的蛋白在畜禽消化道内的可消化性及其在畜禽组织中的残留情况。周晖[31]研究表明，肉鸡采食转植酸酶基因玉米饲粮后，玉米中外源植酸酶蛋白会被肉鸡消化道快速降解，在肉鸡的回肠食糜和粪便中均未检出外源转基因蛋白phyA2，也未在组织中检测到外源转基因蛋白。徐以娟[30]在断奶仔猪上也得到了相似的结论。Ma等[26]研究了转植酸酶基因玉米外源phyA2蛋白在蛋鸡体内的代谢情况，结果表明，phyA2蛋白在蛋鸡嗉囊、胃、十二指肠、空肠、回肠、盲肠和直肠中的检出率分别为100%、87.5%、37.5%、12.5%、0%、0%和0%，未在蛋鸡血液、组织和鸡蛋中检测到外源转基因蛋白phyA2。以上研究表明，外源转基因蛋白phyA2对畜禽胃肠道内的胃蛋白酶、胰蛋白酶等较为敏感，phyA2蛋白可在动物体内被完全降解，不会被吸收进入动物血液、组织或鸡蛋等畜产品中[34]。

4 转植酸酶基因玉米在猪、鸡饲料中的应用

与微生物来源植酸酶相比，植物来源植酸酶具有成本低、贮存方便、便于在饲料中使用等特点。畜禽消化道前段的偏酸性（pH值2.5～6）环境，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层中表达[13]，在胚乳层的包被作用下，能否快速释放作用于植酸磷，及其对猪鸡生产性能的影响，与畜牧生产密切相关。

4.1 植酸酶转基因玉米在鸡饲料中的应用

Gao等[35]在负对照组饲粮（低磷，NPP=0.10%）中分别以3种不同来源植酸酶（微生物来源A、微生物B和转基因玉米来源）添加2个酶活剂量（500 FTU/kg和5 000 FTU/kg）的植酸酶，评价了不同来源植酸酶对蛋鸡产蛋性能和营养物质表观消化率的影响，结果发现，与负对照组相比，在低磷饲粮中添加3种来源植酸酶均可显著改善动物的生产性能、营养物质消化率和胫骨灰分含量（P＜0.05）；3种不同来源植酸酶在蛋鸡上的饲喂效果相当（P＞0.05）；蛋鸡粪磷表观消化率随着植酸酶添加量的增加而显著增加（P＜0.05）。Wang等[36]在低磷饲粮中添加转植酸酶基因玉米，与正常磷水平饲粮组和低磷饲粮添加外源植酸酶组相比，对蛋鸡的产蛋率、平均日采食量、饲料转化效率和胫骨强度以及软壳和破壳蛋比例、蛋重、蛋壳厚度和蛋壳强度均无显著影响（P＞0.05），粪磷含量显著低于正常磷水平饲粮组（P＜0.05），表明转植酸酶基因玉米可替代外源植酸酶应用于蛋鸡饲料中，降低粪磷的排出，而对蛋鸡的生产性能和胫骨性状无显著影响。Gao等[37]在产蛋鸡饲粮中添加相同剂量不同来源（微生物植酸酶和转基因玉米来源）的植酸酶，对比了不同来源植酸酶在产蛋鸡胃肠道内的稳定性，结果表明，在玉米胚乳层的包被作用下，来源于转植酸酶基因玉米的植酸酶在各肠段的残留活性更高，稳定性更好。

Wu等[38]在低磷的肉鸡饲粮中分别添加相同酶活的转植酸酶基因玉米和外源植酸酶，转植酸酶基因玉米组试验前期（1～21 d）的平均日采食量和平均日增重均显著高于外源植酸酶组，与正常磷水平组无显著差异，总磷的表观存留率高于正常磷水平组。相似地，Nyannor等[39]研究表明，随着饲粮中转植酸酶基因玉米添加量的增加，肉鸡肠道各段内容物中植酸磷含量呈线性降低（P＜0.01）。Nyannor等[40]在肉鸡饲粮中添加转基因玉米来源植酸酶，也得到了相类似的结论。

4.2 转植酸酶基因玉米在猪饲料中的应用

Nyannor等[41]分别在低磷饲粮（NPP，0.14%）中添加不同剂量转基因玉米来源植酸酶（0、16 500、33 000 FTU/kg和49 500 FTU/kg），研究了转基因玉米来源的植酸酶对猪生产性能、营养物质消化率和胫骨发育的影响，试验期28 d，结果表明，随着饲粮转基因玉米来源植酸酶添加量的增加，猪的日增重、饲料转化率和血浆磷水平均呈线性增加；猪对饲粮干物质、能量、钙和磷的回肠表观消化率也极显著增加（P＜0.01）。相同添加量的转基因玉米来源植酸酶与外源微生物植酸酶（Quantum）对仔猪生产性能、营养物质消化率和骨骼灰分比例的改善效果相当（P＞0.05）。Wang等[42]在低磷饲粮中添加转植酸酶基因玉米和外源植酸酶，与外源植酸酶组相比，转植酸酶基因玉米组可显著增加生长猪的平均日增重（P＜0.05），降低料重比（P＜0.05）；与正常磷水平组相比，转植酸酶基因玉米组显著降低粪磷排放量（P＜0.05）。

各研究结果提示，转基因植物来源植酸酶能够水解饲粮中的植酸，提高动物的生产性能、改善骨骼质量，提高营养物质利用率。转基因植物来源植酸酶与微生物植酸酶相比，在猪鸡上的饲喂效果相当。因转基因作物来源植酸酶具有成本低、使用方便等特点，其在畜牧生产中的应用具有一定的优势。

5 展望

与传统微生物发酵酶相比，转植酸酶基因玉米在生产、使用、储存等环节具有明显的优势。与其亲本玉米相比，转植酸酶基因玉米含有较高浓度的植酸酶，其它营养成分无明显差异，对猪和鸡的饲料生物学价值和生产性能也没有负面影响，可显著提高畜禽对饲料磷的利用效率、降低磷排放，从而减轻磷对环境的污染。现有的研究结果表明，转植酸酶基因玉米的外源植酸酶基因及其表达蛋白可在动物胃肠道内被动物完全降解，在畜禽组织和血液中无残留，表明其作为新型饲料原料是安全可行的。然而，由于转基因作物与常规品种相比，发展的时间较短，其饲用和食用安全性还不完全明确，试验周期较短，缺少长期跟踪评价的基础数据，如果能够进一步开展长周期的风险评估，必将为转植酸酶基因玉米在饲料中的推广应用，提供有力的理论支持和技术支撑。