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目前,全球面临磷资源匮乏和部分地区严重磷污染的情况,如何克服作物种子中高植酸带来的负面影响,已引起了社会和科学界的广泛关注,低植酸作物的研究与应用具有重大意义。通过突变手段获得种子低植酸(low phytic acid,lpa)突变系,选育作物低植酸品系是近年来兴起的研究热点之一。
低植植酸(6-肌醇磷酸)是植物体中磷的主要储藏形式,而磷是动植物生长发育必需的营养元素之一,它不仅是骨骼组织的必需成分,而且对机体其他代谢功能的正常发挥也起重要作用,磷是自然界有限的非再生资源!植酸广泛存在于作物种子和果实中,玉米中富含植酸,其种子、糠麸和饼粕中植酸磷占干重的1%~4%,占总磷的 65%~80%。植酸作为强整合剂,使得作物中Ca 、Fe、Zn 等矿物营养大部分以植酸盐的形式存在,并且容易与蛋白质结合为不溶性的复合物,限制了人类和动物对上述营养元素的吸收。大多数未消化的磷通过动物的粪便排泄,常常又被雨水直接携带至河道污染环境,过量的磷使水体中的藻类迅速生长,消耗水中的氧,造成水体中的鱼类和其他生物窒息而死,另外,由于土壤中也缺乏分解微生物,即使畜禽粪便作有机肥还田仍不能被作物吸收利用,造成磷资源浪费。
低植酸作物的培育为解决以上问题提供了一条切实可行的途径。人们对低植酸作物的营养功效进行了动物饲喂试验,表明低植酸作物能显著提高家禽和家畜,如鸡和猪等对磷、钙和锌等营养元素的吸收和体内氨基酸的转化率。据翟少伟报道,以低植酸玉米为原料进行肉鸡饲喂试验,结果发现肉鸡中的总磷含量在前期料、中期料和后期料分别减少了 8%、10%和13%,且不影响肉鸡的产量与健康。同样以肉鸡为供试对象,发现低植酸玉米中磷的相对生物学效价为 45%~52%,而普通玉米仅为低植酸玉米的 1 / 5 。国外还有试验证实,猪对低植酸玉米中的磷利用率很高,而且还会得到更理想的胴体,而生产性能保持不变。就铁素利用的试验还表明,低植酸玉米突变体做饲料时与铁强化饲料效果相当。由此可见,低植酸玉米可以改善饲料的营养结构,有助于解决微量营养元素缺乏这一世界性的问题。同时研究发现,低植酸作物的应用可大大降低动物粪便等排泄物中磷的含量,从而显著减轻由于磷过量排放所引起的水体富营养化等问题。在鱼日粮中用低植酸玉米代替普通玉米,可减少粪磷 41%。当磷的含量降到鱼的最低需要量时,用低植酸玉米代替普玉米效果更明显。以肉鸡为试验对象,发现饲喂含低植酸玉米日粮组的肉鸡比普通玉米日粮组粪磷减少 52%。
因此,降低玉米中的植酸含量有利于提高作物和人畜对磷的利用效率,从而减轻环境污染。低植酸作物对人类营养的吸收也有影响。有试验表明,在铁的吸收上,食用低植酸突变体的人群吸收利用的铁比食用正常品种的人群要高出 50%,而锌则高达76%,在食用了lpa 类型玉米的小部分人群内进行了部分验证,通过铁、锌的残留测定初步表明lpa玉米可以改善人类的矿物营养水平。由此可见,培育低植酸作物对于人们的日常饮食营养的意义非常重大。
低植酸作物的应用前景非常广阔。目前,在全球每年生产的农作物和果品中,含有植酸 3 5 0 万 t ,其中包含了约990 万t 的磷,这些磷占到每年全球磷肥施用量的 65%。此外,由于这些植酸的存在,还使1 250 万t 钾和390 万t 镁被固定,与植酸结合成了5100 万t 植酸盐,不能被有效地吸收和利用。因此,培育低植酸作物,可以使现有的施肥量大大减少,节约了资源。如果以低植酸作物为原料生产饲料,可实现在生产过程中免除添加植酸酶和磷酸氢钙、磷酸二氢钙或降低其使用量,增加动物对饲料中铁、钙、锌营养的吸收,降低了成本;同时可有效减少排泄物的植酸磷含量、显著提高无机磷含量,从而减轻环境中磷的富集化(水体赤化)问题,达到绿色环保之目的。因此,低植酸作物的推广种植,将实现饲料的功能与环保化。低植酸作物对于今后发展绿色环保型农业产业,提高我国农业国际竞争力等方面均具有重要的意义。
随着低植酸作物育种技术的不断成熟,低植酸作物的应用将会越来越广。低植酸作物将以其特有的饲用价值代替普通作物,成为重要的饲料原料,还能形成饲料加工业、畜禽养殖业及后续产业综合发展的产业链。随着农业产业结构调整和加入WTO 对我国农业影响的不断增加,低植酸作物必将为我国畜牧产业发展做出巨大贡献。
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