在田间试验中，转基因大麦过度表达了黑曲霉（Aspergillus niger）的植酸酶phyA

《GM Crops & Food》：Transgenic barley over-expressing Aspergillus niger phytase phyA in field trials

转基因大麦通过引入真菌植酸酶基因phyA，在温室中显著提升植酸酶活性，但田间试验显示活性逐年下降，与基因体区DNA甲基化相关，而除草剂抗性基因bar稳定表达。杂交实验表明，Azit品种的转基因后代植酸酶活性有所提升，但高蛋白含量导致制麦质量下降。本研究揭示了环境因素对转基因植物表观遗传调控的影响，为作物遗传改良提供参考。

　　在农业和生物技术领域，植物基因改造技术被广泛用于提高作物的营养价值和农业产量。其中，磷酸盐在作物中的储存形式——植酸（phytic acid）成为了关注的焦点。植酸是一种复杂的有机磷化合物，主要存在于谷物的种子中，尤其是大麦、小麦和玉米等主要作物。它在植物生长过程中起到重要的作用，但在非反刍动物的消化系统中，植酸的消化效率非常低，导致其营养成分难以被有效利用。为了解决这一问题，科学家们尝试通过引入微生物来源的植酸酶基因，来增强植酸的分解能力，从而提升饲料的营养价值。这项研究便是围绕这一目标展开，对大麦的基因改造进行了深入分析。

研究的主要目标是评估在田间条件下，大麦植酸酶基因的表达稳定性和效果。科学家们选择了大麦品种“Golden Promise”作为转基因的宿主，该品种因其在组织培养中的高度响应性，常被用于大麦的遗传改良。通过基因转化技术，将来源于曲霉（Aspergillus niger）的植酸酶基因（phyA）引入大麦中，并利用淀粉酶启动子（amylase promoter）来实现种子特异性表达。这种启动子在种子萌发过程中被激活，有助于在特定时间释放植酸酶活性，从而提高植酸的分解效率。为了确保转基因的稳定性，研究人员还引入了抗除草剂基因（bar），用于筛选转基因植株。这种基因在实验中保持了长期的表达活性，证明其在田间条件下的功能稳定性。

转基因大麦在温室中的表现显示，其植酸酶活性显著提高，达到对照品种的3.3倍。然而，当这些转基因植株被种植在田间，尤其是在两个不同的地点进行为期五年的实验时，植酸酶活性出现了逐渐下降的趋势。尤其是在实验的初期几年，这种活性的减少尤为明显。研究人员推测，这种现象可能与转基因基因的表观遗传调控有关，特别是在基因编码区出现了甲基化现象，表明该基因可能经历了转录沉默。然而，抗除草剂基因（bar）在整个实验过程中始终表现出稳定的表达，这说明该基因的表达机制对田间环境具有较强的适应性。

为了进一步验证转基因大麦在田间条件下的表现，研究人员将转基因大麦与饲料大麦品种“Azit”进行了杂交实验。通过雄性配子体培养（androgenesis）技术，成功稳定了杂交后代的转基因特性。这一过程有助于将转基因特性引入到更具商业价值的饲料大麦品种中。然而，实验结果显示，转基因大麦的遗传背景可能对植酸酶活性产生负面影响。尽管杂交后代中部分植株表现出较高的植酸酶活性，但整体来看，其在成熟种子中的植酸酶活性仍低于对照品种。

此外，研究还关注了转基因大麦在种子萌发过程中的表现。在种子萌发期间，植酸酶活性和磷酸盐含量呈现出明显的正相关关系。转基因大麦的植酸酶活性在萌发初期略有下降，但随后迅速上升，最终达到较高的水平。相比之下，对照品种的植酸酶活性在萌发第四天达到峰值，之后逐渐降低。这一差异可能与转基因大麦中植酸酶基因的表达时间延长有关，因为淀粉酶启动子的表达持续到萌发第六天，从而延长了植酸酶的活性时间。然而，值得注意的是，尽管植酸酶活性在萌发过程中有所提高，但转基因大麦在酿造实验中并未表现出显著的改善效果。这表明，植酸酶的过表达虽然能够提高磷酸盐的可利用性，但可能对大麦的酿造性能产生不利影响。

在酿造实验中，研究人员发现转基因大麦的未发芽种子中氮含量显著高于对照品种。这种高氮含量可能影响了大麦的酿造质量，导致酿造过程中的一些关键参数，如麦芽提取率（extract content）和发芽酶活性（diastatic power）下降。同时，酿造所得的麦芽汁（wort）在某些方面也未能达到理想的成分标准。这表明，虽然转基因大麦在营养方面有所改善，但在酿造性能上仍存在局限性。这一结果可能与植酸酶对种子蛋白质分解的影响有关，也可能与转基因大麦的遗传背景有关。

从整体来看，这项研究揭示了转基因大麦在不同环境条件下的表现差异。温室条件下的转基因大麦能够表现出较高的植酸酶活性，但在田间条件下，这种活性逐渐减弱，可能与表观遗传调控有关。同时，转基因大麦在与饲料大麦品种杂交后，其植酸酶活性并未如预期那样显著提升，反而受到遗传背景的影响。此外，研究还发现，植酸酶的过表达在一定程度上可能对酿造过程产生负面影响，这提示在进行转基因作物的开发时，需要综合考虑其在不同应用领域的表现。

田间实验的结果也表明，转基因大麦的植酸酶活性受到地理位置和气候条件的影响。尽管在某些年份和地点，植酸酶活性有所波动，但总体来看，其表现相对稳定。同时，研究还发现，植酸酶活性与磷酸盐含量之间存在一定的负相关关系，这可能是由于植酸酶的表达受到了基因调控的影响。此外，研究还涉及了转基因大麦的表观遗传分析，发现其基因体区域存在较强的甲基化现象，这可能影响了植酸酶基因的表达水平。

综上所述，这项研究为转基因大麦在农业和食品加工领域的应用提供了重要的数据支持。尽管转基因大麦在提高植酸酶活性方面取得了显著进展，但其在田间条件下的稳定性以及对酿造性能的影响仍需进一步研究。未来的研究可以探索不同的启动子和基因调控策略，以提高转基因大麦在实际应用中的表现。同时，考虑到表观遗传调控对转基因稳定性的影响，还需要进一步优化基因插入方式和选择标记基因，以确保转基因作物在长期种植中的表现。