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【新型肥料】基因肥料類中的一枝獨秀5-氨基乙

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基因肥料類中的一枝獨秀5-氨基乙酰丙酸(精選篇)

摘 要

農作物在整個生育期間都是由基因來調控的,在滿足農作物有機-無機營養的基礎上,基因營養是非常關鍵的。它決定農產品的產量和質量。任何優良品種從目前的水平也只能達到增產潛力的30%。除了尚未滿足理想的外界環境條件,包括有機營養條件外,主要是沒有調動起來有關增產方面的基因的顯性表達。分子生物學叫激發子,從作物營養角度叫基因肥料。農作物基因目前已知的上百種,未知的還有大部分。由于基因有多樣性,基因肥料也有多樣性。其中5-氨基乙酰丙酸(5-ALA)是基因肥料類群中非常重要、非常突出的一種。它能調動多種基因的多種功能的一種基因肥料。5-ALA同人類、動、植物,包括微生物有高度的同源性,都含有它的活性物成分,體現它有多種功能。對5-ALA的性質、用途、功能,尤其在農業上的應用,及生產方法、施用方法和效果,做一一的介紹。

關鍵詞

5-氨基乙酰丙酸、調控基因、光合效率、化學合成、微生物合成

前 言

地球上的生命,無論是人類、動物界、植物界、微生物類其共同的生命形式,有兩種:一種是能量形式,從外界吸收能量營養,一種是遺傳形式,通過DNA過程的信號轉導、轉錄、翻譯使生命得以延續。能量形式體現的營養元素為C、H、O。遺傳形式體現的營養元素除C、H、O外還有N、P、S。自然界中的生命自然進化靠自然條件提供營養、產量處于較低水平。但人類通過高智力干預為動植物提供較全面的營養,使產量和品質得到提高,以滿足人類的需求。隨著人口不斷增長,對農產品需求的量也不斷增加,其品質也要求不斷提高。對人類自身營養的滿足在水平上最高。其次同人類同源性相近的動物尤其是人類直接需求的畜、禽類滿足的營養水平也很高。植物就差的比較多了,為人類和畜、禽提供營養的農產品:如糧食、蔬菜、水果,其無機營養較全面,大量元素N、P、K中量元素。Ca、Mg、S,后來還有Si。微量元素Fe、Mn、Cn、Zn、Mo、B。但少了一條腿。缺乏有機營養即能量營養。只靠太陽的光能通過CO2、H2O轉化成化學能,葡萄糖,用于合成植物各器官,沒有外源能量營養,連理論概念都沒建立起來。沒有外源能量營養,只能“靠天吃飯”,接受大自然的“恩賜”。農產品是否增產,主要靠自然條件。沒有人工提供的外源能量營養,由于理論上的缺失,導致了實踐上的缺失。

從植物化學成份分析看,C、H、O元素,即碳水化合物,占90%以上,也可以說占到95%。大量的無機成份N、P、K元素才占到4%左右。能量營養只靠自然界中占空氣含量的0.2% CO,作為能量源同水和太陽光能轉化成化學能,轉化率才達到4%左右,利用率較低。沒有陽光的黑暗中還要進行呼吸作用,還要分解由太陽光制造的有機物放出CO2吸進O2。如果從兩個方面著手,第一方面是為農作物提供外源能量營養,對光合作用的低效率進行補充,將使農產品產量得到大幅度提高。由于土壤缺乏有機碳源,使土壤微生物越來越減弱,造成土壤退化。土壤微生物的營養水平越來越差,直接導致農作物免疫力越來越低,農作物病蟲害越來越嚴重,化學農藥施用量越來越大,農產品質量越來越差,導致惡性循環。為農作物提供外源有機碳的能量營養,使土壤微生物多樣性得以恢復,隨之微生物的基因多種基因直接作用于農作物多種基因,使之表達。對提高農產品產量和品質大有益處。第二方面是在滿足農作物無機營養和有機能量營養的基礎上,采用基因營養的方式。調控上百種農作物基因顯性表達。充分發揮農作物高產品種還沒有發揮的70%的增產潛力。使農產品無論在產量和品質上都能得到大幅度提高。這是一個大的戰略思維。

在調控農作物基因營養的群體中,一枝獨秀的5-氨基乙酰丙酸,在諸多基因肥料中,占有重要地位,能調控多種功能基因的顯性表達,發揮農作物優良品質還沒有充分發揮的增產潛力。尤其是提高光合作用效益,增加葉綠體的快速形成,使農產品大幅度增產,使品質也得到大幅度提高。施用基因肥料5-氨基乙酰丙酸是一種明智的戰略選擇。它起到“四兩撥千斤”的功效。

一、5-氨基乙酰丙酸化學性質

1.15-氨基乙酰丙酸(英文名為Aminolevulinic,5-LAL),簡稱5-LAL一類酮氨酸結構化合物。碳原子數為5,分子式為C5HN9O3,分子結構式NH2CH2COCH2CH2COOH相對分子質量131,CA號106-60-5,白色或類白色粉狀晶體。

基因肥料類中的一枝獨秀5-氨基乙酰丙酸

1.2分子兩端分別具有羧基和氨基是一種非蛋白氨基酸。羧基容易酯化,形成5-氨基乙酸甲酯,乙脂、丙脂、丁脂。羧基還容易發生鹵化反應,形成酰鹵化合物。羧基中的羥基容易被置換,形成酰胺。

二、5-氨基乙酰丙酸的用途和功能

2.1在農業方面的用途

2.1.1用做調控農作物基因的肥料

(1)調控葉綠體形成的基因快速表達,使葉綠素合成酶形成的速度加快。

(2)調控光合作用基因顯性表達,提高光合作用效率。

(3)抑制呼吸作用,降低光合產物的消耗,非光照環境也有吸收營養,制造有機物的功能。

(4)調控NH4吸收基因的顯性表達,達到農作物直接吸收NH4-N素營養加快。直接形成氨基酸,縮短代謝途徑。

(5)5-ALA使葉綠素形成的前體基因的顯性表達,加快合成葉綠素前體,使光合作用轉化成化學能速度加快,提高產量。對農作物生長生育過程中的多種基因都有調控作用。在滿足作物的有機-無機營養的基礎上,通過調控多種基因顯性表達,加快整個生產期有機物積累,可大幅度增產。

2.1.2 用做綠色除草劑

(1)能抑制GluTR的基因表達,阻止5-ALA的合成,雜草因缺失5-ALA而最終死亡。哺乳動物中5-ALA合成不經C-5途徑,所以對人畜無害。

(2)能調控形成5-ALA基因過分表達而大量合成。使葉綠素組成部分卟啉化合物大量積累,誘發光照下的過氧化反應。釋放出活性氧,而殺死雜草,它的功效同二苯醚類化學除草劑相當。5-ALA殺草有選擇性,能殺死雙子葉植物類雜草,對屬于單子葉植物類谷物,如小麥、大麥等無效。

2.1.3 用做綠色殺蟲劑

5-ALA一定濃度下能使多種害蟲體內合成5-ALA基因充分表達,合成大量5-ALA使生化代謝失衡,在陽光下,產生過氧化反應殺死害蟲。害蟲不產生抗藥性,對人畜無害,5-ALA又很容易降解。

2.1.4在畜禽養殖方面的應用

(1)哺乳動物如畜禽血液有機部分是卟啉環狀有機化合物中間是螯合鐵離子,卟啉環同葉綠素的卟啉環是相同的。適當的5-ALA添加到飼料中,能引起卟啉環合成基因的顯性表達。使卟啉環合成加快,同時使肌蛋白合成基因顯性表達,使肌蛋白合成加快,使畜禽增重和瘦肉的比例增加,提高畜禽產品的產量和質量。

2.1.5在醫藥保健品中的應用

2.1.5.1對癌癥的診斷作用

由于5-ALA對癌癥細胞有特異作用,可以用做對癌癥的診斷,便于對癌癥的早期發現,尤其是對膀胱癌和消化系統的癌癥和肝臟的癌癥,腦癌都有早期診斷作用。

2.1.5.2對癌癥的治療作用

(1)對皮膚癌有治療作用而且不留疤痕。

(2)5-ALA做為光敏劑對胃癌進行光動力治療,對胃癌治療很有效。

(3)對癌癥治療的三種作用

對腫瘤細胞的直接殺傷作用,對形成腫瘤的血管有損傷作用,但對人體正常細胞沒有毒副作用。對人體免疫系統有激活作用。

2.1.5.3對人體的保健作用

(1)5-ALA是形成血液卟啉的前體,能激活5-ALA生成酶,加快5-ALA的合成,起到補血作用,是很好的補血劑。

(2)5-ALA能激活肌紅蛋白合成酶,加快人體肌紅蛋白的合成,減少脂肪的合成,尤其是對運動員肌肉的形成很有好處。

三、5-氨基乙酰丙酸的合成方法

3.1化學合成法

3.1.15-ALA化學合成有多種途徑和方法。主要是用5-ALA的前體乙酰丙酸(ALA)的第五個碳原子上接上氨基H2N-C,有多種途徑,但至今還沒有達到產業化規模。只是試驗室規模和中試規模產品。溴化法:以ALA為起始原料,溴化法缺乏選擇性,收率低。但有些改良的新方法,可提高收率。

基因肥料類中的一枝獨秀5-氨基乙酰丙酸

3.1.25-羥甲基糠醛轉化法

基因肥料類中的一枝獨秀5-氨基乙酰丙酸

5-羥甲基糠醛是為用玉米芯生產糠醛所產生的副產品價格便宜。

3.1.3糠醛轉化法

用玉米芯經酸水解半纖維素產生糠醛,原料比較便宜。

基因肥料類中的一枝獨秀5-氨基乙酰丙酸

3.1.4四氫糠胺轉化法

基因肥料類中的一枝獨秀5-氨基乙酰丙酸

3.1.5化學合成法目前存在的問題

(1)反應歷程比較長,需4-5步反應,工藝復雜。

(2)反應中需要采用有毒、價格昂貴的化工原料,增加了生產成本,對環境產生一定的污染,需加大環保成本。

(3)對反應過程中氨基和羧基需進行保護,增加保護劑成本,增加了反應步驟,使工藝復雜。

(4)反應步驟多,副產物多,產物分離提純有一定復雜性,最終產率不高。

3.1.6有利條件

(1)我國物質資源十分豐富,用秸稈中半纖維素水解生產糠醛或其副產品5-羥基糠醛做原料,成本低,原料來源可得到保證。

(2)由生物質中的纖維素經水解反應一系列過程產生的5-ALA的前體乙酰丙酸(ALA)來源豐富,成本不高。

(3)5-ALA價值高,售價較高,目前國內市場價格為1.5萬元/公斤,國際市場價格5萬元美金/公斤,有足夠的利潤空間。目前試驗規模就可以商品化。

有發展前景的創新方法,以5-ALA前體,ALA經前處理后,經直接修飾氨化,形成一系列氨基乙酸乙酰丙酸衍生物。其中含有一定量的5-ALA,經分離提純,得出5-ALA,工藝簡單,收率高,成本低,可以大規模產業化。

3.2微生物合成法

3.2.1微生物合成法的依據

經國內外研究者發現,色桿菌、產甲烷菌、嗜熱梭菌、假單胞菌、光合菌、細胞內都含有5-氨基乙酰丙酸合成酶,在有充足營養物質基礎上,利用其前體乙酰丙酸做底物能產生不同濃度的5-氨基乙酰丙酸。

3.2.2微生物法合成5-ALA的途徑

(1)C4途徑:由琥珀?;鵆oA和甘氨酸縮合生成5-ALA,即琥珀?;鵆oA和甘氨酸生成5-ALA。在非硫光合細菌中廣泛存在。

(2)C5途徑:微生物將谷氨酸在轉氨酶(PALP)的作用下,生成2-氧代戊二酸,然后在2-氧代戊二酸脫氫酶作用下,生成琥珀?;鵆oA,最后由ALA合成5-ALA。C5途徑主要存在于藻類和少數細菌中。一般微生物只存在一種途徑。但也有少數微生物存在二種途徑。

3.2.3合成5-ALA的微生物菌種

所有微生物體內都有5-ALA合成酶,都能合成5-ALA,產生5-ALA濃度高的菌種卻很少。光合菌是目前用來直接發酵生產5-ALA的菌種。但產生5-ALA濃度高的菌種卻很少。光合菌是目前用來直接發酵生產5-ALA的主要微生物。

(1)光合菌中的類球形紅細菌是經誘變產生高產5-ALA的菌株

培養基:含有機酸(乙酸、丙酸)廢水為原料,補充甘氨酸作氮源。添加前體乙酰丙酸(ALA)做誘導劑。添加NaH2PO4、Na2HPO4、MgSO4·7H2O、CaCl2·2H2O、MnSO4·H2O、(NH4)3PO4、酵母浸出汁、硫胺素、尼克酸、生物素,PH調到6.7。

(2)光合菌中的紫色非硫紅假單胞菌

培養基:味精廢水稀釋10倍,豆制品廢水和啤酒廢水不稀釋。檸檬酸廢水稀釋2倍。調PH為7.5,加入酵母膏,生長因子,微量元素。加入甘氨酸、琥珀酸、乙酰丙酸。

3.2.4產率

(1)類球形紅細菌做菌種的5-ALA產率為菌體干重達到1.25g/L。5-ALA積累量達8.20mg/L,折一噸培養液得5-ALA8.2g產率很低。

(2)非硫紅假單胞菌做菌種的5-ALA積累量為3.15mg/L,菌體干菌達0.48g/L,折一噸培養液得5-ALA 3.15g,產率都很低。

3.2.5市場售價

由于產率低,提取工藝復雜市場售價很高,國際市場售價5萬美元/kg,國內市場售價為1.5萬元人民幣/kg~2.0萬元人民幣/kg。

3.2.6干菌體提取5-ALA的工藝流程

基因肥料類中的一枝獨秀5-氨基乙酰丙酸

四、農業用戶體現的增收效益分析

4.1 5-ALA市場價格

4.1.1國際市場價格:5萬美金/kg(美國)。

4.1.2國內市場價格:1.5萬人民幣/kg

4.2保守估計施用量及所獲收益

4.2.1蔬菜

按50mg/kg計算每畝施用量按3kg計算,50mg/kg×30kg=1500mg=1.5g,每公斤5-ALA按廠商配制價格3萬元計算,每克30元,1.5g為45元。

(1)用戶收益:每畝蔬菜產萬斤,按增產15%計算,增產1500斤,每斤蔬菜按0.5元計算,增加收益750元,投入產出比1:16.7。

(2)配制廠家所獲收益,每克成本15元,1.5克22.5元,利潤45元-22.5元=22.5元。

4.2.2玉米

(1)施用量

按50mg/kg配制濃度計算,每畝施用量按30kg計算,50mg×30kg=1500mg=1.5g,每公斤5-ALA按3萬元計算,每克30元,1.5g為45元。

(2)用戶收益

每畝產量按1500公斤計算,按15%,增產為225斤,每斤玉米售價按1元錢計算,為225元。增加效益180元。投入產出比1:5。

(3)配制廠家收益

每畝地施用的5-ALA配制廠家收益45元-22.5元=22.5元。

4.2.3蘋果

按施用濃度30mg/kg,每畝施用量按30kg計算為1.5gALA,每公斤5-ALA按3萬元計算,每克30元,1.5g/畝為45元。

(1)用戶收益

蘋果因施用5-ALA,蘋果顏色好,果型好,口感也好,增產20%計算,一畝地蘋果收300kg,增產20%,增收60kg,每公斤按6元計算,增收360元,增加收益為360元-45元=315元,投入產出比為1:8.

(2)配制廠家收益

45元/畝-22.5元/畝=22.5元/畝。

五、5-氨基乙酰丙酸作用機理及應用效果

5.1 5-ALA作用機理

5.1.1除草作用機理

(1)外源5-ALA在晚間調動原卟啉IX(PPIX)合成酶基因快速表達,合成大量的原卟啉IX(TPIX),在白天太陽光照射下,經光增感作用產生過量活性氧表現明顯的殺雜草作用。但對單子葉植物:如玉米、小麥等作物沒有任何傷害作用,5-ALA可自然降解。除草效果同化學除草劑相當。

(2)5-ALA能調動植物體內5-ALA合成酶基因的表達,加速形成,鎂一四比咯(卟啉前體)也是光敏性很強的氧化劑,會對植物細胞內多種酶系統與DNA引起損傷性變異,導致雜物植物的代謝發生紊亂、失衡,細胞大量失水而死亡。

5.1.2殺蟲作用原理

外源5-ALA能使攝入的昆蟲引起卟啉合成酶基因的顯性過份表達,因而合成卟啉類過量,在陽光激活下產生活性氧殺死昆蟲,還能使昆蟲體內代謝紊亂而致死。昆蟲不具備抗藥性,為新型的綠色殺蟲劑,5-ALA自然降解,對人、畜、禽無害。殺蟲效果同化學農藥的殺蟲效果相當。

5.2增產機理是通過調節農作物相關基因的表達,促進農作物一系列生理生化反應,最終獲得增產

5.2.1施用合適濃度的5-ALA使有關光合作用的一系列基因表達,提高光合作用效率,使固定CO2量增加,使葉綠素加快形成,使糖快速積累而提高產量。

5.2.2施用合適濃度的5-ALA能調動有關碳代謝和氮代謝基因的表達,加快作物根系對營養的吸收而提高產量。

5.2.3施用合適濃度的5-ALA能調動有關抑制呼吸作用的基因表達,使晚間呼吸作用減弱,使分解有機物強度減弱,使放出CO2量減少,使農作物增產。

5.3農田應用效果

5.3.1在蔬菜作用上的應用效果

(1)以0.5mg/L 5-ALA處理黃瓜幼苗,增產黃瓜幼苗抗低溫性能和抗旱能力,提高光合速率和可溶性蛋白含量,降解細胞膜透性,提高根系活力,使產量提高24.9%-52.3%。

(2)用30mg/L 5-ALA噴施蘿卜植株,產量增加26%。

(3)用30mg/L 5-ALA噴施大蒜植株,使鱗莖產量提高40%。

(4)蠶豆在初葉期、一葉期和坐果期分別以100mg/L 5ALA進行噴施處理,使產量分別增加19%、30%、8%。

(5)馬鈴薯葉面噴施100mg/L5-ALA,可增加單株根塊數量,促進塊莖生長,最終產量提高63%。

5.3.2在大田作物上的應用效果

(1)水稻上應用效果

用0.1mg/L 5-ALA浸泡水稻幼苗根系,植株干重增加14%,用1mg/L 5-ALA溶液浸泡三葉令水稻幼苗根系24h后,放出在5℃低溫環境中5d,幼苗存活率提高30%,干物質提高72%。

在幼穗形成期,開花盛期各處理一次,穗重增加11%,用5-ALA處理水稻,明顯提高葉片光合作用,使葉綠素的量增加,使植株含糖量提高最終產量提高15%-20%。

(2)小麥上的應用效果

對小麥增產效果,花前花后兩次噴施30mg/L 5-ALA,產量增加41%。用1mg/L 5-ALA用于小麥浸種,使作物產量增加6%,用30mg/L 5-ALA苗期、枝節期和幼穗分化期分別噴施一次,小麥產量增加28%。

(3)在玉米上的應用效果

用1mg/L 5-ALA用于玉米浸種,使作物產量增加5.8%,用30mg/L 5-ALA在枝節期和幼穗分化期及灌漿期各噴施一次,結果增產32%,葉片明顯增厚,葉綠素含量增加,吸收營養增加,活桿成熟,穗重,百粒重都增加。

(1)5-ALA是調控基因肥料比較重要的效果突出的一個品種。適宜濃度無論在蔬菜、果樹大田作物,經濟作物能調控多種基因的表達,都表現增產。

(2)5-ALA過高濃度反而有害,干擾作物體內基因過渡表達,使代謝造成紊亂,導致減產。用5-ALA除草、殺蟲就是施用較高濃度。

(3)5-ALA主要作用是調控光合作用有關的基因表達,提高光合作用效率。增加葉綠素積累,提高氮代謝和能量代謝水平,增加有機物積累,從而提高產量。

(4)適宜較高濃度可做為綠色除草劑和綠色殺蟲劑,完全可以代替化學農藥,它對人畜禽無害,很快在環境中進行降解。

(5)需要進行長期、認真的試驗,摸清適宜濃度,如果濃度過高,反起到副作用,引起減產。

(6)5-ALA的化學合成方法復雜,收率低,只是試驗室產品,還沒有達到產業化規模,因價格高,施用濃度低,施用量小,試驗室規模也可以商品化。用培養光合細菌、濃縮干燥菌體再提取分離純化是一個可行方法,但占地面積大,同樣收率低。需進一步研究使在工藝上有所突破,加大收率,降低成本。以利于推廣應用。

(7)在滿足農作物有機無機營養基礎上,應用調控基因肥料5-ALA投入產出高。如施用濃度適宜,施用方法科學,增產潛力很大,是現代化農業進程中在科學施肥方面一種戰略性選擇。

參考文獻

1.顧紅雅等.植物基因與分子操作.北京大學出版社,1995.4.

2.印莉萍等.植物營養分子生物學及信號轉導.科學出版社,2006.9.

3.毛景英等.植物生長調節劑調控原理與實用技術.中國農業出版社,2005.1.

4.鄭炳松.現代植物生理生化研究技術.氣象出版社2006.10.

5.陳潤政.植物生理學.中山大學出版社,2005.5.

6.王乃興等.生物有機光化學.科學出版社,2008.5.

7.段留生等.作物化學控制原理與技術.中國農業出版社,2005.1.

8.黃建國.植物營養學.中國農業大學出版社,2005.1.

9.吳丁等.植物生理學與跨世紀農業研究.科學出版社,1999.5.

10.林鹿等.生物質基乙酰丙酸化學與技術.化學出版社,2009.10.

11.徐剛等.5-氨基乙酰丙酸對蔬菜生理作用的研究進展.金陵科技學院學報.第26卷第4期,2010.12.

12.汪良駒等.5-氨基乙酰丙酸的生物合成和生理活性及其在農業中的潛在應用.植物生理學通訊2003,39(3);185-192.

13.劉秀艷等.光合細菌產生5-氨基乙酰丙酸的研究.浙江大學學報,2002,29(3).

14.付士凱等.5-氨基乙酰丙酸的應用及合成方法.山東化工,2003,32(3);24-27.

15.宋世清等.5-氨基乙酰丙酸的生理作用及其在農業中的應用.河北科技師范學院學報,2004,18(2).

(本文轉自《新型肥料》月刊)

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