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【新型肥料】基因肥料类中的一枝独秀5-氨基乙

Release time:2017/07/18 Click rate:

基因肥料类中的一枝独秀5-氨基乙酰丙酸(精选篇)

摘 要

农作物在整个生育期间都是由基因来调控的,在满足农作物有机-无机营养的基础上,基因营养是非常关键的。它决定农产品的产量和质量。任何优良品种从目前的水平也只能达到增产潜力的30%。除了尚未满足理想的外界环境条件,包括有机营养条件外,主要是没有调动起来有关增产方面的基因的显性表达。分子生物学叫激发子,从作物营养角度叫基因肥料。农作物基因目前已知的上百种,未知的还有大部分。由于基因有多样性,基因肥料也有多样性。其中5-氨基乙酰丙酸(5-ALA)是基因肥料类群中非常重要、非常突出的一种。它能调动多种基因的多种功能的一种基因肥料。5-ALA同人类、动、植物,包括微生物有高度的同源性,都含有它的活性物成分,体现它有多种功能。对5-ALA的性质、用途、功能,尤其在农业上的应用,及生产方法、施用方法和效果,做一一的介绍。

关键词

5-氨基乙酰丙酸、调控基因、光合效率、化学合成、微生物合成

前 言

地球上的生命,无论是人类、动物界、植物界、微生物类其共同的生命形式,有两种:一种是能量形式,从外界吸收能量营养,一种是遗传形式,通过DNA过程的信号转导、转录、翻译使生命得以延续。能量形式体现的营养元素为C、H、O。遗传形式体现的营养元素除C、H、O外还有N、P、S。自然界中的生命自然进化靠自然条件提供营养、产量处于较低水平。但人类通过高智力干预为动植物提供较全面的营养,使产量和品质得到提高,以满足人类的需求。随着人口不断增长,对农产品需求的量也不断增加,其品质也要求不断提高。对人类自身营养的满足在水平上最高。其次同人类同源性相近的动物尤其是人类直接需求的畜、禽类满足的营养水平也很高。植物就差的比较多了,为人类和畜、禽提供营养的农产品:如粮食、蔬菜、水果,其无机营养较全面,大量元素N、P、K中量元素。Ca、Mg、S,后来还有Si。微量元素Fe、Mn、Cn、Zn、Mo、B。但少了一条腿。缺乏有机营养即能量营养。只靠太阳的光能通过CO2、H2O转化成化学能,葡萄糖,用于合成植物各器官,没有外源能量营养,连理论概念都没建立起来。没有外源能量营养,只能“靠天吃饭”,接受大自然的“恩赐”。农产品是否增产,主要靠自然条件。没有人工提供的外源能量营养,由于理论上的缺失,导致了实践上的缺失。

从植物化学成份分析看,C、H、O元素,即碳水化合物,占90%以上,也可以说占到95%。大量的无机成份N、P、K元素才占到4%左右。能量营养只靠自然界中占空气含量的0.2% CO,作为能量源同水和太阳光能转化成化学能,转化率才达到4%左右,利用率较低。没有阳光的黑暗中还要进行呼吸作用,还要分解由太阳光制造的有机物放出CO2吸进O2。如果从两个方面着手,第一方面是为农作物提供外源能量营养,对光合作用的低效率进行补充,将使农产品产量得到大幅度提高。由于土壤缺乏有机碳源,使土壤微生物越来越减弱,造成土壤退化。土壤微生物的营养水平越来越差,直接导致农作物免疫力越来越低,农作物病虫害越来越严重,化学农药施用量越来越大,农产品质量越来越差,导致恶性循环。为农作物提供外源有机碳的能量营养,使土壤微生物多样性得以恢复,随之微生物的基因多种基因直接作用于农作物多种基因,使之表达。对提高农产品产量和品质大有益处。第二方面是在满足农作物无机营养和有机能量营养的基础上,采用基因营养的方式。调控上百种农作物基因显性表达。充分发挥农作物高产品种还没有发挥的70%的增产潜力。使农产品无论在产量和品质上都能得到大幅度提高。这是一个大的战略思维。

在调控农作物基因营养的群体中,一枝独秀的5-氨基乙酰丙酸,在诸多基因肥料中,占有重要地位,能调控多种功能基因的显性表达,发挥农作物优良品质还没有充分发挥的增产潜力。尤其是提高光合作用效益,增加叶绿体的快速形成,使农产品大幅度增产,使品质也得到大幅度提高。施用基因肥料5-氨基乙酰丙酸是一种明智的战略选择。它起到“四两拨千斤”的功效。

一、5-氨基乙酰丙酸化学性质

1.15-氨基乙酰丙酸(英文名为Aminolevulinic,5-LAL),简称5-LAL一类酮氨酸结构化合物。碳原子数为5,分子式为C5HN9O3,分子结构式NH2CH2COCH2CH2COOH相对分子质量131,CA号106-60-5,白色或类白色粉状晶体。

基因肥料类中的一枝独秀5-氨基乙酰丙酸

1.2分子两端分别具有羧基和氨基是一种非蛋白氨基酸。羧基容易酯化,形成5-氨基乙酸甲酯,乙脂、丙脂、丁脂。羧基还容易发生卤化反应,形成酰卤化合物。羧基中的羟基容易被置换,形成酰胺。

二、5-氨基乙酰丙酸的用途和功能

2.1在农业方面的用途

2.1.1用做调控农作物基因的肥料

(1)调控叶绿体形成的基因快速表达,使叶绿素合成酶形成的速度加快。

(2)调控光合作用基因显性表达,提高光合作用效率。

(3)抑制呼吸作用,降低光合产物的消耗,非光照环境也有吸收营养,制造有机物的功能。

(4)调控NH4吸收基因的显性表达,达到农作物直接吸收NH4-N素营养加快。直接形成氨基酸,缩短代谢途径。

(5)5-ALA使叶绿素形成的前体基因的显性表达,加快合成叶绿素前体,使光合作用转化成化学能速度加快,提高产量。对农作物生长生育过程中的多种基因都有调控作用。在满足作物的有机-无机营养的基础上,通过调控多种基因显性表达,加快整个生产期有机物积累,可大幅度增产。

2.1.2 用做绿色除草剂

(1)能抑制GluTR的基因表达,阻止5-ALA的合成,杂草因缺失5-ALA而最终死亡。哺乳动物中5-ALA合成不经C-5途径,所以对人畜无害。

(2)能调控形成5-ALA基因过分表达而大量合成。使叶绿素组成部分卟啉化合物大量积累,诱发光照下的过氧化反应。释放出活性氧,而杀死杂草,它的功效同二苯醚类化学除草剂相当。5-ALA杀草有选择性,能杀死双子叶植物类杂草,对属于单子叶植物类谷物,如小麦、大麦等无效。

2.1.3 用做绿色杀虫剂

5-ALA一定浓度下能使多种害虫体内合成5-ALA基因充分表达,合成大量5-ALA使生化代谢失衡,在阳光下,产生过氧化反应杀死害虫。害虫不产生抗药性,对人畜无害,5-ALA又很容易降解。

2.1.4在畜禽养殖方面的应用

(1)哺乳动物如畜禽血液有机部分是卟啉环状有机化合物中间是螯合铁离子,卟啉环同叶绿素的卟啉环是相同的。适当的5-ALA添加到饲料中,能引起卟啉环合成基因的显性表达。使卟啉环合成加快,同时使肌蛋白合成基因显性表达,使肌蛋白合成加快,使畜禽增重和瘦肉的比例增加,提高畜禽产品的产量和质量。

2.1.5在医药保健品中的应用

2.1.5.1对癌症的诊断作用

由于5-ALA对癌症细胞有特异作用,可以用做对癌症的诊断,便于对癌症的早期发现,尤其是对膀胱癌和消化系统的癌症和肝脏的癌症,脑癌都有早期诊断作用。

2.1.5.2对癌症的治疗作用

(1)对皮肤癌有治疗作用而且不留疤痕。

(2)5-ALA做为光敏剂对胃癌进行光动力治疗,对胃癌治疗很有效。

(3)对癌症治疗的三种作用

对肿瘤细胞的直接杀伤作用,对形成肿瘤的血管有损伤作用,但对人体正常细胞没有毒副作用。对人体免疫系统有激活作用。

2.1.5.3对人体的保健作用

(1)5-ALA是形成血液卟啉的前体,能激活5-ALA生成酶,加快5-ALA的合成,起到补血作用,是很好的补血剂。

(2)5-ALA能激活肌红蛋白合成酶,加快人体肌红蛋白的合成,减少脂肪的合成,尤其是对运动员肌肉的形成很有好处。

三、5-氨基乙酰丙酸的合成方法

3.1化学合成法

3.1.15-ALA化学合成有多种途径和方法。主要是用5-ALA的前体乙酰丙酸(ALA)的第五个碳原子上接上氨基H2N-C,有多种途径,但至今还没有达到产业化规模。只是试验室规模和中试规模产品。溴化法:以ALA为起始原料,溴化法缺乏选择性,收率低。但有些改良的新方法,可提高收率。

基因肥料类中的一枝独秀5-氨基乙酰丙酸

3.1.25-羟甲基糠醛转化法

基因肥料类中的一枝独秀5-氨基乙酰丙酸

5-羟甲基糠醛是为用玉米芯生产糠醛所产生的副产品价格便宜。

3.1.3糠醛转化法

用玉米芯经酸水解半纤维素产生糠醛,原料比较便宜。

基因肥料类中的一枝独秀5-氨基乙酰丙酸

3.1.4四氢糠胺转化法

基因肥料类中的一枝独秀5-氨基乙酰丙酸

3.1.5化学合成法目前存在的问题

(1)反应历程比较长,需4-5步反应,工艺复杂。

(2)反应中需要采用有毒、价格昂贵的化工原料,增加了生产成本,对环境产生一定的污染,需加大环保成本。

(3)对反应过程中氨基和羧基需进行保护,增加保护剂成本,增加了反应步骤,使工艺复杂。

(4)反应步骤多,副产物多,产物分离提纯有一定复杂性,最终产率不高。

3.1.6有利条件

(1)我国物质资源十分丰富,用秸秆中半纤维素水解生产糠醛或其副产品5-羟基糠醛做原料,成本低,原料来源可得到保证。

(2)由生物质中的纤维素经水解反应一系列过程产生的5-ALA的前体乙酰丙酸(ALA)来源丰富,成本不高。

(3)5-ALA价值高,售价较高,目前国内市场价格为1.5万元/公斤,国际市场价格5万元美金/公斤,有足够的利润空间。目前试验规模就可以商品化。

有发展前景的创新方法,以5-ALA前体,ALA经前处理后,经直接修饰氨化,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,经分离提纯,得出5-ALA,工艺简单,收率高,成本低,可以大规模产业化。

3.2微生物合成法

3.2.1微生物合成法的依据

经国内外研究者发现,色杆菌、产甲烷菌、嗜热梭菌、假单胞菌、光合菌、细胞内都含有5-氨基乙酰丙酸合成酶,在有充足营养物质基础上,利用其前体乙酰丙酸做底物能产生不同浓度的5-氨基乙酰丙酸。

3.2.2微生物法合成5-ALA的途径

(1)C4途径:由琥珀酰基CoA和甘氨酸缩合生成5-ALA,即琥珀酰基CoA和甘氨酸生成5-ALA。在非硫光合细菌中广泛存在。

(2)C5途径:微生物将谷氨酸在转氨酶(PALP)的作用下,生成2-氧代戊二酸,然后在2-氧代戊二酸脱氢酶作用下,生成琥珀酰基CoA,最后由ALA合成5-ALA。C5途径主要存在于藻类和少数细菌中。一般微生物只存在一种途径。但也有少数微生物存在二种途径。

3.2.3合成5-ALA的微生物菌种

所有微生物体内都有5-ALA合成酶,都能合成5-ALA,产生5-ALA浓度高的菌种却很少。光合菌是目前用来直接发酵生产5-ALA的菌种。但产生5-ALA浓度高的菌种却很少。光合菌是目前用来直接发酵生产5-ALA的主要微生物。

(1)光合菌中的类球形红细菌是经诱变产生高产5-ALA的菌株

培养基:含有机酸(乙酸、丙酸)废水为原料,补充甘氨酸作氮源。添加前体乙酰丙酸(ALA)做诱导剂。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调到6.7。

(2)光合菌中的紫色非硫红假单胞菌

培养基:味精废水稀释10倍,豆制品废水和啤酒废水不稀释。柠檬酸废水稀释2倍。调PH为7.5,加入酵母膏,生长因子,微量元素。加入甘氨酸、琥珀酸、乙酰丙酸。

3.2.4产率

(1)类球形红细菌做菌种的5-ALA产率为菌体干重达到1.25g/L。5-ALA积累量达8.20mg/L,折一吨培养液得5-ALA8.2g产率很低。

(2)非硫红假单胞菌做菌种的5-ALA积累量为3.15mg/L,菌体干菌达0.48g/L,折一吨培养液得5-ALA 3.15g,产率都很低。

3.2.5市场售价

由于产率低,提取工艺复杂市场售价很高,国际市场售价5万美元/kg,国内市场售价为1.5万元人民币/kg~2.0万元人民币/kg。

3.2.6干菌体提取5-ALA的工艺流程

基因肥料类中的一枝独秀5-氨基乙酰丙酸

四、农业用户体现的增收效益分析

4.1 5-ALA市场价格

4.1.1国际市场价格:5万美金/kg(美国)。

4.1.2国内市场价格:1.5万人民币/kg

4.2保守估计施用量及所获收益

4.2.1蔬菜

按50mg/kg计算每亩施用量按3kg计算,50mg/kg×30kg=1500mg=1.5g,每公斤5-ALA按厂商配制价格3万元计算,每克30元,1.5g为45元。

(1)用户收益:每亩蔬菜产万斤,按增产15%计算,增产1500斤,每斤蔬菜按0.5元计算,增加收益750元,投入产出比1:16.7。

(2)配制厂家所获收益,每克成本15元,1.5克22.5元,利润45元-22.5元=22.5元。

4.2.2玉米

(1)施用量

按50mg/kg配制浓度计算,每亩施用量按30kg计算,50mg×30kg=1500mg=1.5g,每公斤5-ALA按3万元计算,每克30元,1.5g为45元。

(2)用户收益

每亩产量按1500公斤计算,按15%,增产为225斤,每斤玉米售价按1元钱计算,为225元。增加效益180元。投入产出比1:5。

(3)配制厂家收益

每亩地施用的5-ALA配制厂家收益45元-22.5元=22.5元。

4.2.3苹果

按施用浓度30mg/kg,每亩施用量按30kg计算为1.5gALA,每公斤5-ALA按3万元计算,每克30元,1.5g/亩为45元。

(1)用户收益

苹果因施用5-ALA,苹果颜色好,果型好,口感也好,增产20%计算,一亩地苹果收300kg,增产20%,增收60kg,每公斤按6元计算,增收360元,增加收益为360元-45元=315元,投入产出比为1:8.

(2)配制厂家收益

45元/亩-22.5元/亩=22.5元/亩。

五、5-氨基乙酰丙酸作用机理及应用效果

5.1 5-ALA作用机理

5.1.1除草作用机理

(1)外源5-ALA在晚间调动原卟啉IX(PPIX)合成酶基因快速表达,合成大量的原卟啉IX(TPIX),在白天太阳光照射下,经光增感作用产生过量活性氧表现明显的杀杂草作用。但对单子叶植物:如玉米、小麦等作物没有任何伤害作用,5-ALA可自然降解。除草效果同化学除草剂相当。

(2)5-ALA能调动植物体内5-ALA合成酶基因的表达,加速形成,镁一四比咯(卟啉前体)也是光敏性很强的氧化剂,会对植物细胞内多种酶系统与DNA引起损伤性变异,导致杂物植物的代谢发生紊乱、失衡,细胞大量失水而死亡。

5.1.2杀虫作用原理

外源5-ALA能使摄入的昆虫引起卟啉合成酶基因的显性过份表达,因而合成卟啉类过量,在阳光激活下产生活性氧杀死昆虫,还能使昆虫体内代谢紊乱而致死。昆虫不具备抗药性,为新型的绿色杀虫剂,5-ALA自然降解,对人、畜、禽无害。杀虫效果同化学农药的杀虫效果相当。

5.2增产机理是通过调节农作物相关基因的表达,促进农作物一系列生理生化反应,最终获得增产

5.2.1施用合适浓度的5-ALA使有关光合作用的一系列基因表达,提高光合作用效率,使固定CO2量增加,使叶绿素加快形成,使糖快速积累而提高产量。

5.2.2施用合适浓度的5-ALA能调动有关碳代谢和氮代谢基因的表达,加快作物根系对营养的吸收而提高产量。

5.2.3施用合适浓度的5-ALA能调动有关抑制呼吸作用的基因表达,使晚间呼吸作用减弱,使分解有机物强度减弱,使放出CO2量减少,使农作物增产。

5.3农田应用效果

5.3.1在蔬菜作用上的应用效果

(1)以0.5mg/L 5-ALA处理黄瓜幼苗,增产黄瓜幼苗抗低温性能和抗旱能力,提高光合速率和可溶性蛋白含量,降解细胞膜透性,提高根系活力,使产量提高24.9%-52.3%。

(2)用30mg/L 5-ALA喷施萝卜植株,产量增加26%。

(3)用30mg/L 5-ALA喷施大蒜植株,使鳞茎产量提高40%。

(4)蚕豆在初叶期、一叶期和坐果期分别以100mg/L 5ALA进行喷施处理,使产量分别增加19%、30%、8%。

(5)马铃薯叶面喷施100mg/L5-ALA,可增加单株根块数量,促进块茎生长,最终产量提高63%。

5.3.2在大田作物上的应用效果

(1)水稻上应用效果

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溶液浸泡三叶令水稻幼苗根系24h后,放出在5℃低温环境中5d,幼苗存活率提高30%,干物质提高72%。

在幼穗形成期,开花盛期各处理一次,穗重增加11%,用5-ALA处理水稻,明显提高叶片光合作用,使叶绿素的量增加,使植株含糖量提高最终产量提高15%-20%。

(2)小麦上的应用效果

对小麦增产效果,花前花后两次喷施30mg/L 5-ALA,产量增加41%。用1mg/L 5-ALA用于小麦浸种,使作物产量增加6%,用30mg/L 5-ALA苗期、枝节期和幼穗分化期分别喷施一次,小麦产量增加28%。

(3)在玉米上的应用效果

用1mg/L 5-ALA用于玉米浸种,使作物产量增加5.8%,用30mg/L 5-ALA在枝节期和幼穗分化期及灌浆期各喷施一次,结果增产32%,叶片明显增厚,叶绿素含量增加,吸收营养增加,活杆成熟,穗重,百粒重都增加。

(1)5-ALA是调控基因肥料比较重要的效果突出的一个品种。适宜浓度无论在蔬菜、果树大田作物,经济作物能调控多种基因的表达,都表现增产。

(2)5-ALA过高浓度反而有害,干扰作物体内基因过渡表达,使代谢造成紊乱,导致减产。用5-ALA除草、杀虫就是施用较高浓度。

(3)5-ALA主要作用是调控光合作用有关的基因表达,提高光合作用效率。增加叶绿素积累,提高氮代谢和能量代谢水平,增加有机物积累,从而提高产量。

(4)适宜较高浓度可做为绿色除草剂和绿色杀虫剂,完全可以代替化学农药,它对人畜禽无害,很快在环境中进行降解。

(5)需要进行长期、认真的试验,摸清适宜浓度,如果浓度过高,反起到副作用,引起减产。

(6)5-ALA的化学合成方法复杂,收率低,只是试验室产品,还没有达到产业化规模,因价格高,施用浓度低,施用量小,试验室规模也可以商品化。用培养光合细菌、浓缩干燥菌体再提取分离纯化是一个可行方法,但占地面积大,同样收率低。需进一步研究使在工艺上有所突破,加大收率,降低成本。以利于推广应用。

(7)在满足农作物有机无机营养基础上,应用调控基因肥料5-ALA投入产出高。如施用浓度适宜,施用方法科学,增产潜力很大,是现代化农业进程中在科学施肥方面一种战略性选择。

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(本文转自《新型肥料》月刊)