Phytase - tilgængelighed af phospha- tase
Transcription
Phytase - tilgængelighed af phospha- tase
TEMA: BIOLOGI 40 Plantevækst II - næringsstoffers effektivitet, tilgængelighed og betydning Phytase - tilgængelighed af phosphatase Lektor Henrik Brinch-Pedersen Aarhus Universitet, Institut for Molekylærbiologi og Genetik [email protected] Kornarterne har meget forskellig fytaseaktivitet, hvilket giver forskellig fosforudnyttelse. Det vil derfor være nødvendigt at benytte forskellige veje for at øge fytaseaktiviteten. Kornkernens fosfor oplagres i form af fytinsyre også kaldet fytat. I selve planten eksisterer fytinsyren som et blandet salt af fx Fe2+, Mg2+, Ca2+ og Zn2+, der benævnes fytin. Af den totale P i plantens frø eksisterer ~75% som fytinsyre, ~5% optræder som uorganisk P, og de resterende ~20% indgår i alle andre former som f.eks. DNA, RNA, protein, stivelse og fedtstoffer (Brinch-Pedersen et al., 2002). Fytinsyren udgør op til flere procent af frøets tørvægt, i kornarterne op til 2-3%. Ud af 100 g tørre kornkerner vil de 2-3 g altså være fytinsyre. Fytinsyrefosfor udgør således en betydelig ressource, og i år 2000 blev den samlede globale produktion af plantefytinsyre estimeret til at udgøre mere end 51 millioner tons. Dette svarer til næsten 65% af alt P solgt verden over som mineralsk gødning (Lott et al., 2001). Hos planten tages fytinsyrefosfor i brug i forbindelse med spiring af det modne frø. Den fremvoksende plante forsynes med fosfat, som bliver frigjort med hjælp fra enzymet fytase (figur 1). Fytaseaktiviteten i modne kerner varierer kraftigt imellem forskellige kornarter (tabel 1). Rugkerner har en meget høj fytaseaktivitet, som effektivt kan nedbryde fytinsyre. Herefter kommer byg og hvede med en meget lavere aktivitet og arter som majs og havre, som har tæt på ingen fytaseaktivitet. I Danmark anvendes det dyrkede korn fortrinsvis til foder, og derfor tilføres der meget store mængder fosfor i form af fytinsyre til dyr. Da dyrenes fordøjelsessystem og altså også de fleste modne kerner kun har meget begrænset fytaseaktivitet, er tilgængeligheden (biotilgængeligheden) af fytinsyrefosfaten derfor meget lille. Belastningen af landbrugsjorden med ufordøjet fosfor via husdyrgødning har i mange år været intens, men udviklingen søges vendt ved øget udnyttelse af plantens fytaser. Hvad kan vi gøre indenfor planteforskningen? De seneste års forskning har af- Figur 1. Nedbrydning af fytinsyre ved hjælp af enzymet fytase. 2015 178 Se PowerPoint-show med indlæg på www.plantekongres.dk TEMA: BIOLOGI Plantevækst II - næringsstoffers effektivitet, tilgængelighed og betydning Tabel 1. Fytaseaktivitet i modne kerner. Art Byg Hvede Triticale Rug Majs Havre Fytaseaktivitet FTU/kg DM 400-500 690-1400 1600-2100 1600-5200 ~15 <50 dækket, hvordan kornarterne laver den nødvendige fytase, og hvorfor forskellige kornarter har så forskellige fytaseaktiviteter i de modne kerner (Brinch-Pedersen et al., 2014). Det viser sig, at der findes et sæt fytasegener, som er ansvarlige for den fytase, som findes i den modne kerne og et andet sæt gener, som er ansvarlig for den fytase, som først laves i forbindelse med spiringen (Dionisio et al., 2011; Madsen et al., 2013). De kornarter, som har den laveste fytaseaktivitet, mangler helt de gener, som ligger til grund for fytaseaktiviteten i den modne kerne. Under spiringen er de derfor helt afhængige af de novo syntese af fytase for at tilvejebringe biotilgængeligt fosfat. At vi nu har kendskab til de gener, som ligger til grund for kornarternes fytaseaktivitet betyder, at muligheder og begrænsningerne for at forhøje kornkernens fytaseaktivitet igennem forædling er blevet tydelige. I arter (f.eks. majs), som helt mangler de gener, som er ansvarlige for fytaseaktiviteten i modne kerner, er det meget usandsynligt, at der med succes kan forædles for høj fytaseaktivitet i kernerne uden brug af genteknologiske metoder. Her vil det være nødvendigt at introducere de manglende gener af bioteknologisk vej. I arter som hvede og byg, der indeholder de nødvendige fytasegener, kan forædling for høj fytaseaktivitet i modne kerner derimod målrettes imod disse gener. I byg er potentialet for at opnå kerner med meget høj fytaseaktivitet uden brug af f.eks. mutagenese eller bioteknologisk introduktion af ekstragener dog begrænset, idet byg er diploid og kun har maksimum to kopier af det nødvendige gen. Anderledes stort er potentialet i hvede, som er hexaploid, og hvor antallet af aktive fytasegener derfor potentielt kan tredobles. I hvede er det desuden lykkedes at introducere den såkaldte HIGHPHY egenskab, som giver op til 6000 FTU pr. kg i ikke GM hvede. & Batten GD. 2001. Phytic acid and phosphorus in crop seeds and fruits: A global estimate (vol 10, pg 11, 2000). Seed Science Research 11:181-181. Madsen CK, Dionisio G, Holme IB, Holm PB & Brinch-Pedersen H. 2013. High mature grain phytase activity in the Triticeae has evolved by duplication followed by neofunctionalization of the purple acid phosphatase phytase (PAPhy) gene. Journal of Experimental Botany 64:31113123. DOI: 10.1093/jxb/ ert116. â– Litteratur Brinch-Pedersen H, Madsen CK, Holme IB & Dionisio G. 2014. Increased understanding of the cereal phytase complement for better mineral bio-availability and resource management. Journal of Cereal Science 59:9. Brinch-Pedersen H, Sorensen LD & Holm PB. 2002. Engineering crop plants: getting a handle on phosphate. Trends in Plant Science 7:118125. DOI: 10.1016/s13601385(01)02222-1. Dionisio G, Madsen CK, Holm PB, Welinder KG, Jorgensen M, Stoger E, Arcalis E & Brinch-Pedersen H. 2011. Cloning and Characterization of Purple Acid Phosphatase Phytases from Wheat, Barley, Maize, and Rice. Plant Physiology 156:10871100. DOI: 10.1104/ pp.110.164756. Lott JNA, Ockenden I, Raboy V Se PowerPoint-show med indlæg på www.plantekongres.dk 2015 179 40