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
hbp@mbg.au.dk
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.
■
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