替代工業(yè)氮肥，我國生物固氮應(yīng)用有了“小目標(biāo)”

工業(yè)氮肥的施用滿足了農(nóng)作物的高產(chǎn)需求，同時也帶來了土壤板結(jié)、水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題。如何利用生物固氮這種大自然提供的綠色氮肥減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對工業(yè)氮肥的依賴，是擺在研究者面前的重要科學(xué)問題。

近日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王憶平課題組發(fā)表論文稱，他們揭示了固氮酶相關(guān)機(jī)制并篩選出相關(guān)突變體，有望構(gòu)建出高效通用的固氮酶系統(tǒng)。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所研究員林敏在接受科技日報記者采訪時表示，如何提高固氮效率，擴(kuò)大根瘤菌共生固氮的宿主范圍，實現(xiàn)主要農(nóng)作物自主固氮，完全或部分替代工業(yè)氮肥是當(dāng)前生物固氮研究前沿，也是一個世界性的農(nóng)業(yè)科技難題。

國際研發(fā)聚焦三種技術(shù)路線

“在自然界中，某些原核微生物在常溫常壓下通過固氮酶將空氣中的氮素轉(zhuǎn)化為氨，這一過程稱為生物固氮，這類微生物稱為固氮微生物�！绷置粽f。

從1888年德國微生物學(xué)家赫爾利格與維爾法思首次證明豆科植物有固氮能力至今，生物固氮研發(fā)已有100多年的歷史。

林敏解釋，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，根際是生物固氮及固氮菌與宿主作物相互作用的主要場所，固氮菌與宿主作物形成一個復(fù)雜的根際固氮體系。根據(jù)與宿主植物的關(guān)系，生物固氮可分為共生結(jié)瘤固氮和根際聯(lián)合固氮等類型。

“雖然共生結(jié)瘤固氮體系效率最高，可為豆科植物提供100%的氮素來源，但僅限于豆科植物，應(yīng)用潛力有限。而根際聯(lián)合固氮體系不能形成根瘤等共生結(jié)構(gòu)，受根際生物逆境（如病蟲害）和非生物逆境（如碳源不足、田間施肥氮抑制、干旱、鹽堿等）不利因素的影響非常大，從而大大限制了非豆科作物根際聯(lián)合固氮在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用�！绷置粽f。

當(dāng)前，國際固氮合成生物學(xué)研究發(fā)展迅猛。隨著全球生物組學(xué)、表觀遺傳學(xué)和合成生物學(xué)等前沿理論與技術(shù)不斷交叉融合，有可能在不遠(yuǎn)的將來取得生物固氮農(nóng)業(yè)應(yīng)用的重大突破。

林敏表示，王憶平課題組的研究成果通過將Nif基因直接導(dǎo)入真核細(xì)胞中，用合成生物學(xué)方法，確�；钚怨痰�酶生物合成所需的組分是穩(wěn)定的，并以適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)計量學(xué)方法表達(dá)。這種重建方法可能有助于預(yù)評估Nif蛋白在植物中的表達(dá)穩(wěn)定性，并利用合成生物學(xué)攻克真核細(xì)胞器中穩(wěn)定固氮酶表達(dá)的障礙，朝實現(xiàn)作物自主固氮的目標(biāo)邁出重要一步。

“目前國際上在此領(lǐng)域的研究聚焦如下三種技術(shù)路線：一是人工改造根際固氮微生物及其宿主植物，構(gòu)建高效根際聯(lián)合固氮體系。二是擴(kuò)大根瘤菌的寄主范圍，構(gòu)建非豆科作物結(jié)瘤固氮體系。三是人工設(shè)計最簡固氮裝置，創(chuàng)建作物自主固氮體系�！绷置粽f。

我國提出三階段應(yīng)用目標(biāo)

雖然生物固氮研究有上百年的歷史，但迄今為止未能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

究其原因，林敏認(rèn)為，首先，固氮體系特別是表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)非常復(fù)雜。其次，兩種根際固氮體系——豆科作物結(jié)瘤固氮和非豆科根際聯(lián)合固氮體系，本身存在天然缺陷，其受環(huán)境影響較大，田間應(yīng)用效果不穩(wěn)定。合成生物學(xué)的出現(xiàn)為生物固氮難題的解決提供了革命性的技術(shù)途徑。采用合成生物技術(shù)平臺，極其復(fù)雜的固氮系統(tǒng)能實現(xiàn)模塊化，集成作物固氮與抗逆線路可彌補(bǔ)固氮體系的天然缺陷，在田間應(yīng)用中實現(xiàn)高效穩(wěn)定的節(jié)肥增產(chǎn)目標(biāo)。

經(jīng)過數(shù)十年幾代科學(xué)家的努力，中國生物固氮研究取得了世界矚目的成績，為其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

“在今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)，我國生物固氮及農(nóng)業(yè)應(yīng)用將分三個階段開展聯(lián)合研究，3—5年的近期目標(biāo)（生物固氮1.0版）是克服天然固氮體系缺陷，創(chuàng)制新一代高效根際固氮微生物產(chǎn)品，在田間示范條件下替代25%的化學(xué)氮肥；10年的中期目標(biāo)（生物固氮2.0版）是擴(kuò)大根瘤菌宿主范圍，構(gòu)建非豆科作物結(jié)瘤固氮的新體系，在確保產(chǎn)量的同時將化學(xué)氮肥用量減少50%；15年的遠(yuǎn)期目標(biāo)（生物固氮3.0版）是探索作物自主固氮的新途徑，在確保產(chǎn)量的同時大幅度減少甚至完全替代化學(xué)氮肥�！绷置粽f。

就在上個月，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院院級聯(lián)合攻關(guān)重大科研任務(wù)“高效固氮生物學(xué)基礎(chǔ)與農(nóng)業(yè)應(yīng)用”正式啟動，將圍繞高效生物固氮體系“從0到1”的基礎(chǔ)理論研究和新一代固氮微生物產(chǎn)品技術(shù)的創(chuàng)制進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。（記者 馬愛平）