固氮基因筑夢空氣制肥

提高固氮效率迫在眉睫

眾所周知，化學(xué)肥料在生產(chǎn)過程中，需消耗大量資源，并會產(chǎn)生一定數(shù)量溫室氣體排放，給全球氣候變化和人類發(fā)展帶來難以估量的損失。在化學(xué)肥料使用過程中，肥料流失是不可避免的問題。肥料受到雨水沖刷，進入河流、海灣和湖泊等地，助長藻類繁殖。當(dāng)藻類肆意生產(chǎn)，便會阻擋陽光，進而帶來污染，影響水下的植物和動物生長。除此之外，大多數(shù)商業(yè)肥料中，氮利用率不到40%。

地球大氣氮含量約為78%，大部分植物無法從空氣中固氮，因為植物光合作用會產(chǎn)生氧氣，而氧氣會降低固氮效率。只有部分藍細(xì)菌能夠做到這一點，即使受到光氧氣干擾，藍細(xì)菌依舊可完成固氮過程。對此，生物系帕克拉西實驗室設(shè)計了一種可以利用大氣氣體固氮的細(xì)菌，通過移植固氮基因，使具備光合作用的細(xì)菌獲得從空氣中吸收氮的能力。

植物“自制”肥料具有可行性

“藍細(xì)菌是唯一一種具有晝夜節(jié)律的細(xì)菌。”帕克拉西說。有趣的是，藍細(xì)菌在白天進行光合作用儲存能量，并通過呼吸作用消耗光合作用產(chǎn)生的大部分氧氣，然后在夜間進行固氮。研究小組想從藍細(xì)菌中獲取帶有這種晝夜機制的基因，并將其放入另一種不會固氮藍細(xì)菌集胞藻中，誘導(dǎo)后者獲得固氮能力。

為找到正確基因序列，研究小組就要尋找到準(zhǔn)確的晝夜節(jié)律。“我們看到一組連續(xù)的35個基因只在晚上‘工作’，而在白天基本‘保持沉默’。”帕克拉西介紹，研究人員首先手動移除集胞藻中的氧氣，然后再植入一些藍細(xì)菌基因。隨后發(fā)現(xiàn)，集胞藻能夠以藍細(xì)菌2%的效率固氮。然而，當(dāng)研究人員開始移除一部分藍細(xì)菌基因時，發(fā)現(xiàn)情況變得十分有趣：當(dāng)只有24個藍細(xì)菌基因時，集胞藻能夠以超過藍細(xì)菌30%的效率固氮。隨著少量氧氣的添加（最多1%），固氮速率顯著下降。但隨著藍細(xì)菌不同基因組的增加，盡管沒有達到無氧時的速率，固氮速率會再次上升。“這意味著我們的計劃是可行的，且這一成果超出我的預(yù)期。”帕克拉西說，這是科研人員首次培育出既會光合作用又有固氮能力的轉(zhuǎn)基因生物。團隊下一步工作是深入研究固氮細(xì)節(jié)過程，或?qū)⑦M一步縮小固氮所需基因子集，并會與其他植物科學(xué)家展開合作，將這一實驗應(yīng)用到其他固氮植物上。

世界銀行的數(shù)據(jù)顯示，全世界約有8億農(nóng)民僅能維持生計，他們將成為利用空氣制肥作物的受益者，即不必再花費更多時間人工施肥，同時還有助于提高產(chǎn)量。正如巴塔查里亞-帕克拉西所說：“這項研究如果成功了，將深刻改變世界農(nóng)業(yè)。”