提高固氮效率迫在眉睫

眾所周知，化學(xué)肥料在生產(chǎn)過(guò)程中，需消耗大量資源，并會(huì)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(lái)難以估量的損失。在化學(xué)肥料使用過(guò)程中，肥料流失是不可避免的問(wèn)題。肥料受到雨水沖刷，進(jìn)入河流、海灣和湖泊等地，助長(zhǎng)藻類繁殖。當(dāng)藻類肆意生產(chǎn)，便會(huì)阻擋陽(yáng)光，進(jìn)而帶來(lái)污染，影響水下的植物和動(dòng)物生長(zhǎng)。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(wú)法從空氣中固氮，因?yàn)橹参锕夂献饔脮?huì)產(chǎn)生氧氣，而氧氣會(huì)降低固氮效率。只有部分藍(lán)細(xì)菌能夠做到這一點(diǎn)，即使受到光氧氣干擾，藍(lán)細(xì)菌依舊可完成固氮過(guò)程。對(duì)此，生物系帕克拉西實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種可以利用大氣氣體固氮的細(xì)菌，通過(guò)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(lán)細(xì)菌是唯一一種具有晝夜節(jié)律的細(xì)菌?！迸量死髡f(shuō)。有趣的是，藍(lán)細(xì)菌在白天進(jìn)行光合作用儲(chǔ)存能量，并通過(guò)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(jìn)行固氮。研究小組想從藍(lán)細(xì)菌中獲取帶有這種晝夜機(jī)制的基因，并將其放入另一種不會(huì)固氮藍(lán)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?！拔覀兛吹揭唤M連續(xù)的35個(gè)基因只在晚上‘工作’，而在白天基本‘保持沉默’?！迸量死鹘榻B，研究人員首先手動(dòng)移除集胞藻中的氧氣，然后再植入一些藍(lán)細(xì)菌基因。隨后發(fā)現(xiàn)，集胞藻能夠以藍(lán)細(xì)菌2%的效率固氮。然而，當(dāng)研究人員開(kāi)始移除一部分藍(lán)細(xì)菌基因時(shí)，發(fā)現(xiàn)情況變得十分有趣：當(dāng)只有24個(gè)藍(lán)細(xì)菌基因時(shí)，集胞藻能夠以超過(guò)藍(lán)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(lán)細(xì)菌不同基因組的增加，盡管沒(méi)有達(dá)到無(wú)氧時(shí)的速率，固氮速率會(huì)再次上升?！斑@意味著我們的計(jì)劃是可行的，且這一成果超出我的預(yù)期?！迸量死髡f(shuō)，這是科研人員首次培育出既會(huì)光合作用又有固氮能力的轉(zhuǎn)基因生物。團(tuán)隊(duì)下一步工作是深入研究固氮細(xì)節(jié)過(guò)程，或?qū)⑦M(jìn)一步縮小固氮所需基因子集，并會(huì)與其他植物科學(xué)家展開(kāi)合作，將這一實(shí)驗(yàn)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(jì)，他們將成為利用空氣制肥作物的受益者，即不必再花費(fèi)更多時(shí)間人工施肥，同時(shí)還有助于提高產(chǎn)量。正如巴塔查里亞-帕克拉西所說(shuō)：“這項(xiàng)研究如果成功了，將深刻改變世界農(nóng)業(yè)。”