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        種子穿素蠶 作繭自固氮

        2019-01-31 23:18:39中國農(nóng)資
        中國農(nóng)資 2019年49期
        關(guān)鍵詞:固氮麻省理工學(xué)院蠶絲

        《中國農(nóng)資》記者李鑫譯

        據(jù)麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology)一項(xiàng)最新的研究表明,在種子表面增加一種特殊的蠶絲包裹層,能夠讓作物深深地扎根于貧瘠的土壤,尤其在農(nóng)田土壤鹽堿化程度高的地區(qū)效果頗佳。該方法讓種子的整個(gè)“身體”置身于一個(gè)嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)的白色“睡袋”中,在睡袋的頂部留有一個(gè)圓形開口,便于種子破土而出。這件專為種子設(shè)計(jì)的“絲帛”衣裳,不僅能夠抵御來自土壤中的有害物質(zhì),同時(shí),還能為作物生長提供有益的微生物,這種微生物還能夠?qū)⒖諝庵胁荒鼙焕玫姆肿討B(tài)氮轉(zhuǎn)為化合態(tài)氮,將土壤中不能被利用的化合態(tài)磷、鉀轉(zhuǎn)化為可以被利用的磷和鉀,以及提供其他微量元素等。該研究得到了麻省理工學(xué)院、摩洛哥穆罕默德六世理工大學(xué)以及美國海軍研究辦公室的支持。

        蠶絲衣裳妙手偶得

        地球大氣的氮含量約為78%,大部分植物無法從空氣中固氮,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。該項(xiàng)目工程師將種子裹縛在蠶絲當(dāng)中,這種蠶絲含有一種可以在空氣中固氮的細(xì)菌,能夠幫助種子在惡劣的環(huán)境中拔節(jié)生長。研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)表明,這些種子可以在含鹽量過高的土壤中正常生長,而未經(jīng)處理過的對照組則無法發(fā)育。下一步,研究團(tuán)隊(duì)對自己提出更高的要求,希望這一過程在不需要設(shè)備輔助的情況下完成,并且進(jìn)一步縮減成本。

        該項(xiàng)研究報(bào)告由麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程教授BenedettoMarelli、博士后EugenLim、研究生AugustineZvinavashe’16和HuiSun共同撰寫,研究結(jié)果發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》。這項(xiàng)工作源于Marelli教授之前的一項(xiàng)關(guān)于蠶絲膜延長種子的保質(zhì)期的研究。Marelli表示,當(dāng)我做這項(xiàng)研究時(shí),偶然發(fā)現(xiàn)蠶絲可以增加土壤中微生物的含量,更為重要的是這種微生物能把空氣中的氮轉(zhuǎn)化成一種易于被植物吸收的形態(tài),為作物提供天然的肥料,從而達(dá)到減少化學(xué)肥料投入的目的。

        Marelli進(jìn)一步表示,氮肥的大量施用、過度使用的現(xiàn)象普遍嚴(yán)重,導(dǎo)致土壤退化、作物的抗逆能力降低、溫室效應(yīng)加劇等環(huán)境污染問題日益加劇。具備固氮能力的細(xì)菌存在于世界各地的土壤中,不同的地區(qū)的細(xì)菌種類也各不相同,它們在自然土壤環(huán)境之外很難保存。但是,蠶絲這種生物材料可以有效的保護(hù)固氮細(xì)菌,所以,Marelli和他的團(tuán)隊(duì)決定將固氮細(xì)菌作為研究對象。

        生物固氮未來可期

        Marell想到將固氮細(xì)菌添加到種子的覆膜上,當(dāng)種子進(jìn)入土壤時(shí),固氮細(xì)菌理應(yīng)存活。然而,事與愿違,測試結(jié)果并不理想,固氮細(xì)菌并沒有像預(yù)期的那樣保存下來。正是在這個(gè)時(shí)候,Zvinavashe提出增加一種特殊的營養(yǎng)物質(zhì)——海藻糖,用來保護(hù)固氮細(xì)菌。海藻糖在自然界中許多動(dòng)植物及微生物體內(nèi)都廣泛存在,對多種生物活性物質(zhì)具有非特異性保護(hù)作用。隨后,研究人員在麻省理工學(xué)院和摩洛哥穆罕默德六世理工大學(xué)進(jìn)行了測試,將蠶絲、固氮細(xì)菌和海藻糖都懸浮在水中,在種子表面得到了均勻的保護(hù)層,實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿意。

        “在固氮細(xì)菌的幫助下,研究團(tuán)隊(duì)培育出的作物比那些未經(jīng)處理過的種子更加健康,并且能夠在鹽堿地等不適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土壤中向陽而生?!盡arelli興奮地說,實(shí)際上,這種蠶絲層可以通過浸漬或噴涂的方式裹縛在種子上,兩種方法均可在常溫常壓下進(jìn)行,種子只需浸涂幾秒鐘,就能產(chǎn)生只有幾微米厚的涂層,整個(gè)過程快速、簡單,方便的農(nóng)場主和不熟練的種植者應(yīng)用。此外,種子的包裹層所使用的蠶絲是水溶性的,當(dāng)它暴露在土壤中時(shí),固氮細(xì)菌就會(huì)被緩慢地釋放出來,并為作物提供養(yǎng)分。

        “這些根際細(xì)菌通常與豆科植物(如大豆、鷹嘴豆等)共同固氮,為作物提供肥料。目前,相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)正在大力推動(dòng)將根際細(xì)菌的應(yīng)用延展到非豆科作物,實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法極有可能是修改細(xì)菌或植物的DNA?!盡arelli表示,接下來,研究人員將致力于開發(fā)新的包裹層,這種包裹層不僅可以保護(hù)種子免受鹽堿地的侵害,而且還可以從土壤中吸收水分,使種子更耐旱。與此同時(shí),明年研究團(tuán)隊(duì)將在摩洛哥的開放試驗(yàn)田中進(jìn)行種植實(shí)驗(yàn)。

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