固氮基因筑梦空气制肥

提高固氮效率迫在眉睫

众所周知，化学肥料在生产过程中，需消耗大量资源，并会产生一定数量温室气体排放，给全球气候变化和人类发展带来难以估量的损失。在化学肥料使用过程中，肥料流失是不可避免的问题。肥料受到雨水冲刷，进入河流、海湾和湖泊等地，助长藻类繁殖。当藻类肆意生产，便会阻挡阳光，进而带来污染，影响水下的植物和动物生长。除此之外，大多数商业肥料中，氮利用率不到40%。

地球大气氮含量约为78%，大部分植物无法从空气中固氮，因为植物光合作用会产生氧气，而氧气会降低固氮效率。只有部分蓝细菌能够做到这一点，即使受到光氧气干扰，蓝细菌依旧可完成固氮过程。对此，生物系帕克拉西实验室设计了一种可以利用大气气体固氮的细菌，通过移植固氮基因，使具备光合作用的细菌获得从空气中吸收氮的能力。

植物“自制”肥料具有可行性

“蓝细菌是唯一一种具有昼夜节律的细菌。”帕克拉西说。有趣的是，蓝细菌在白天进行光合作用储存能量，并通过呼吸作用消耗光合作用产生的大部分氧气，然后在夜间进行固氮。研究小组想从蓝细菌中获取带有这种昼夜机制的基因，并将其放入另一种不会固氮蓝细菌集胞藻中，诱导后者获得固氮能力。

为找到正确基因序列，研究小组就要寻找到准确的昼夜节律。“我们看到一组连续的35个基因只在晚上‘工作’，而在白天基本‘保持沉默’。”帕克拉西介绍，研究人员首先手动移除集胞藻中的氧气，然后再植入一些蓝细菌基因。随后发现，集胞藻能够以蓝细菌2%的效率固氮。然而，当研究人员开始移除一部分蓝细菌基因时，发现情况变得十分有趣：当只有24个蓝细菌基因时，集胞藻能够以超过蓝细菌30%的效率固氮。随着少量氧气的添加（最多1%），固氮速率显著下降。但随着蓝细菌不同基因组的增加，尽管没有达到无氧时的速率，固氮速率会再次上升。“这意味着我们的计划是可行的，且这一成果超出我的预期。”帕克拉西说，这是科研人员首次培育出既会光合作用又有固氮能力的转基因生物。团队下一步工作是深入研究固氮细节过程，或将进一步缩小固氮所需基因子集，并会与其他植物科学家展开合作，将这一实验应用到其他固氮植物上。

世界银行的数据显示，全世界约有8亿农民仅能维持生计，他们将成为利用空气制肥作物的受益者，即不必再花费更多时间人工施肥，同时还有助于提高产量。正如巴塔查里亚-帕克拉西所说：“这项研究如果成功了，将深刻改变世界农业。”