替代工业氮肥，我国生物固氮应用有了“小目标”

工业氮肥的施用满足了农作物的高产需求，同时也带来了土壤板结、水体富营养化等环境问题。如何利用生物固氮这种大自然提供的绿色氮肥减少农业生产对工业氮肥的依赖，是摆在研究者面前的重要科学问题。

近日，北京大学生命科学学院王忆平课题组发表论文称，他们揭示了固氮酶相关机制并筛选出相关突变体，有望构建出高效通用的固氮酶系统。

中国农业科学院生物技术研究所研究员林敏在接受科技日报记者采访时表示，如何提高固氮效率，扩大根瘤菌共生固氮的宿主范围，实现主要农作物自主固氮，完全或部分替代工业氮肥是当前生物固氮研究前沿，也是一个世界性的农业科技难题。

国际研发聚焦三种技术路线

“在自然界中，某些原核微生物在常温常压下通过固氮酶将空气中的氮素转化为氨，这一过程称为生物固氮，这类微生物称为固氮微生物。”林敏说。

从1888年德国微生物学家赫尔利格与维尔法思首次证明豆科植物有固氮能力至今，生物固氮研发已有100多年的历史。

林敏解释，在农业生产系统中，根际是生物固氮及固氮菌与宿主作物相互作用的主要场所，固氮菌与宿主作物形成一个复杂的根际固氮体系。根据与宿主植物的关系，生物固氮可分为共生结瘤固氮和根际联合固氮等类型。

“虽然共生结瘤固氮体系效率最高，可为豆科植物提供100%的氮素来源，但仅限于豆科植物，应用潜力有限。而根际联合固氮体系不能形成根瘤等共生结构，受根际生物逆境（如病虫害）和非生物逆境（如碳源不足、田间施肥氮抑制、干旱、盐碱等）不利因素的影响非常大，从而大大限制了非豆科作物根际联合固氮在农业中的应用。”林敏说。

当前，国际固氮合成生物学研究发展迅猛。随着全球生物组学、表观遗传学和合成生物学等前沿理论与技术不断交叉融合，有可能在不远的将来取得生物固氮农业应用的重大突破。

林敏表示，王忆平课题组的研究成果通过将Nif基因直接导入真核细胞中，用合成生物学方法，确保活性固氮酶生物合成所需的组分是稳定的，并以适当的化学计量学方法表达。这种重建方法可能有助于预评估Nif蛋白在植物中的表达稳定性，并利用合成生物学攻克真核细胞器中稳定固氮酶表达的障碍，朝实现作物自主固氮的目标迈出重要一步。

“目前国际上在此领域的研究聚焦如下三种技术路线：一是人工改造根际固氮微生物及其宿主植物，构建高效根际联合固氮体系。二是扩大根瘤菌的寄主范围，构建非豆科作物结瘤固氮体系。三是人工设计最简固氮装置，创建作物自主固氮体系。”林敏说。

我国提出三阶段应用目标

虽然生物固氮研究有上百年的历史，但迄今为止未能在农业生产中广泛应用。

究其原因，林敏认为，首先，固氮体系特别是表达调控系统非常复杂。其次，两种根际固氮体系——豆科作物结瘤固氮和非豆科根际联合固氮体系，本身存在天然缺陷，其受环境影响较大，田间应用效果不稳定。合成生物学的出现为生物固氮难题的解决提供了革命性的技术途径。采用合成生物技术平台，极其复杂的固氮系统能实现模块化，集成作物固氮与抗逆线路可弥补固氮体系的天然缺陷，在田间应用中实现高效稳定的节肥增产目标。

经过数十年几代科学家的努力，中国生物固氮研究取得了世界瞩目的成绩，为其在农业生产中应用奠定了重要基础。

“在今后相当长一段时间内，我国生物固氮及农业应用将分三个阶段开展联合研究，3—5年的近期目标（生物固氮1.0版）是克服天然固氮体系缺陷，创制新一代高效根际固氮微生物产品，在田间示范条件下替代25%的化学氮肥；10年的中期目标（生物固氮2.0版）是扩大根瘤菌宿主范围，构建非豆科作物结瘤固氮的新体系，在确保产量的同时将化学氮肥用量减少50%；15年的远期目标（生物固氮3.0版）是探索作物自主固氮的新途径，在确保产量的同时大幅度减少甚至完全替代化学氮肥。”林敏说。

就在上个月，中国农业科学院院级联合攻关重大科研任务“高效固氮生物学基础与农业应用”正式启动，将围绕高效生物固氮体系“从0到1”的基础理论研究和新一代固氮微生物产品技术的创制进行联合攻关。