生物固氮 替代工业氮肥 我国生物固氮应用有了“小目标”

5年占25%，10年增长到50%

代替工业氮肥，生物固氮在中国的应用有一个“小目标”

本报记者马爱平

工业氮肥的施用不仅满足了作物的高产需求，也带来了土壤紧实、水体富营养化等环境问题。如何利用自然界提供的绿色氮肥——生物固氮，减少农业生产对工业氮肥的依赖，是科研人员面临的重要科学问题。近日，北京大学生命科学学院课题组王一平发表论文称，他们揭示了固氮酶的相关机制，并筛选出相关突变体，有望构建高效、通用的固氮酶体系。

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》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，实现主要作物的自主固氮，完全或部分替代工业氮肥，是目前生物固氮研究的前沿，也是世界性的农业科技难题。

国际R&D专注于三条技术路线

“自然界中，一些原核微生物在常温常压下通过固氮酶将空气体中的氮转化为氨。这个过程叫生物固氮，这种微生物叫固氮微生物。”林敏说。

自1888年德国微生物学家Hellig和Verfas首次证明豆科植物具有固氮能力以来，生物固氮已经发展了100多年。

林敏解释说，在农业生产系统中，根际是生物固氮和固氮菌与寄主作物相互作用的主要场所，固氮菌与寄主作物形成复杂的根际固氮系统。根据与寄主植物的关系，生物固氮可分为共生结瘤固氮和根际联合固氮。

“共生结瘤固氮系统虽然效率最高，能为豆科植物提供100%的氮源，但仅限于豆科植物，应用潜力有限。但根际联合固氮体系不能形成根瘤等共生结构，受根际生物胁迫和非生物胁迫不利因素影响较大，从而大大限制了非豆科作物根际联合固氮在农业上的应用。”林敏说。

目前，国际上固氮合成生物学研究发展迅速。随着基因组学、表观遗传学、合成生物学等全球前沿理论和技术的不断交叉融合，有可能在不久的将来实现生物固氮农业应用的重大突破。

林敏说，王一平研究小组的研究成果通过将Nif基因直接导入真核细胞，确保了活性固氮酶生物合成所需的成分稳定，并通过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价Nif蛋白在植物中的表达稳定性，并利用合成生物学克服固氮酶在真核细胞中稳定表达的障碍，是实现作物自主固氮目标的重要一步。

“目前，国际上在该领域的研究主要集中在以下三条技术路线:一是人工转化根际固氮微生物及其宿主植物，构建高效的根际联合固氮体系。二是扩大根瘤菌宿主范围，构建非豆科作物结瘤固氮体系。三是人工设计最简单的固氮装置，为作物创造一个独立的固氮系统。”林敏说。

中国提出了三个阶段的申请目标

生物固氮虽已研究了数百年，但至今仍未广泛应用于农业生产。

林敏认为，首先，固氮系统，尤其是表达调控系统非常复杂。其次，两种根际固氮体系——豆科作物结瘤固氮体系和非豆科根际联合固氮体系都有自身的天然缺陷，受环境影响较大，田间施用效果不稳定。合成生物学的出现为解决生物固氮问题提供了革命性的技术途径。利用合成生物技术平台，可以将极其复杂的固氮体系模块化，作物固氮和抗逆系的整合可以弥补固氮体系的天然缺陷，达到田间应用高效稳定节肥增产的目的。

经过几十年几代科学家的努力，我国生物固氮研究在世界范围内取得了举世瞩目的成就，为其在农业生产中的应用奠定了重要基础。

“未来很长一段时间，我国生物固氮与农业应用的联合研究将分三个阶段开展。3-5年的短期目标是克服天然固氮体系的缺陷，创造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年中期目标是扩大根瘤菌的寄主范围，构建非豆科作物结瘤固氮新体系，在保证产量的同时减少化学氮肥用量50%；15年的长期目标是探索作物自主固氮的新途径，在保证产量的同时，大幅度减少甚至完全替代化学氮肥。”林敏说。

就在上个月，由中国农业科学院联合攻关的重大科研课题“高效固氮的生物基础与农业应用”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开展联合攻关。