工業氮肥的施用滿足了農作物的高產需求，同時也帶來了土壤板結、水體富營養化等環境問題。如何利用生物固氮這種大自然提供的綠色氮肥減少農業生產對工業氮肥的依賴，是擺在研究者面前的重要科學問題。
近日，北京大學生命科學學院王憶平課題組發表論文稱，他們揭示了固氮酶相關機制並篩選出相關突變體，有望構建出高效通用的固氮酶系統。
中國農業科學院生物技術研究所研究員林敏在接受科技日報記者採訪時表示，如何提高固氮效率，擴大根瘤菌共生固氮的宿主範圍，實現主要農作物自主固氮，完全或部分替代工業氮肥是當前生物固氮研究前沿，也是一個世界性的農業科技難題。
國際研發聚焦三種技術路線
「在自然界中，某些原核微生物在常溫常壓下通過固氮酶將空氣中的氮素轉化為氨，這一過程稱為生物固氮，這類微生物稱為固氮微生物。」林敏說。
從1888年德國微生物學家赫爾利格與維爾法思首次證明豆科植物有固氮能力至今，生物固氮研發已有100多年的歷史。
林敏解釋，在農業生產系統中，根際是生物固氮及固氮菌與宿主作物相互作用的主要場所，固氮菌與宿主作物形成一個複雜的根際固氮體系。根據與宿主植物的關係，生物固氮可分為共生結瘤固氮和根際聯合固氮等類型。
「雖然共生結瘤固氮體系效率最高，可為豆科植物提供100%的氮素來源，但僅限於豆科植物，應用潛力有限。而根際聯合固氮體系不能形成根瘤等共生結構，受根際生物逆境(如病蟲害)和非生物逆境(如碳源不足、田間施肥氮抑制、乾旱、鹽鹼等)不利因素的影響非常大，從而大大限制了非豆科作物根際聯合固氮在農業中的應用。」林敏說。
當前，國際固氮合成生物學研究發展迅猛。隨著全球生物組學、表觀遺傳學和合成生物學等前沿理論與技術不斷交叉融合，有可能在不遠的將來取得生物固氮農業應用的重大突破。
林敏表示，王憶平課題組的研究成果通過將Nif基因直接導入真核細胞中，用合成生物學方法，確保活性固氮酶生物合成所需的組分是穩定的，並以適當的化學計量學方法表達。這種重建方法可能有助於預評估Nif蛋白在植物中的表達穩定性，並利用合成生物學攻克真核細胞器中穩定固氮酶表達的障礙，朝實現作物自主固氮的目標邁出重要一步。
「目前國際上在此領域的研究聚焦如下三種技術路線：一是人工改造根際固氮微生物及其宿主植物，構建高效根際聯合固氮體系。二是擴大根瘤菌的寄主範圍，構建非豆科作物結瘤固氮體系。三是人工設計最簡固氮裝置，創建作物自主固氮體系。」林敏說。
我國提出三階段應用目標
雖然生物固氮研究有上百年的歷史，但迄今為止未能在農業生產中廣泛應用。
究其原因，林敏認為，首先，固氮體系特別是表達調控系統非常複雜。其次，兩種根際固氮體系——豆科作物結瘤固氮和非豆科根際聯合固氮體系，本身存在天然缺陷，其受環境影響較大，田間應用效果不穩定。合成生物學的出現為生物固氮難題的解決提供了革命性的技術途徑。採用合成生物技術平臺，極其複雜的固氮系統能實現模塊化，集成作物固氮與抗逆線路可彌補固氮體系的天然缺陷，在田間應用中實現高效穩定的節肥增產目標。
經過數十年幾代科學家的努力，中國生物固氮研究取得了世界矚目的成績，為其在農業生產中應用奠定了重要基礎。
「在今後相當長一段時間內，我國生物固氮及農業應用將分三個階段開展聯合研究，3—5年的近期目標(生物固氮1.0版)是克服天然固氮體系缺陷，創製新一代高效根際固氮微生物產品，在田間示範條件下替代25%的化學氮肥；10年的中期目標(生物固氮2.0版)是擴大根瘤菌宿主範圍，構建非豆科作物結瘤固氮的新體系，在確保產量的同時將化學氮肥用量減少50%；15年的遠期目標(生物固氮3.0版)是探索作物自主固氮的新途徑，在確保產量的同時大幅度減少甚至完全替代化學氮肥。」林敏說。
就在上個月，中國農業科學院院級聯合攻關重大科研任務「高效固氮生物學基礎與農業應用」正式啟動，將圍繞高效生物固氮體系「從0到1」的基礎理論研究和新一代固氮微生物產品技術的創製進行聯合攻關。(記者 馬愛平)