科學網—替代氮肥:生物固氮有了路線圖

2020-12-02 科學網

生物固氮在農業生產中應用潛力巨大。 生物技術所供圖

 

■本報記者 李晨

我國是世界上最大的氮肥生產和使用國，化肥過度使用已成為我國保障糧食安全和生態安全的重大障礙。氮肥增產空間越來越小，傳統農業難以為繼，尋求新的替代氮肥的技術途徑已刻不容緩。

近日，中國農業科學院啟動高效固氮聯合攻關重大科研任務，力圖創建高效人工固氮產品，為我國農業高質量綠色發展提供前沿理論與技術支撐。

一個世界性農業科技難題

生物固氮能夠為作物提供生長所需的氮素。依靠固氮菌，氮利用率可達到100%，全球生物固氮量可達每年2億噸，超過工業氮肥生產總量，在農業生產中應用潛力巨大。

然而，「利用生物固氮替代化學氮肥是一個世界性的農業科技難題。」該任務首席科學家、中國農科院生物技術研究所研究員林敏說。

生物固氮研究有上百年的歷史，迄今為止未能在農業生產中廣泛應用。這是因為，首先，固氮體系特別是表達調控系統非常複雜。圍繞生物固氮，尚有很多科學未解之謎，包括，為什麼自然界中只有原核微生物有固氮能力，為什麼自然界中只有豆科作物能形成固氮根瘤，為什麼植物祖先進化出葉綠體卻沒有形成「固氮體」。

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。

林敏指出，合成生物學的出現為生物固氮等世界性農業難題的解決提供了革命性的技術途徑。合成生物學採用工程科學理念，對生物體及其調控網絡、代謝途徑或天然產物進行設計、改造和重構，人工合成全新的生物工程體系。它具有強大的合成與組裝能力、計算與設計能力，標準化的元件與模塊設計，以及優化的線路與底盤設計。

「採用合成生物技術平臺，能使得極其複雜的固氮系統模塊化，集成作物固氮與抗逆線路從而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。」林敏說。

在「973」計劃項目的支持下，我國固氮合成生物學研究已經取得了重大的進展。「但是離我們的目標還有相當的距離。所以，能夠通過啟動一個重要的項目實施前瞻性的布局，是非常重要的、很有遠見的。」項目諮詢專家組組長、中國科學院生物物理研究所研究員張先恩說。

生物固氮產業發展面臨著機遇和挑戰。林敏介紹，生物固氮相關市場國際競爭加劇，全球生物固氮市場被老牌跨國公司壟斷。但近年來，新興科技公司異軍突起，圍繞制約農業微生物產業發展的關鍵瓶頸技術，如微生物種衣技術等開展研發工作並取得創新突破，成為全球風險投資的熱點。

三步走實現關鍵技術突破

為此，該任務將聚焦生物固氮國際科技前沿，同時針對我國在基礎理論和技術方面存在的瓶頸問題開展關鍵核心技術研發。

林敏介紹，總體思路是，在重大理論方面，聚焦聯合固氮、結瘤固氮和自主固氮等當前國際固氮合成生物學的三大熱點領域，加強生物組學、表觀遺傳學和合成生物學等前沿學科交叉融合，力爭取得「從0到1」的基礎理論突破。

在關鍵技術方面，加強上中下遊聯合攻關和技術集成創新，突破混合菌株高密度發酵、固氮菌微膠囊、種子包衣等「卡脖子」 關鍵技術瓶頸。

在生產應用方面，力爭研製新一代生物固氮產品，開展田間示範應用，為農業微生物產業和綠色農業發展提供重要技術支撐。

該任務分解了三個階段的目標。生物固氮1.0版3~5年近期目標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化學氮肥25%；2.0版10年中期目標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，減少化學氮肥用量50%；3.0版本20年遠期目標是探索作物自主固氮的新途徑，大幅度減少或完全替代化學氮肥。

張先恩對設定三個階段目標的做法表示肯定。

北京師範大學教授王英典也強調，農業要想做成大的項目，工程類思想更具有現實意義。該項目已根據工程思維劃分了不同階段的技術目標，這是非常必要和重要的。

北京大學教授王憶平建議，要考慮作物和固氮菌之間的匹配關係，以及氣候對固氮效果的影響，從中找到突破口。

張先恩則非常認同該項目引入分子進化、基因組學多組學平臺，來研究生物固氮這個複雜體系的設想。

 

《中國科學報》 (2020-06-30 第3版 農業科技)

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