上海科学家揭开生物固氮的世纪谜题 化学氮肥或将被取代

人们未来洒在农田里的肥料，可能不是化肥，而是共生根瘤菌。

12月9日，澎湃新闻从中国科学院分子植物科学卓越创新中心获悉，该中心王二涛研究员带领的研究团队刻苦攻关八年，揭开已悬了132年的世纪谜题。这一最新研究成果有望写进教科书，并为农业增产、农民增收和环境保护方面作出巨大贡献。10日零时在国际顶尖学术期刊《自然》（Nature）在线发表的这一最新发现，将为生物固氮研究领域指明新的方向。

根瘤

根瘤

这是四年内，该研究团队再次取得类似重大突破。2017年6月8日，他们在另一国际顶尖学术期刊《科学》（Science）上发表论文，报道了水稻、玉米、小麦等农作物根部共生真菌的代谢秘密，颠覆了人们此前的认知。这一发现，有望应用在对抗病原真菌或真菌病害上。

肥料是农业增产的重要手段之一，比如有机肥和大量使用的、化工厂合成的无机化肥。在各种化肥中，氮肥占了相当大比重。

国家统计局官网显示，2019年，中国农用氮肥施用折纯量达1930.21万吨。这些在工厂里化学合成的氮肥，生产过程耗资巨大，对环境造成污染，在利用过程大量流失或挥发。

但实际上，一些生物会自己生产氮肥，自然界也存在“自我施肥”（自己给自己施肥）的植物，它们自建“化肥厂”。比如大豆等豆科植物，它们和细菌互利共生固氮，自施氮肥，除了“自给自足”，还有“盈余”。种大豆，相当于肥了田。

人类一直想弄清楚豆科植物能“自建化肥厂”秘密，想提高它们生产氮肥的效率，想让水稻、玉米、小麦也学会“自建化肥厂”的本领。

132年前，1888年，在前人大量工作的基础上，德国科学家发表论文，宣布是细菌生产了氮肥，然后送给了大豆。而大豆给这些细菌提供食物。

自然界能够与细菌共生固氮的植物只局限在豆目、蔷薇目、葫芦目和壳斗目中。

但为什么前述过程可以发生，为什么大豆根部可以产生一个个粉红色膨大囊状的瘤状物，细菌在这里生产氮肥？

一个多世纪过去，作为生物固氮领域内研究的焦点问题，无数人想要揭开这一秘密，以便将来开发成施肥技术并加以推广应用，但无果而终。

王二涛研究员。受访者供图

王二涛研究团队最新发表的论文打开了一扇门。

人们已经发现很多种能够固氮、生产氮肥的细菌，但只有定植到大豆等作物的根部，并住到膨大的、粉红色的宫殿样的囊状结构——根瘤里，它们才可以高效率地生产氮肥。

什么东西促成了粉红色宫殿的建成？

王二涛告诉澎湃新闻，他认为，之所以他们团队能率先突破，是因为他们有一个大胆的假设：既然只有豆科植物等少数几种植物能够天然地与细菌形成粉红色的囊，那么，这些植物根部皮层细胞应该是特化的，换句话说，这些皮层细胞的命运不同于其他植物根部表皮细胞的命运。

他们花费了很大气力，筛选了前述根中几乎所有重要的转录因子，与非豆科植物根部皮层细胞内同类转录因子的表达情况进行比较。经过大量的鉴定和计算，他们在五十多个基因里选定了一个——SCR基因。这给他们带来了好运。

后续研究中，他们发现了与SCR基因配合的另一种关键转录因子SHR。后者居然不是在表皮细胞中表达的，而是别的地方生产出来后，运送过来的。王二涛告诉澎湃新闻，更奇妙的是，他们发现非豆科植物也有SHR，但因为蛋白上有所不同，竟然无法被运送、被移动，进而无法形成根瘤。

无数出人意料的发现，背后是刻苦地努力和不断地尝试。原本在植物干细胞中表达的SHR-SCR模块竟然是建造细菌氮肥工厂的“粉红色厂房”的重要秘密。

这一技术终于可以复制了。研究人员发现，利用前述基因模块，非豆科植物皮层细胞也可以具有分裂的潜能。

筑巢引凤，厂房已经有了，但生产氮肥的根瘤菌会在这里住得开心吗？会在这里高效地生产氮肥吗？王二涛表示，目前仅建成了“厂房”，未来将着力解决识别等问题，争取让生产氮肥的根瘤菌早日住进去，开始工作，为农业生产的可持续发展提供新思路。

现在是氮肥，那么，钾肥等其他化肥呢？人们充满想象，未来可期。(本文来自澎湃新闻，更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)

新闻推荐

这条全球唯一的生产线在上海开工 生产新能源车关键基础材料

2020年12月8日上午，宝钢股份无取向硅钢产品结构优化项目开工。“友爱的宝武”微信公众号图澎湃新闻记者从上海宝山区获悉，1...