作者： Emma Bryce

編譯：小蠶

地球大氣中78%的組分是氮氣。氮是農(nóng)業(yè)肥料中促進作物生長的要素，同時也是植物光合作用最主要的成分。然而， 氮卻是一把雙刃劍。

圖片來源：pixabay.com

倘若無節(jié)制地向農(nóng)田大量施肥，土壤中過量的氮經(jīng)過微生物的硝化和反硝化作用，會轉(zhuǎn)化為氧化亞氮等氮氧化物溫室氣體，危害地球環(huán)境。實際上，目前 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)占據(jù)了全球三分之一的溫室氣體排放量。

試想一下，如果我們能夠?qū)χ参锛右愿脑欤顾鼈冎苯? 從空氣這個豐富的資源庫獲取氮元素，自制肥料，豈不是避開了由農(nóng)田施肥而導(dǎo)致的溫室氣體排放問題？ 這個看似只有出現(xiàn)在科幻小說中的腦洞大開，最近卻被一群來自華盛頓大學(xué)的科學(xué)家們搬進了現(xiàn)實。

固氮酶和氧氣不可兼得焉？

植物生長需要氮，但植物本身并不能將大氣中的氮據(jù)為己用。因而人們才需要施加外源氮肥來促進植物生長。

自然界中只有有限的一些細菌和古生菌才具備轉(zhuǎn)化氮氣的能力，比如與豆科植物共生的根瘤菌以及與紅萍共生的藍藻。 這種轉(zhuǎn)化能力就像是微生物從大氣中牢牢地將氮分子捕獲，因此被稱為“生物固氮”。

豆科植物的根瘤 。 圖片來源：humboldtseeds.ne

 

紅萍以及與其共生的藍藻。圖片來源：morning-earth.org

生物固氮由微生物細胞內(nèi)的固氮酶催化大氣中的氮分子還原成氨。然而大氣第二大組分氧氣，卻是固氮酶的致命毒劑——它能夠造成固氮酶的不可逆失活。因此， 固氮反應(yīng)必須在嚴格的厭氧微環(huán)境下進行。

人們一方面希望植物可以擁有生物固氮的能力自制肥料；而另一方面，植物生存和光合作用所依賴的氧氣卻是固氮酶的抑制劑——如何讓兩者兼容，成為了讓夢想照進現(xiàn)實的突破口。

固氮反應(yīng)和光合作用并存的藍桿藻

最近，華盛頓大學(xué)的研究人員在《mBio》雜志發(fā)表文章，向人們描述了突破這一問題的有力證據(jù)。

該研究的實驗對象是自然界一種稱為“藍桿藻”的光合細菌。藍桿藻的獨特之處在于白天它和植物一樣進行光合作用；而在晚上，待大多數(shù)光合作用所產(chǎn)生的氧氣被高強度的呼吸作用消耗殆盡之后，細胞內(nèi)開始啟動固氮反應(yīng)。因此 對于藍桿藻，光合作用和生物固氮是兩個獨立并存的生理活動。

藍桿藻。圖片來源：cfb.unh.edu

為了確定藍桿藻參與固氮反應(yīng)的相關(guān)基因，研究人員便嘗試著從它特殊的生物鐘入手尋找蛛絲馬跡，最終確定了一個包含35個基因的基因簇。

這些基因在夜晚活躍表達，而在白天趨于沉默， 相似的晝夜節(jié)律與藍桿藻的固氮活動保持同步。

攜帶固氮特性的轉(zhuǎn)基因集胞藻

那么，有可能將藍桿藻的固氮特性轉(zhuǎn)移給植物嗎？研究人員打算先從集胞藻試水。集胞藻的基因組已被測序，它與藍桿藻同屬藍藻，能夠進行光合作用，但是無法發(fā)生固氮反應(yīng)。

集胞藻。圖片來源：protist.i.hosei.ac.jp

研究人員將35個基因全部轉(zhuǎn)入集胞藻，成功檢測到穩(wěn)定的、相當(dāng)于供體藍桿藻2%的固氮活動。不過更讓人興奮的是，若移除部分基因，只轉(zhuǎn)入其中的24個基因，該百分比竟飆升至30%。由此研究人員推測，或許可以通過轉(zhuǎn)入不同的基因來調(diào)節(jié)細菌的固氮效率。

因此，科學(xué)家們認為，確定這一系列固氮相關(guān)基因的最佳組合將是未來研究工作的焦點。

不過仍需注意的是， 盡管擁有了一系列固氮相關(guān)基因，氧氣依然是集胞藻從空氣中固氮的最大克星。

無論如何，就目前而言，這項研究為將來可能把同樣的固氮基因配置轉(zhuǎn)入植物細胞提供了確鑿有利的依據(jù)。

假如未來研究人員成功培育出了攜帶固氮特性的作物， 這些“超級”作物就能直接將大氣中的氮轉(zhuǎn)化為它們生長所需的肥料。

圖片來源：MakeAGIF.com

植物自制肥料節(jié)能又環(huán)保

植物這種“就地取材、自給自足”的生產(chǎn)方式一方面節(jié)省肥料制造和生產(chǎn)中的巨大能耗， 消除向農(nóng)田施肥后大量的溫室氣體排放。 另一方面，農(nóng)民不再需要對作物施肥，從而避免了肥料被雨水沖刷后流向河流、湖泊和海洋而污染環(huán)境、威脅生物安全的問題。

也許就目前而言，這幅節(jié)能環(huán)保的景象還為時尚早。

文章的主要作者喜馬拉帝·帕克拉西(Himradi Pakrasi)對理想中的未來這樣憧憬：每一種作物都能自主固氮；農(nóng)民不再需要對作物施加化學(xué)肥料，也就不會再有肥料被沖刷后帶來的一系列問題。

假如將來有一天人類真的實現(xiàn)了讓作物從空氣中自制氮肥，全球八億農(nóng)民將從中受益。這會是人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的又一次重大變革。

 

編輯：卷卷

排版：卷卷

題圖來源：pixabay.com

翻譯來源：anthropocenemagazine.org | What if plants could make their own fertilizer—from the air?

 

 

“超級”植物能從空氣中“自制肥料”？減緩氣候變暖，我們在行動

圖文簡介

植物自制肥料節(jié)能又環(huán)保