[科普中国]-“超级”植物能从空气中“自制肥料”？减缓气候变暖，我们在行动

作者： Emma Bryce

编译：小蚕

地球大气中78%的组分是氮气。氮是农业肥料中促进作物生长的要素，同时也是植物光合作用最主要的成分。然而， 氮却是一把双刃剑。

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倘若无节制地向农田大量施肥，土壤中过量的氮经过微生物的硝化和反硝化作用，会转化为氧化亚氮等氮氧化物温室气体，危害地球环境。实际上，目前 农业生产占据了全球三分之一的温室气体排放量。

试想一下，如果我们能够对植物加以改造，使它们直接 从空气这个丰富的资源库获取氮元素，自制肥料，岂不是避开了由农田施肥而导致的温室气体排放问题？ 这个看似只有出现在科幻小说中的脑洞大开，最近却被一群来自华盛顿大学的科学家们搬进了现实。

固氮酶和氧气不可兼得焉？

植物生长需要氮，但植物本身并不能将大气中的氮据为己用。因而人们才需要施加外源氮肥来促进植物生长。

自然界中只有有限的一些细菌和古生菌才具备转化氮气的能力，比如与豆科植物共生的根瘤菌以及与红萍共生的蓝藻。 这种转化能力就像是微生物从大气中牢牢地将氮分子捕获，因此被称为“生物固氮”。

豆科植物的根瘤 。 图片来源：humboldtseeds.ne

红萍以及与其共生的蓝藻。图片来源：morning-earth.org生物固氮由微生物细胞内的固氮酶催化大气中的氮分子还原成氨。然而大气第二大组分氧气，却是固氮酶的致命毒剂——它能够造成固氮酶的不可逆失活。因此， 固氮反应必须在严格的厌氧微环境下进行。

人们一方面希望植物可以拥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赖的氧气却是固氮酶的抑制剂——如何让两者兼容，成为了让梦想照进现实的突破口。

固氮反应和光合作用并存的蓝杆藻

最近，华盛顿大学的研究人员在《mBio》杂志发表文章，向人们描述了突破这一问题的有力证据。

该研究的实验对象是自然界一种称为“蓝杆藻”的光合细菌。蓝杆藻的独特之处在于白天它和植物一样进行光合作用；而在晚上，待大多数光合作用所产生的氧气被高强度的呼吸作用消耗殆尽之后，细胞内开始启动固氮反应。因此 对于蓝杆藻，光合作用和生物固氮是两个独立并存的生理活动。

蓝杆藻。图片来源：cfb.unh.edu

为了确定蓝杆藻参与固氮反应的相关基因，研究人员便尝试着从它特殊的生物钟入手寻找蛛丝马迹，最终确定了一个包含35个基因的基因簇。

这些基因在夜晚活跃表达，而在白天趋于沉默， 相似的昼夜节律与蓝杆藻的固氮活动保持同步。

携带固氮特性的转基因集胞藻

那么，有可能将蓝杆藻的固氮特性转移给植物吗？研究人员打算先从集胞藻试水。集胞藻的基因组已被测序，它与蓝杆藻同属蓝藻，能够进行光合作用，但是无法发生固氮反应。

集胞藻。图片来源：protist.i.hosei.ac.jp

研究人员将35个基因全部转入集胞藻，成功检测到稳定的、相当于供体蓝杆藻2%的固氮活动。不过更让人兴奋的是，若移除部分基因，只转入其中的24个基因，该百分比竟飙升至30%。由此研究人员推测，或许可以通过转入不同的基因来调节细菌的固氮效率。

因此，科学家们认为，确定这一系列固氮相关基因的最佳组合将是未来研究工作的焦点。

不过仍需注意的是， 尽管拥有了一系列固氮相关基因，氧气依然是集胞藻从空气中固氮的最大克星。

无论如何，就目前而言，这项研究为将来可能把同样的固氮基因配置转入植物细胞提供了确凿有利的依据。

假如未来研究人员成功培育出了携带固氮特性的作物， 这些“超级”作物就能直接将大气中的氮转化为它们生长所需的肥料。

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植物自制肥料节能又环保

植物这种“就地取材、自给自足”的生产方式一方面节省肥料制造和生产中的巨大能耗， 消除向农田施肥后大量的温室气体排放。 另一方面，农民不再需要对作物施肥，从而避免了肥料被雨水冲刷后流向河流、湖泊和海洋而污染环境、威胁生物安全的问题。

也许就目前而言，这幅节能环保的景象还为时尚早。

文章的主要作者喜马拉帝·帕克拉西(Himradi Pakrasi)对理想中的未来这样憧憬：每一种作物都能自主固氮；农民不再需要对作物施加化学肥料，也就不会再有肥料被冲刷后带来的一系列问题。

假如将来有一天人类真的实现了让作物从空气中自制氮肥，全球八亿农民将从中受益。这会是人类农业生产的又一次重大变革。

编辑：卷卷

排版：卷卷

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翻译来源：anthropocenemagazine.org | What if plants could make their own fertilizer—from the air?