【澎湃新聞】上?？茖W家揭開生物固氮的世紀謎題，化學氮肥或將被取代
文章來源：分子植物科學卓越創(chuàng)新中心 | 發(fā)布時間：2020-12-10 | 【打印】 【關閉】
人們未來灑在農(nóng)田里的肥料，可能不是化肥，而是共生根瘤菌。
12月9日，澎湃新聞（www.thepaper.cn）從中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心獲悉，該中心王二濤研究員帶領的研究團隊刻苦攻關八年，揭開已懸了132年的世紀謎題。這一最新研究成果有望寫進教科書，并為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收和環(huán)境保護方面作出巨大貢獻。10日零時在國際頂尖學術期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表的這一最新發(fā)現(xiàn)，將為生物固氮研究領域指明新的方向。
這是四年內(nèi)，該研究團隊再次取得類似重大突破。2017年6月8日，他們在另一國際頂尖學術期刊《科學》（Science）上發(fā)表論文，報道了水稻、玉米、小麥等農(nóng)作物根部共生真菌的代謝秘密，顛覆了人們此前的認知。這一發(fā)現(xiàn)，有望應用在對抗病原真菌或真菌病害上。
肥料是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的重要手段之一，比如有機肥和大量使用的、化工廠合成的無機化肥。在各種化肥中，氮肥占了相當大比重。
國家統(tǒng)計局官網(wǎng)顯示，2019年，中國農(nóng)用氮肥施用折純量達1930.21萬噸。這些在工廠里化學合成的氮肥，生產(chǎn)過程耗資巨大，對環(huán)境造成污染，在利用過程大量流失或揮發(fā)。
但實際上，一些生物會自己生產(chǎn)氮肥，自然界也存在“自我施肥”（自己給自己施肥）的植物，它們自建“化肥廠”。比如大豆等豆科植物，它們和細菌互利共生固氮，自施氮肥，除了“自給自足”，還有“盈余”。種大豆，相當于肥了田。
人類一直想弄清楚豆科植物能“自建化肥廠”秘密，想提高它們生產(chǎn)氮肥的效率，想讓水稻、玉米、小麥也學會“自建化肥廠”的本領。
132年前，1888年，在前人大量工作的基礎上，德國科學家發(fā)表論文，宣布是細菌生產(chǎn)了氮肥，然后送給了大豆。而大豆給這些細菌提供食物。
自然界能夠與細菌共生固氮的植物只局限在豆目、薔薇目、葫蘆目和殼斗目中。
但為什么前述過程可以發(fā)生，為什么大豆根部可以產(chǎn)生一個個粉紅色膨大囊狀的瘤狀物，細菌在這里生產(chǎn)氮肥？
一個多世紀過去，作為生物固氮領域內(nèi)研究的焦點問題，無數(shù)人想要揭開這一秘密，以便將來開發(fā)成施肥技術并加以推廣應用，但無果而終。
王二濤研究團隊最新發(fā)表的論文打開了一扇門。
人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多種能夠固氮、生產(chǎn)氮肥的細菌，但只有定植到大豆等作物的根部，并住到膨大的、粉紅色的宮殿樣的囊狀結構——根瘤里，它們才可以高效率地生產(chǎn)氮肥。
什么東西促成了粉紅色宮殿的建成？
王二濤告訴澎湃新聞（www.thepaper.cn），他認為，之所以他們團隊能率先突破，是因為他們有一個大膽的假設：既然只有豆科植物等少數(shù)幾種植物能夠天然地與細菌形成粉紅色的囊，那么，這些植物根部皮層細胞應該是特化的，換句話說，這些皮層細胞的命運不同于其他植物根部表皮細胞的命運。
他們花費了很大氣力，篩選了前述根中幾乎所有重要的轉錄因子，與非豆科植物根部皮層細胞內(nèi)同類轉錄因子的表達情況進行比較。經(jīng)過大量的鑒定和計算，他們在五十多個基因里選定了一個——SCR基因。這給他們帶來了好運。
后續(xù)研究中，他們發(fā)現(xiàn)了與SCR基因配合的另一種關鍵轉錄因子SHR。后者居然不是在表皮細胞中表達的，而是別的地方生產(chǎn)出來后，運送過來的。王二濤告訴澎湃新聞，更奇妙的是，他們發(fā)現(xiàn)非豆科植物也有SHR，但因為蛋白上有所不同，竟然無法被運送、被移動，進而無法形成根瘤。
無數(shù)出人意料的發(fā)現(xiàn)，背后是刻苦地努力和不斷地嘗試。原本在植物干細胞中表達的SHR-SCR模塊竟然是建造細菌氮肥工廠的“粉紅色廠房”的重要秘密。
這一技術終于可以復制了。研究人員發(fā)現(xiàn)，利用前述基因模塊，非豆科植物皮層細胞也可以具有分裂的潛能。
筑巢引鳳，廠房已經(jīng)有了，但生產(chǎn)氮肥的根瘤菌會在這里住得開心嗎？會在這里高效地生產(chǎn)氮肥嗎？王二濤表示，目前僅建成了“廠房”，未來將著力解決識別等問題，爭取讓生產(chǎn)氮肥的根瘤菌早日住進去，開始工作，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供新思路。
現(xiàn)在是氮肥，那么，鉀肥等其他化肥呢？人們充滿想象，未來可期。
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