美科学家重大发现：让植物从空气中吸收氮

　　给植物施氮肥的最高境界是什么？说出来你一定同意：那就是培育植物直接从空气中吸收氮。这无疑将是对农业和环境的巨大福音，当然也是多少科学家心中的夙愿。

　　众所周知，氮是植物的一种重要营养物质，植物的生长少不了它。而尽管地球大气层约78%是氮气，但只有极少数的豆科植物具有固氮细菌，能通过一个固氮过程利用这份取之不尽的天然资源。而绝大多数的植物只能通过自己的根系吸收养分，由于土壤中常常缺乏氮元素，我们就不得不在农田里施放人造肥料。

　　美国华盛顿大学圣路易斯分校（WUSTL）的研究人员最近好像找到了一点让空气为植物施肥的门路，他们借助基因工程，设计出了能从空气中有效吸收氮的细菌，而长期目标则是培育出能“自我施肥”的作物。

　　在提升植物固氮功能的研究中，科学家最近尝试过对大豆植株进行基因工程，让其产生更多的含氮蛋白质，这些蛋白质使植物生长旺盛；也试过另一种技术，就是将固氮细菌转移到种子，这种方法可能用于几乎任何植物。

　

Himadri Pakrasi (left), led a team of researchers that has created a bacteria that uses photosynthesis to create oxygen during the day, and at night, uses nitrogen to create chlorophyll for photosynthesis. The team included Michelle Liberton (second from left), Deng Liu and Maitrayee Bhattacharyya-Pakrasi. (Photo: Joe Angeles/Washington University)

　

    WUSTL的新研究由希玛德里·帕克拉斯教授（图中左一）带领，同样也聚焦于固氮细菌。他们着手从蓝藻细菌（cyanobacteria）中分离固氮相关的基因，在这个过程中注意到一种“蓝杆藻”(Cyanothece )，它是自然界少有的能利用昼夜节律的物种，它们在白天进行光合作用，而在夜间则利用氮创造用于光合作用的叶绿素，完成固氮。

　　研究小组首先确定了蓝杆藻中哪些基因负责这一昼夜节律的生物钟，再将这些基因拼接到另一种蓝藻属植物——集胞藻(Synechocystis)中，希望能观察到后者获得固氮的能力。结果，还真是如此。

　　团队的做法包括，去除光合作用产生的氧（因为这会干扰固氮），给蓝藻集胞藻加入负责这一昼夜节律的35个基因。这时，蓝藻集胞藻显现出固氮的能力，而“产量”大约只是蓝杆藻固氮的2%，不算很好。

　　但后来的故事变得非常有趣。项目主要完成人之一的博士后研究员刘登试着在加入的基因中减少一些，结果是集胞藻的固氮效果反而提升了。在一次实验中，刘登只给集胞藻移植24个新基因，而它的固氮率却提高到蓝杆藻固氮的30%以上。也就是说，徒弟的“武功”达到了师傅的三成。

　　“我必须说，这一成就超出我们的预料，”首席研究员帕克拉斯教授说，“这意味着我们的基因工程计划是可行的。”

　　这些研究成果让团队向其目标——找到基因工程方法来固氮——迈出了一大步。如果植物自身能从空气中固氮，就能增加农作物产量，减少肥料需求，不仅省了钱，也能避免肥料进入自然水道可能对环境产生的危害。因此有专家认为这一发现可能会对农业和地球的健康产生革命性的影响。

　　他们的研究发表在mBio杂志上。小云（图：WUSTL）　　

ABSTRACT Biological nitrogen fixation is catalyzed by nitrogenase, a complex metalloenzymefound only in prokaryotes. N2 fixation is energetically highly expensive, and anenergy-generating process such as photosynthesis can meet the energy demand of N2fixation. However, synthesis and expression of nitrogenase are exquisitely sensitive tothe presence of oxygen. Thus, engineering nitrogen fixation activity in photosyntheticorganisms that produce oxygen is challenging. Cyanobacteria are oxygenic photosyntheticprokaryotes, and some of them also fix N2. Here, we demonstrate a feasible wayto engineer nitrogenase activity in the nondiazotrophic cyanobacterium Synechocystis sp.PCC 6803 through the transfer of 35 nitrogen fixation (nif) genes from the diazotrophiccyanobacterium Cyanothece sp. ATCC 51142. In addition, we have identified the minimalnif cluster required for such activity in Synechocystis 6803. Moreover, nitrogenase activitywas significantly improved by increasing the expression levels of nif genes. Importantly,the O2 tolerance of nitrogenase was enhanced by introduction of uptake hydrogenasegenes, showing this to be a functional way to improve nitrogenase enzyme activity undermicro-oxic conditions. To date, our efforts have resulted in engineered Synechocystis6803 strains that, remarkably, have more than 30% of the N2 fixation activity of Cyanothece51142, the highest such activity established in any nondiazotrophic oxygenic photosyntheticorganism. This report establishes a baseline for the ultimate goal of engineeringnitrogen fixation ability in crop plants.

来源：https://source.wustl.edu/2018/07/researchers-engineer-bacteria-that-create-fertilizer-out-of-thin-air/