氮素是構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要成分和植物生長(zhǎng)所需的大量元素，也是確保農(nóng)業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的三大營(yíng)養(yǎng)元素之一。氮素是地球上*豐富的化學(xué)元素，但主要以惰性氣體的形式存在于大氣之中，無(wú)法被作物直接利用，供其生長(zhǎng)所需。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大量使用的氮肥主要來(lái)自于工業(yè)合成氨。

那么我們知道在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)里面，要想實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的增產(chǎn)增收，就必須使用化肥，在世界各國(guó)都是這樣。那么化肥主要有氮、磷、鉀三種，而氮肥是這三種肥料里面應(yīng)用*多、需求*大的。但是由于氮肥的過(guò)量、不合理的使用，造成了土壤退化、環(huán)境污染以及食品**等重大的問(wèn)題。那么在我國(guó)面臨的形勢(shì)尤為嚴(yán)峻，已經(jīng)成為保障我國(guó)糧食**和生態(tài)**的重要障礙。那么鑒于此呢，我們國(guó)家也在調(diào)整如何能夠減少化肥的使用。

中國(guó)是世界上*大的氮肥生產(chǎn)和使用國(guó)，在占世界7%的耕地上消耗了全世界30%以上的氮肥。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年我國(guó)化肥施用達(dá)到了2220.6萬(wàn)噸，使用量占到世界總量的35%，平均單位耕地面積使用量達(dá)到了434.3kg/公頃，是美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家認(rèn)定的225公斤/公頃**上限的近兩倍。導(dǎo)致我國(guó)氮肥過(guò)度使用的一個(gè)重要原因是我國(guó)農(nóng)作物氮肥利用效率普遍不高，據(jù)統(tǒng)計(jì)目前我國(guó)氮肥利用率平均只有35%左右，而發(fā)達(dá)國(guó)家高達(dá)60%。2015年我國(guó)制定了《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》，明確提出到2025年，在保證主要農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)上，提出化學(xué)肥料減施20%。

生物固氮是指自然界里面某些原核微生物在常溫常壓下利用自身的固氮酶系統(tǒng)，將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)變?yōu)榘惫┲参锷L(zhǎng)，那么這個(gè)現(xiàn)象叫生物固氮，這類(lèi)微生物叫固氮微生物。從1888年德國(guó)微生物學(xué)家**證實(shí)豆科植物有固氮能力至今，生物固氮的研究已經(jīng)有一百多年的歷史。

據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，地球上結(jié)合態(tài)的氮總量有70%來(lái)源于生物固氮，每年全球微生物固定的氮素可達(dá)兩億噸，約占全球作物需氮量的四分之三，相當(dāng)于工業(yè)生產(chǎn)氮肥的三倍多。通過(guò)生物固氮為農(nóng)作物提供氮源、提高產(chǎn)量、降低化肥用量、減少生產(chǎn)成本，是*節(jié)能、環(huán)保、生態(tài)友好的氮素供應(yīng)方式。

根據(jù)與宿主植物的關(guān)系，生物固氮可以分為共生結(jié)瘤固氮和根際聯(lián)合固氮等類(lèi)型。談起生物固氮，大家*直觀的是大豆、花生、苜蓿等作物根際的根瘤。此外，自然界中能夠進(jìn)行固氮的微生物有很多種，比如在水稻、玉米、小麥、甘蔗等非豆科作物的根際也分離和鑒定了大量的固氮菌株。那么這些固氮微生物在與宿主長(zhǎng)期的這種進(jìn)化過(guò)程中，建立了互惠互利的共生關(guān)系。固氮微生物可以為宿主提供氮源，而固氮微生物可以利用宿主植物的根際分泌物，做為碳源生長(zhǎng)，而固氮微生物固定的氮素可以提供給植物生長(zhǎng)所需。

前面談到生物固氮如此重要，但是為什么在農(nóng)業(yè)中沒(méi)有得到大量的應(yīng)用呢？主要原因是生物固氮有天然的缺陷，比如豆科植物的結(jié)瘤固氮。它這個(gè)植物**于在豆科植物之間，它的這個(gè)宿主范圍非常有限。而非豆科植物的根際聯(lián)合固氮，由于它這個(gè)植物與固氮微生物的關(guān)系相對(duì)松散，非常容易受到外界的一些因素的影響，導(dǎo)致它的固氮效率不高，固氮活性很低下，嚴(yán)重影響了它在農(nóng)業(yè)里面的應(yīng)用，所以迫切需要我們采用一些新的技術(shù)和方法來(lái)對(duì)固氮微生物進(jìn)行改造，然后提高它的固氮能力和固氮效率。如何提高固氮效率，擴(kuò)大根瘤菌共生固氮的宿主范圍，實(shí)現(xiàn)主要農(nóng)作物，如水稻等禾本科作物的自主固氮，從而部分或者完全替代工業(yè)氮肥是當(dāng)前生物固氮研究的前沿，也是一個(gè)世界性的農(nóng)業(yè)科技難題。

那么既然聯(lián)合固氮菌有這么多的這種缺點(diǎn)，那么我們?nèi)绾尾捎煤铣缮飳W(xué)的角度來(lái)改造它，從而實(shí)現(xiàn)非豆科作物的節(jié)肥增產(chǎn)呢？我覺(jué)得我們主要通過(guò)這幾個(gè)點(diǎn)：**我們要從聯(lián)合固氮菌的這種代謝調(diào)控的關(guān)鍵靶標(biāo)出發(fā)，然后設(shè)計(jì)可以對(duì)環(huán)境里面這些限制因素，不敏感的這種菌株，比方說(shuō)它可以實(shí)現(xiàn)這種耐氨，對(duì)環(huán)境里面那種高濃度的氨不太敏感，它即使在高濃度氮存在的情況下也繼續(xù)固氮；還有一個(gè)就是可以改造它的這種氨的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)它將自己固定的這種氨及時(shí)的分泌到體外，然后使得植物能夠及時(shí)的獲取，這樣的話就能夠建立一種新型的這種高效的聯(lián)合固氮體系。同時(shí)我們也要改造這種植物，使得植物能夠相比較于微生物以及其他的生物，更強(qiáng)能力地獲取這種氨。

合成生物學(xué)是本世紀(jì)初興起，并被譽(yù)為可以改變世界的十大高技術(shù)之一，在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用潛力巨大。那么合成生物技術(shù)采用工程化的設(shè)計(jì)理念，對(duì)生物體進(jìn)行有目標(biāo)的設(shè)計(jì)、改造、重新合成，甚至創(chuàng)造賦予非自然功能的人造生命。合成生物學(xué)為生物固氮等世界性農(nóng)業(yè)難題的解決，提供了**性的解決方案。合成生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)科研中具有廣闊的應(yīng)用空間，理論上我們可以將碳四光合途徑導(dǎo)入到碳三水稻中，研發(fā)高光合效率的水稻，將固氮酶系統(tǒng)導(dǎo)入到高等植物中，研發(fā)自主固氮的作物。同時(shí)我們也可以開(kāi)發(fā)，包括人造合成肉以及人工牛奶等未來(lái)食品。

當(dāng)前，國(guó)際固氮合成生物學(xué)研究發(fā)展迅猛。目前國(guó)際上聚焦如下三種技術(shù)路線：一是人工改造根際固氮微生物及其宿主植物，構(gòu)建高效根際聯(lián)合固氮體系。二是擴(kuò)大根瘤菌的寄主范圍，構(gòu)建非豆科作物結(jié)瘤固氮體系。三是人工設(shè)計(jì)*簡(jiǎn)固氮裝置，創(chuàng)建作物自主固氮體系。

國(guó)際上多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)圍繞擴(kuò)大共生結(jié)瘤宿主范圍，人工構(gòu)建非豆科作物結(jié)瘤固氮體系開(kāi)展研究，取得重要進(jìn)展。2011年比爾蓋茨基金會(huì)資助歐盟的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展人工構(gòu)建非豆科作物結(jié)瘤固氮體系研究。**目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)非豆科碳四作物玉米結(jié)瘤固氮，并應(yīng)用于常年受干旱脅迫的非洲。美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)，在大腸桿菌底盤(pán)中實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)酸克氏桿菌鉬鐵固氮酶系統(tǒng)的從頭設(shè)計(jì)。英國(guó)劍橋大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)借助菌根共生體系的信號(hào)通路，在非豆科植物體內(nèi)，搭建了可以響應(yīng)根瘤菌共生信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。丹麥奧爾胡斯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，鑒定了豆科植物識(shí)別根瘤菌結(jié)瘤因子受體，并且通過(guò)異源表達(dá)結(jié)瘤因子受體，擴(kuò)大了根瘤菌的宿主范圍。那么以上相關(guān)研究為構(gòu)建人工結(jié)瘤固氮體系奠定了重要的工作基礎(chǔ)。

那么合成生物學(xué)的研究主要有三個(gè)層面：**個(gè)是可以利用我們目前已經(jīng)研究的非常透徹的天然基因模塊，來(lái)構(gòu)建新的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并表現(xiàn)出一些新的功能。還有一種就是采用從頭合成的方法，人工合成基因組DNA。那么合成生物學(xué)的***的一個(gè)研究層面就是采用人工創(chuàng)制全新的生命系統(tǒng)乃至生命體，目前合成生物學(xué)研究取得了非常重要的突破。

合成生物學(xué)研究有幾大里程碑式的成果。那么2010年美國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)**合成了人造生命，辛西婭的1.0版本，在2016年又合成了具有*簡(jiǎn)基因組的人造生命辛西婭的3.0版本，那么人造生命達(dá)到了新的里程碑。還有一個(gè)成果就是由我國(guó)科學(xué)家參與完成的酵母基因組的合成，更是將合成生物學(xué)研究推向了新的高度。

我們實(shí)驗(yàn)室主要是圍繞這個(gè)水稻根際分離到的一株聯(lián)合固氮菌，實(shí)施簡(jiǎn)單包菌開(kāi)展工作。那么在長(zhǎng)達(dá)三十多年的研究過(guò)程中，我們已經(jīng)相繼完成了該菌的全基因組測(cè)序以及轉(zhuǎn)錄組分析，功能基因組分析，對(duì)于該菌的基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)有了深度的解析。那么在此基礎(chǔ)上，我們挖掘了一系列參與固氮調(diào)控的基因模塊和原件。那么在此基礎(chǔ)上，我們也合成了具有耐氨密氨能力的工程菌株，具有重要的農(nóng)業(yè)應(yīng)用前景。那么接下來(lái)我們想采用合成生物學(xué)，構(gòu)建高效的聯(lián)合固氮體系，主要的出發(fā)點(diǎn)在于我們要人工設(shè)計(jì)能夠耐氨密氨的功能模塊，使這個(gè)固氮菌能夠在高濃度氨存在的情況下，保持高的固氮活性，同時(shí)將分泌的氮素分泌到體外供給植物。同時(shí)我們從植物的角度，賦予植物更高的這種氨的吸收能力，也就是搶氨模塊，從而在這個(gè)基礎(chǔ)上采用植物和微生物的這種模塊之間的這種組合，構(gòu)建高效聯(lián)合固氮體系，從而實(shí)現(xiàn)水稻地節(jié)肥增產(chǎn)。

我們國(guó)家的生物固氮研究目前在國(guó)際上我認(rèn)為應(yīng)該是處于**陣營(yíng)，而且部分研究成果應(yīng)該是處于國(guó)際**，先后于2005年、2019年在我國(guó)舉辦國(guó)際固氮大會(huì)，并且2014年舉辦亞洲固氮大會(huì)以及國(guó)際非豆科固氮會(huì)議。通過(guò)這些會(huì)議的舉辦顯示了我們國(guó)家在生物固氮領(lǐng)域的這種地位和水平，也得到了國(guó)際的認(rèn)可。北京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)**實(shí)現(xiàn)了將原本18個(gè)基因的固氮酶基因簇簡(jiǎn)化為只有五個(gè)巨型基因的基因簇，那么同時(shí)在這個(gè)大腸桿菌底盤(pán)中，測(cè)試了極簡(jiǎn)固氮酶基因簇，與來(lái)自于植物的電子傳遞鏈之間的這種功能匹配性，將固氮酶系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到真核生物里面，實(shí)現(xiàn)真核自主固氮這個(gè)研究邁出了重要的一步，是一個(gè)里程碑的成果。在2020年*新的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)可以在這個(gè)真核生物酵母中穩(wěn)定表達(dá)固氮酶的重要組分，那么這個(gè)研究為進(jìn)一步推進(jìn)真核生物的自主固氮邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

經(jīng)過(guò)數(shù)十年幾代科學(xué)家的努力，中國(guó)生物固氮研究取得了世界矚目的成績(jī)，為其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)生物固氮及農(nóng)業(yè)應(yīng)用將分三個(gè)階段開(kāi)展聯(lián)合攻關(guān)研究，分階段的戰(zhàn)略目標(biāo)如下：3-5年的近期目標(biāo)，即生物固氮1.0版，是克服天然固氮體系缺陷，創(chuàng)制新一代高效根際固氮微生物產(chǎn)品，在田間示范條件下替代化學(xué)氮肥25%；10年的中期目標(biāo)，即生物固氮2.0版，是擴(kuò)大根瘤菌宿主范圍，構(gòu)建非豆科作物結(jié)瘤固氮的新體系，在確保產(chǎn)量的同時(shí)減少化學(xué)氮肥用量50%；15年的遠(yuǎn)期目標(biāo)，即生物固氮3.0版，是探索作物自主固氮的新途徑，在確保產(chǎn)量的同時(shí)大幅度減少甚至完全替代化學(xué)氮肥。

生物固氮研究是一個(gè)世界性的難題，那么對(duì)我們來(lái)講是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。相信在未來(lái)，隨著這個(gè)合成生物技術(shù)的**下，我們能夠取得進(jìn)一步的這種研究進(jìn)展，那么一經(jīng)實(shí)現(xiàn)必將為我國(guó)未來(lái)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收，**增效，綠色發(fā)展作出重大貢獻(xiàn)。

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