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固氮|【基因智慧】重构自然界天然氮肥厂 合成生物技术有何妙招？

氮素是构成蛋白质的主要成分和植物生长所需的大量元素，也是确保农业高产稳产的三大营养元素之一 。氮素是地球上最丰富的化学元素，但主要以惰性气体的形式存在于大气之中，无法被作物直接利用，供其生长所需 。农业生产大量使用的氮肥主要来自于工业合成氨 。
那么我们知道在农业生产里面，要想实现农作物的增产增收，就必须使用化肥，在世界各国都是这样 。那么化肥主要有氮、磷、钾三种，而氮肥是这三种肥料里面应用最多、需求最大的 。但是由于氮肥的过量、不合理的使用，造成了土壤退化、环境污染以及食品安全等重大的问题 。那么在我国面临的形势尤为严峻，已经成为保障我国粮食安全和生态安全的重要障碍 。那么鉴于此呢，我们国家也在调整如何能够减少化肥的使用 。
中国是世界上最大的氮肥生产和使用国，在占世界7%的耕地上消耗了全世界30%以上的氮肥 。据统计，2017年我国化肥施用达到了2220.6万吨，使用量占到世界总量的35%，平均单位耕地面积使用量达到了434.3kg/公顷，是美国等发达国家认定的225公斤/公顷安全上限的近两倍 。导致我国氮肥过度使用的一个重要原因是我国农作物氮肥利用效率普遍不高，据统计目前我国氮肥利用率平均只有35%左右，而发达国家高达60% 。2015年我国制定了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，明确提出到2025年，在保证主要农作物稳产的基础上，提出化学肥料减施20% 。
生物固氮是指自然界里面某些原核微生物在常温常压下利用自身的固氮酶系统，将空气中的氮气转变为氨供植物生长，那么这个现象叫生物固氮，这类微生物叫固氮微生物 。从1888年德国微生物学家首次证实豆科植物有固氮能力至今，生物固氮的研究已经有一百多年的历史 。
据联合国粮农组织统计，地球上结合态的氮总量有70%来源于生物固氮，每年全球微生物固定的氮素可达两亿吨，约占全球作物需氮量的四分之三，相当于工业生产氮肥的三倍多 。通过生物固氮为农作物提供氮源、提高产量、降低化肥用量、减少生产成本，是最节能、环保、生态友好的氮素供应方式 。
根据与宿主植物的关系，生物固氮可以分为共生结瘤固氮和根际联合固氮等类型 。谈起生物固氮，大家最直观的是大豆、花生、苜蓿等作物根际的根瘤 。此外，自然界中能够进行固氮的微生物有很多种，比如在水稻、玉米、小麦、甘蔗等非豆科作物的根际也分离和鉴定了大量的固氮菌株 。那么这些固氮微生物在与宿主长期的这种进化过程中，建立了互惠互利的共生关系 。固氮微生物可以为宿主提供氮源，而固氮微生物可以利用宿主植物的根际分泌物，做为碳源生长，而固氮微生物固定的氮素可以提供给植物生长所需 。
前面谈到生物固氮如此重要，但是为什么在农业中没有得到大量的应用呢？主要原因是生物固氮有天然的缺陷，比如豆科植物的结瘤固氮 。它这个植物仅限于在豆科植物之间，它的这个宿主范围非常有限 。而非豆科植物的根际联合固氮，由于它这个植物与固氮微生物的关系相对松散，非常容易受到外界的一些因素的影响，导致它的固氮效率不高，固氮活性很低下，严重影响了它在农业里面的应用，所以迫切需要我们采用一些新的技术和方法来对固氮微生物进行改造，然后提高它的固氮能力和固氮效率 。如何提高固氮效率，扩大根瘤菌共生固氮的宿主范围，实现主要农作物，如水稻等禾本科作物的自主固氮，从而部分或者完全替代工业氮肥是当前生物固氮研究的前沿，也是一个世界性的农业科技难题 。
那么既然联合固氮菌有这么多的这种缺点，那么我们如何采用合成生物学的角度来改造它，从而实现非豆科作物的节肥增产呢？我觉得我们主要通过这几个点：第一我们要从联合固氮菌的这种代谢调控的关键靶标出发，然后设计可以对环境里面这些限制因素，不敏感的这种菌株，比方说它可以实现这种耐氨，对环境里面那种高浓度的氨不太敏感，它即使在高浓度氮存在的情况下也继续固氮；还有一个就是可以改造它的这种氨的转运系统，可以实现它将自己固定的这种氨及时的分泌到体外，然后使得植物能够及时的获取，这样的话就能够建立一种新型的这种高效的联合固氮体系 。同时我们也要改造这种植物，使得植物能够相比较于微生物以及其他的生物，更强能力地获取这种氨 。
合成生物学是本世纪初兴起，并被誉为可以改变世界的十大高技术之一，在农业中应用潜力巨大 。那么合成生物技术采用工程化的设计理念，对生物体进行有目标的设计、改造、重新合成，甚至创造赋予非自然功能的人造生命 。合成生物学为生物固氮等世界性农业难题的解决，提供了革命性的解决方案 。合成生物技术在农业科研中具有广阔的应用空间，理论上我们可以将碳四光合途径导入到碳三水稻中，研发高光合效率的水稻，将固氮酶系统导入到高等植物中，研发自主固氮的作物 。同时我们也可以开发，包括人造合成肉以及人工牛奶等未来食品 。
当前，国际固氮合成生物学研究发展迅猛 。目前国际上聚焦如下三种技术路线：一是人工改造根际固氮微生物及其宿主植物，构建高效根际联合固氮体系 。二是扩大根瘤菌的寄主范围，构建非豆科作物结瘤固氮体系 。三是人工设计最简固氮装置，创建作物自主固氮体系 。


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