江苏龙网

  1. 首页 > 资讯 > >

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？( 二 )


国际上多个研究团队围绕扩大共生结瘤宿主范围，人工构建非豆科作物结瘤固氮体系开展研究，取得重要进展 。2011年比尔盖茨基金会资助欧盟的一个研究团队，开展人工构建非豆科作物结瘤固氮体系研究 。终极目标是实现非豆科碳四作物玉米结瘤固氮，并应用于常年受干旱胁迫的非洲 。美国麻省理工学院的研究团队，在大肠杆菌底盘中实现了产酸克氏杆菌钼铁固氮酶系统的从头设计 。英国剑桥大学的研究团队借助菌根共生体系的信号通路，在非豆科植物体内，搭建了可以响应根瘤菌共生信号转导途径 。丹麦奥尔胡斯大学的研究团队，鉴定了豆科植物识别根瘤菌结瘤因子受体，并且通过异源表达结瘤因子受体，扩大了根瘤菌的宿主范围 。那么以上相关研究为构建人工结瘤固氮体系奠定了重要的工作基础 。
那么合成生物学的研究主要有三个层面：第一个是可以利用我们目前已经研究的非常透彻的天然基因模块，来构建新的调控网络，并表现出一些新的功能 。还有一种就是采用从头合成的方法，人工合成基因组DNA 。那么合成生物学的最高级的一个研究层面就是采用人工创制全新的生命系统乃至生命体，目前合成生物学研究取得了非常重要的突破 。
合成生物学研究有几大里程碑式的成果 。那么2010年美国的研究团队首次合成了人造生命，辛西娅的1.0版本，在2016年又合成了具有最简基因组的人造生命辛西娅的3.0版本，那么人造生命达到了新的里程碑 。还有一个成果就是由我国科学家参与完成的酵母基因组的合成，更是将合成生物学研究推向了新的高度 。
我们实验室主要是围绕这个水稻根际分离到的一株联合固氮菌，实施简单包菌开展工作 。那么在长达三十多年的研究过程中，我们已经相继完成了该菌的全基因组测序以及转录组分析，功能基因组分析，对于该菌的基因表达调控网络有了深度的解析 。那么在此基础上，我们挖掘了一系列参与固氮调控的基因模块和原件 。那么在此基础上，我们也合成了具有耐氨密氨能力的工程菌株，具有重要的农业应用前景 。那么接下来我们想采用合成生物学，构建高效的联合固氮体系，主要的出发点在于我们要人工设计能够耐氨密氨的功能模块，使这个固氮菌能够在高浓度氨存在的情况下，保持高的固氮活性，同时将分泌的氮素分泌到体外供给植物 。同时我们从植物的角度，赋予植物更高的这种氨的吸收能力，也就是抢氨模块，从而在这个基础上采用植物和微生物的这种模块之间的这种组合，构建高效联合固氮体系，从而实现水稻地节肥增产 。
我们国家的生物固氮研究目前在国际上我认为应该是处于第一阵营，而且部分研究成果应该是处于国际领先，先后于2005年、2019年在我国举办国际固氮大会，并且2014年举办亚洲固氮大会以及国际非豆科固氮会议 。通过这些会议的举办显示了我们国家在生物固氮领域的这种地位和水平，也得到了国际的认可 。北京大学的研究团队首次实现了将原本18个基因的固氮酶基因簇简化为只有五个巨型基因的基因簇，那么同时在这个大肠杆菌底盘中，测试了极简固氮酶基因簇，与来自于植物的电子传递链之间的这种功能匹配性，将固氮酶系统转移到真核生物里面，实现真核自主固氮这个研究迈出了重要的一步，是一个里程碑的成果 。在2020年最新的研究中，研究人员发现可以在这个真核生物酵母中稳定表达固氮酶的重要组分，那么这个研究为进一步推进真核生物的自主固氮迈出了坚实的一步 。
经过数十年几代科学家的努力，中国生物固氮研究取得了世界瞩目的成绩，为其在农业生产中应用奠定了重要基础 。在今后相当长一段时间内，我国生物固氮及农业应用将分三个阶段开展联合攻关研究，分阶段的战略目标如下：3-5年的近期目标，即生物固氮1.0版，是克服天然固氮体系缺陷，创制新一代高效根际固氮微生物产品，在田间示范条件下替代化学氮肥25%；10年的中期目标，即生物固氮2.0版，是扩大根瘤菌宿主范围，构建非豆科作物结瘤固氮的新体系，在确保产量的同时减少化学氮肥用量50%；15年的远期目标，即生物固氮3.0版，是探索作物自主固氮的新途径，在确保产量的同时大幅度减少甚至完全替代化学氮肥 。
生物固氮研究是一个世界性的难题，那么对我们来讲是机遇也是挑战 。相信在未来，随着这个合成生物技术的引领下，我们能够取得进一步的这种研究进展，那么一经实现必将为我国未来农业增产增收，减肥增效，绿色发展作出重大贡献 。
监制：战钊薛爱红
策划：王友华 金赫
导演：金赫
【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？】科学顾问:燕永亮
[ 责编：赵清建 ]


推荐阅读


上一篇：抗生素|【基因智慧】护航食品安全 微生物工厂如何“智造”抗生素替代品？

下一篇：企业|严格监管危险品货物运输 南京栖霞区守好安全生产底线