《科學(xué)報(bào)告》的一項(xiàng)突破性研究展示了基因編輯微生物如何為農(nóng)戶提供新氮源

這一發(fā)現(xiàn)是現(xiàn)有首個(gè)同行評(píng)審證據(jù)，表明基因編輯微生物可在商業(yè)生產(chǎn)中為玉米農(nóng)戶提供顯著比例的氮源 

加利福尼亞州伯克利2024年12月10日 /美通社/ -- 今日發(fā)表于《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports）的同行評(píng)審研究介紹了一項(xiàng)可能徹底顛覆百年作物氮源供應(yīng)方式的新技術(shù)。 這項(xiàng)研究由威斯康星大學(xué)麥迪遜分校、普渡大學(xué)和可持續(xù)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)Pivot Bio的研究人員合作完成，首次提供了關(guān)于基因編輯如何增強(qiáng)微生物固定大氣氮的能力，并將其轉(zhuǎn)化為糧食作物氮源的突破性證據(jù)。

Pivot Bio的一位科研人員正在刮取玉米根部，以測(cè)量Pivot Bio產(chǎn)氮微生物的定殖情況。

通過(guò)使用同位素標(biāo)記氮?dú)?，研究人員成功追蹤到從空氣中進(jìn)入玉米葉片葉綠素的氮元素，最終證實(shí)這些氮元素是通過(guò)基因編輯微生物從空氣中固定的。 實(shí)地調(diào)查還顯示，這些微生物能夠固定并供應(yīng)相當(dāng)于每英畝40磅合成氮肥的氮量，同時(shí)確保作物產(chǎn)量與之相當(dāng)。

提高氮肥利用效率，始終是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域需要解決的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。 密歇根州立大學(xué)環(huán)境科學(xué)教授Bruno Basso博士（未參與該研究）指出：“核心問題在于，土壤、植物與大氣系統(tǒng)之間的相互作用極其復(fù)雜。” 不可預(yù)測(cè)的天氣使得養(yǎng)分供應(yīng)與作物需求之間的匹配充滿挑戰(zhàn)，難以精確估算作物所需的氮量，以及能否在土壤中有效保持養(yǎng)分。 他表示：“我的研究實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)多年來(lái)一直致力于幫助農(nóng)戶，借助先進(jìn)的傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)模型，幫助他們更好地了解農(nóng)田狀況，提高氮肥的利用效率，不僅提升收益，還能減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，諸如養(yǎng)分流失到地下水和溫室氣體排放到大氣中等問題?！?/p>

固氮菌是一類天然存在的特殊細(xì)菌，具有將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為銨離子的獨(dú)特能力，而銨離子正是構(gòu)成氨基酸和蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)元素。 這一過(guò)程被稱為“生物固氮”（BNF），在合成氮肥問世之前，數(shù)千年來(lái)一直是作物獲取氮素養(yǎng)分的主要途徑。

“當(dāng)原生土壤中的固氮菌長(zhǎng)期暴露在高濃度氮的土壤環(huán)境下，它們會(huì)逐漸喪失生物固氮能力。 這是它們?yōu)楣?jié)約能量所做的進(jìn)化性反應(yīng)，因?yàn)樯锕痰^(guò)程非常耗能，”該研究的合著者、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校細(xì)菌學(xué)與植物及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)教授Jean-Michel Ané博士表示。 “我們需要找到方法，讓這些細(xì)菌即使在氮含量較高的環(huán)境中，也能保持較高的生物固氮水平，比如施用了合成氮肥的土壤。”

Pivot Bio的研究人員通過(guò)非轉(zhuǎn)基因技術(shù)，開發(fā)了基因編輯微生物，使固氮菌即使在高氮濃度環(huán)境下也依然能持續(xù)為作物提供穩(wěn)定氮源。 “通過(guò)基因編輯，我們讓這種微生物無(wú)法感知周圍環(huán)境中的氮元素，從而使它們持續(xù)固定銨離子，并將其直接輸送到植物的根系，”Pivot Bio的首席創(chuàng)新官兼聯(lián)合創(chuàng)始人、論文合著者Karsten Temme博士表示。 “我們還進(jìn)行了其他基因編輯，以確保這些細(xì)菌將固定的氮傳遞給作物，而不僅僅保留給自己。”

該論文提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明這一過(guò)程在實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)田中得到了成功驗(yàn)證。 這篇論文也是首篇經(jīng)過(guò)同行評(píng)審的研究，詳細(xì)介紹了Pivot Bio推出的第二代商業(yè)化產(chǎn)品——PROVEN^® 40。該產(chǎn)品專為玉米作物設(shè)計(jì)，含有基因編輯固氮微生物。

“氮肥無(wú)疑是過(guò)去一個(gè)世紀(jì)最為重要的發(fā)明，在可預(yù)見的未來(lái)，它將繼續(xù)在全球發(fā)展和糧食安全領(lǐng)域發(fā)揮至關(guān)重要的作用。 然而，我們相信氮肥的使用方式可以更加優(yōu)化?！盩emme博士表示， “Pivot Bio的核心使命是通過(guò)基因編輯微生物提升氮肥的利用效率，進(jìn)而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，同時(shí)減少合成氮肥對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響?！?/p>

在實(shí)地研究中，研究人員通過(guò)一系列同位素實(shí)驗(yàn)再次驗(yàn)證了固氮過(guò)程。本次實(shí)驗(yàn)是在真實(shí)的環(huán)境條件下進(jìn)行，并對(duì)植物中的氮含量進(jìn)行了精準(zhǔn)量化。 研究人員還收集了農(nóng)戶提供的數(shù)百個(gè)樣本，這些農(nóng)戶將每英畝氮肥的施用量減少了35到40磅，并用Pivot Bio的PROVEN 40產(chǎn)品替代氮肥。 研究人員發(fā)現(xiàn)，平均而言，施用了PROVEN 40的植物在季節(jié)初期氮含量更高，而且，盡管施用的合成肥料較少，但對(duì)產(chǎn)量沒有產(chǎn)生任何負(fù)面影響。

Ané博士表示：“追蹤氮元素從空氣到微生物，再到植物的整個(gè)過(guò)程非常復(fù)雜。 我們依靠氮原子的同位素標(biāo)記，通過(guò)對(duì)比空氣與土壤中的氮元素來(lái)進(jìn)行精確分析?！?通過(guò)這些測(cè)量，研究人員在實(shí)驗(yàn)室中檢測(cè)到玉米葉片的葉綠素中含有同位素標(biāo)記的氮元素，這表明這些微生物將氮源供應(yīng)給了植物。

“這項(xiàng)大規(guī)模研究令人欣喜，因?yàn)樗馕吨r(nóng)戶可以在不影響產(chǎn)量的情況下開始減少氮肥使用：這對(duì)于農(nóng)戶和環(huán)境來(lái)說(shuō)，都是雙贏的局面，”Temme博士表示。 “這項(xiàng)技術(shù)令人振奮，因?yàn)樗哂袠O高的可擴(kuò)展性。 自從五年前商業(yè)化啟動(dòng)以來(lái)，我們的產(chǎn)品已在美國(guó)超過(guò)1,300萬(wàn)英畝的土地上投入使用，收獲了顯著的實(shí)際效果?！?/p>

Basso博士予以贊同。 他表示：“如果這項(xiàng)技術(shù)能夠不斷改進(jìn)，為作物提供更多氮源，并且證明其能夠有效減少環(huán)境污染及農(nóng)業(yè)整體碳足跡，那么它會(huì)成為一項(xiàng)改變氮管理領(lǐng)域規(guī)則的革命性技術(shù)。 為支持作物產(chǎn)量提升，我們?cè)绞鞘褂酶咝А⒏沙掷m(xù)的氮源替代合成肥料，就越能造福農(nóng)戶、社區(qū)和環(huán)境?！?/p>

完整版論文可在《科學(xué)報(bào)告》中查閱。 《科學(xué)報(bào)告》于2011年創(chuàng)刊，是自然出版集團(tuán)（Nature Portfolio）旗下的開架閱覽期刊，專注于發(fā)布自然科學(xué)和臨床科學(xué)領(lǐng)域的杰出原創(chuàng)研究，且以其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐性u(píng)審過(guò)程著稱。