在未來(lái)，植物將能夠創(chuàng)造自己的肥料。農(nóng)民將不再需要為他們的莊稼購(gòu)買和傳播肥料，增加的糧食產(chǎn)量將使全世界數(shù)十億人受益，否則他們可能會(huì)挨餓。

這些陳述可能聽(tīng)起來(lái)像科幻小說(shuō)中的一些東西，但華盛頓大學(xué)圣路易斯科學(xué)家的新研究表明，很可能很快就可以設(shè)計(jì)植物來(lái)開發(fā)自己的肥料。這一發(fā)現(xiàn)可能對(duì)農(nóng)業(yè)和地球健康產(chǎn)生革命性的影響。

該研究由Himadri Pakrasi領(lǐng)導(dǎo)，Glassberg-Greensfelder杰出大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)生物系教授，國(guó)際能源，環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展中心(InCEES)主任;生物學(xué)高級(jí)研究員Maitrayee Bhattacharyya-Pakrasi發(fā)表于5月/ 6月的mBio期刊。

創(chuàng)造肥料是能源密集型的，并且該過(guò)程產(chǎn)生的溫室氣體是氣候變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。它效率低下。施肥是氮的傳遞系統(tǒng)，植物用它來(lái)產(chǎn)生葉綠素用于光合作用，但商業(yè)肥料中不到40%的氮能使其進(jìn)入植物。

植物受精后，還有另一個(gè)問(wèn)題：徑流。肥料被雨水沖走，流入河流，河流，海灣和湖泊，喂養(yǎng)藻類，這些藻類可能會(huì)失去控制，阻擋陽(yáng)光并殺死下面的植物和動(dòng)物。

然而，我們周圍還有另外豐富的氮源。地球大氣層的氮含量約為78%，生物系的Pakrasi實(shí)驗(yàn)室只是設(shè)計(jì)了一種可以利用大氣氣體的細(xì)菌 - 一種被稱為“固定”氮?dú)獾倪^(guò)程 - 這是一個(gè)可以做的工程植物的重要步驟相同。

這項(xiàng)研究的根本在于，雖然沒(méi)有植物可以從空氣中固定氮，但是有一部分藍(lán)細(xì)菌(像植物一樣光合作用的細(xì)菌)能夠這樣做。即使作為光合作用的副產(chǎn)物氧氣干擾固氮過(guò)程，藍(lán)藻也可以做到這一點(diǎn)。

在這項(xiàng)研究中使用的細(xì)菌Cyanothece能夠固氮，因?yàn)樗c人類有共同之處。

“藍(lán)藻是唯一具有晝夜節(jié)律的細(xì)菌，”Pakrasi說(shuō)。有趣的是，Cyanothece在白天進(jìn)行光合作用，將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為它們用作燃料的化學(xué)能，并在通過(guò)呼吸去除光合作用過(guò)程中產(chǎn)生的大部分氧氣后，在夜間固定氮?dú)狻?/p>

研究小組想要從Cyanothece中獲取基因，負(fù)責(zé)這種日夜機(jī)制，并將它們放入另一種藍(lán)細(xì)菌Synechocystis中，以誘導(dǎo)這種蟲從空氣中固氮。

為了找到正確的基因序列，研究小組尋找了明確的晝夜節(jié)律。“我們看到一組連續(xù)的35個(gè)基因只在晚上做事，”Pakrasi說(shuō)，“他們?cè)诎滋旎旧媳３殖聊?rdquo;

該團(tuán)隊(duì)還包括研究助理Michelle Liberton，前研究員Jingjie Yu和Deng Liu手動(dòng)從集胞藻中去除氧氣，并添加了來(lái)自Cyanothece的基因。研究人員發(fā)現(xiàn)Synechocystis能夠以2%的Cyanothece固氮。然而，當(dāng)劉博士作為該項(xiàng)目的支柱的博士后研究人員開始去除其中的一些基因時(shí)，事情變得非常有趣。只有24個(gè)Cyanothece基因，Synechocystis能夠以超過(guò)Cyanothece 30%的比率固定氮。

隨著添加少量氧氣(高達(dá)1%)，固氮率顯著下降，但隨著來(lái)自Cyanothece的不同基因組的增加，固氮率再次上升，盡管沒(méi)有達(dá)到?jīng)]有氧氣存在的速率。

“這意味著工程計(jì)劃是可行的，”Pakrasi說(shuō)。“我必須說(shuō)，這項(xiàng)成就超出了我的預(yù)期。”

該團(tuán)隊(duì)的下一步工作是深入研究該過(guò)程的細(xì)節(jié)，或者進(jìn)一步縮小固氮所需的基因子集，并與其他植物科學(xué)家合作，將本研究的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)應(yīng)用到下一個(gè)層次：固氮植物。

根據(jù)世界銀行提高的產(chǎn)量，對(duì)家庭或城鎮(zhèn)有利的規(guī)模和釋放時(shí)間，可以利用空氣中的氮來(lái)利用農(nóng)作物對(duì)全國(guó)約8億人的自給農(nóng)民最有效。曾經(jīng)用手工撒肥。

“如果它成功了，”Bhattacharyya-Pakrasi說(shuō)，“這將是農(nóng)業(yè)的重大變化。”