让植物“自产”肥料
发布时间:2021-12-05  阅读次数:  

 

自从进入农耕时代,农民就通过播撒肥料来灌输更多的氮到农田里。虽然在大气中也有大量的氮资源,但却不是植物能够直接使用的形式。大气中的氮必须被固定住,或转化成可供植物使用的氮化合物。

  来自美国圣路易斯华盛顿大学的一项研究成果或将给农业带来一场彻底的变革。研究人员的想法是,把作为固氮作用的化学仪器小型化、自动化,并在植物内重新定位,将该固氮装置安置到植物细胞中,植物无论何时何地需要氮肥,都可以在阳光下为自身提供。

  如今,许多现代农业均依赖于通过工业生产的方法提供的含氮化合物,但这却需要消耗大量能源,并且活性氮作为从农田中排出的废弃物,排放到大气和水中后,还会导致人类患呼吸系统疾病、癌症和心脏病。

  研究人员Pakrasi认为,将固氮系统植入到农作物中是很有可能的。他和同事计划通过合成生物学工具切除一种藻青菌的固氮系统,并将其转移到另一种不能固氮的藻青菌中。

  “由于固氮需要能量,所以我们将系统放进叶绿体中,因为叶绿体能够产生储能的ATP分子。”Pakrasi介绍说,但他们遇到的最大障碍却是固氮作用与光合作用是不相容的。光合作用产生的副产品氧气对于固氮酶是一种有毒物质。这也是为什么大多数固氮生物体都是在厌氧环境下工作的原因。

  为此,科研人员经过对藻青菌长达十年的研究,最终发现其中的蓝杆菌51142有一个生物钟,它能够在白天进行光合作用,晚上进行固氮作用。进行光合作用和固氮作用的蓝藻细菌使这两个活动在空间或时间上分离开来。

  白天,这些细胞尽可能快地进行光合作用,以颗粒形式储存碳分子。晚上,它们再尽可能快地燃烧这些碳分子。这样耗尽所有在细胞中的氧,形成了进行固氮作用所需的厌氧条件。

  Pakrasi介绍说,蓝杆菌51142作为一个项目部分来源是特别有吸引力的,因为它拥有最大的、连续的关于藻青菌固氮作用的基因簇。在单一操作信号的控制下,大约30个基因是具有相同的功能单元。科学家们希望这些基因簇在一个大型转移压力下可以被移动到另一个蓝藻中。他们已经挑选出蓝藻细菌中的最好的菌株集胞藻属。它们的基因组已经被测序,并且能够整合外来DNA到其基因组中。不过,之后的工作仍然会面临更大挑战,科学家们还需要弄明白如何连接移植的固氮基因簇到集胞藻属生物钟去。

  “像所有藻青菌一样,集胞藻属也有昼夜节律。但如何利用这种节律,我们现在还不知道。我们有一些将要去测试的想法,但这就是挑战的所在。”Pakrasi说,科学家们还将非常仔细地选择他们的概念验证项目,使研究工作尽可能的最大化。

  “我们的目标是将固氮装置植入所有的作物,而不仅是将豆类植物变成固氮植物。”Pakrasi说,不过,要想应对全球可持续性粮食生产的挑战,同时减少污染和温室气体排放,需要的不仅仅是运气。来源:中国植保网

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