【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。

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。

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