多种玉米已经发展出一种自生产氮方法有助于减少氮排放

这种稀有的玉米品种已经发展出一种制造自产氮的方法,这可能会彻底改变农业。

多种玉米已经发展出一种自生产氮的方法
玉米品种塞拉米什(Sierra Mixe)的气生根生长产生甜味粘液,可滋生细菌。反过来,细菌将氮从空气中抽出并给玉米施肥。如果科学家能够将这种性状繁殖到常规玉米中,则可能引发农业革命。 
(照片:霍华德·亚娜·夏皮罗)

1980年代,现为Mars,Incorporated公司首席农业官的霍华德·亚纳·夏皮罗(Howard-Yana Shapiro)正在寻找新型玉米。当他找到一些有史以来最奇怪的玉米时,在墨西哥南部瓦哈卡州的混合区,这是玉米前体(即玉米)最初演化的地区。它不仅高出16到20英尺,而且花了6到8个月才成熟,远远超过了传统玉米需要3个月的时间。然而,在不使用化肥的情况下,它在可耕作的贫瘠土地上长到了令人印象深刻的高度。但是,玉米最奇怪的部分是其气生根-绿色和玫瑰色的手指状突起伸出土壤玉米秸秆,滴入透明的糖浆状凝胶。

夏皮罗怀疑那些黏稠的手指可能是农业持续发展的根本。他认为,根系使这种独特的玉米品种(被称为塞拉米什(Sierra Mixe),在当地培育了数百年甚至数千年)可以产生氮,氮是作物的必需营养素。

这个想法似乎很有希望,但是由于没有DNA工具来研究玉米如何制造氮的细节,这一发现被搁置了。将近二十年后的2005年,加利福尼亚大学戴维斯分校的艾伦·本内特(Alan B. Bennett)以及夏皮罗(Shapiro)和其他研究人员开始使用尖端技术来研究产粘液玉米的固氮特性,发现确实如此,粘液中的细菌正在从空气中吸收氮,将其转化为玉米可以吸收的形式。

现在,经过十多年的现场研究和基因分析,该团队已在PLOS Biology 杂志上发表了他们的研究成果。如果固氮性状可以繁殖到常规玉米中,使它甚至可以自己生产一部分氮,那么它可以降低耕作成本,减少温室气体排放并中止湖泊,河流和森林中的主要污染物之一。

合成氮的生产可能是20世纪的最大成就。哈伯-博世(Haber-Bosch)工艺及其改进的发现(其中在催化剂的存在下,在高温和高压下从空气中抽出氮气)获得了三个诺贝尔奖。他们是当之无愧的。据估计,在1908年至2008年间农作物的单产增加了一倍以上,其中合成氮肥的产量增长了一半。一些研究人员将近七十年来人口的大量增长与氮肥的使用增加联系在一起。没有它,我们将不得不耕种几乎四倍的土地,否则世界上的人口就会减少数十亿。

但是产生所有的氮会带来后果。据估计,通过哈伯-博世(Haber-Bosch)工艺生产肥料需要消耗世界1%至2%的能源,并排放大量温室气体。合成氮通常会从田野冲入水道,导致大量藻类大量繁殖,从而吸收所有氧气,杀死鱼类和其他生物。如此多的氮进入河流和溪流,以至于世界河流河口形成了大面积的死区,其中包括去年墨西哥湾面积相当于新泽西州的墨西哥湾。英国生态与水文学中心的马克·萨顿(Mark Sutton)称氮为“污染的教父”,其影响无处不在,但您从未真正看到罪魁祸首。

但是我们不能不看到农业的大幅度减少就直接退出氮肥。尽管更好的管理和耕作方法可以帮助其远离水道,但这些策略还不足以解决氮的生态问题。这就是为什么研究人员数十年来一直想知道是否存在一种方法来帮助谷物作物(例如玉米和小麦)自产氮。

这个想法并没有听起来那么牵强。许多植物,特别是豆科植物,例如大豆,花生和三叶草,与根瘤菌具有共生关系,而后者自产生氮。植物会长出根瘤,细菌在其中吸收并吸收植物糖,同时将空气中的氮转化为植物可以使用的形式。如果发现类似的共生关系对谷物作物如玉米和小麦有效,那么研究人员相信我们可以减少对污染物的使用。

这就是为什么粘液玉米如此重要,以及Bennett和他的团队花了八年时间研究并重新研究细菌和凝胶的原因,以使自己确信玉米确实能够产生自产氮。使用DNA测序,他们能够显示出粘液固氮基因中的微生物,并证明了玉米排泄物(高糖和低氧)的凝胶是专门设计用于固氮的。通过五项不同的测试,他们表明微生物产生的氮进入了玉米,提供了植物需求的30%至80%。然后,他们生产出了粘液的合成版本,并将其与微生物一起播种,发现他们也在该环境中也产生了氮。

贝内特说:“这种机制与豆类的使用完全不同。”他补充说,这种机制也可能存在于其他农作物中。“当然可以想象,许多谷物中都存在类似类型的系统。例如,高粱具有气生根和粘液。也许其他人有更细微的机制发生在地下,并且可能更广泛地存在。”

威斯康星大学麦迪逊分校的合著者让·米歇尔·阿恩(Jean Michel-Ane)同意这一发现为所有类型的新可能性开辟了道路。“几十年来,对玉米进行固氮和形成根瘤这样的豆类工程一直是科学家的梦想和奋斗目标。事实证明,这种玉米开发了一种完全不同的方法来解决固氮问题。科学界可能由于对根瘤的痴迷而低估了其他作物的固氮能力。”他在一份声明中说。“这粒玉米向我们表明,自然界可以找到解决某些问题的方法,这远远超出了科学家的想象。”

研究人员还正在进行其他一些项目,旨在让谷类和蔬菜作物为我们做Haber-Bosching。最有前途的方法之一是使用内生菌或生活在植物细胞间空间的微生物,如细菌和真菌。华盛顿大学研究员莎朗·多蒂(Sharon Doty)在几十年前对这种生物产生了兴趣。她正在研究柳树和杨树,这些树是在火山喷发,洪水或落石等事件发生后在受干扰的土地上生长的第一批树木。这些树木是从河砾中生长出来的,几乎没有土壤中的氮。然而,在他们的茎中,多蒂发现了内生菌,这些内生菌可以固定树木的氮,而无需根瘤。从那以后,她挑出了数十种内生菌种,其中许多以令人惊讶的方式帮助植物。有些会产生氮或磷,这是另一种重要的营养素,而有些会改善根系生长,有些则使植物能够在干旱或高盐条件下生存。

她说:“有各种各样的微生物可以固定氮和受其影响的多种植物。” 她的测试表明,微生物可以使辣椒和番茄植物的生产力提高一倍,改善水稻的生长,有些甚至允许树木和植物吸收并分解工业污染物。“使用内生菌的优势在于它是一个很大的群体。我们已经找到了可与水稻,玉米,西红柿,辣椒和其他农业上重要的农作物结合使用的菌株。”

实际上,内生菌可能早日进入农民手中。位于加利福尼亚州洛斯阿尔托斯市的IntrinsyxBio正在将Doty的一些内生菌商业化。首席科学官约翰·弗里曼(John L. Freeman)在接受采访时表示,该公司有望在2019年将产品推向市场。目标是将几种内生菌种送入植物,最有可能通过包被种子。这些细菌在植物体内滞留后,它们应抽出大约25%的所需氮。

另一家名为Pivot Bio的生物技术公司最近宣布,正在使用一种在玉米根系中生长的固氮微生物进行Beta测试。

合成生物学的新兴领域也正在解决氮问题。去年9月成立的波士顿Joyn Bio公司是拜耳公司与生物技术公司Ginkgo Bioworks之间的一个合作项目,该公司具有为食品和调味品行业创建定制酵母和细菌的经验,以及其他“设计微生物”项目。乔恩目前正在拜耳的100,000多个微生物库中进行梳理,以找到可以成功定植植物的宿主,类似于Doty的内生菌。然后,他们希望用能够使其固氮的基因来调节“宿主底盘”。乔恩公司首席执行官迈克尔·米耶尔说:“我们不是依靠自然界来寻找我们认为不存在的魔术微生物,而是要找到宿主微生物并对其进行微调,以完成我们需要对玉米或小麦进行的处理。” 。

盖茨基金会也参与其中,支持试图将豆类固氮能力赋予谷物的项目。还有其他团队希望,增压量子计算的出现将开辟化学的新领域,并确定新的催化剂,这些催化剂将使Haber-Bosch工艺更加高效。

虽然仅靠一种解决方案不可能替代人类使用的100%的合成肥料,但也许这些项目加在一起可能会严重破坏氮的污染。Bennett希望Sierra Mixe及其团队从中学到的知识将成为氮革命的一部分,尽管他承认,他那黏滑的玉米手指开始在常规作物中生产氮的过程非常漫长。他现在想鉴定产生气生根的基因,并确定粘液中发现的数千种微生物中的哪一种实际上在固氮。

他说:“我认为我们正在做的事情可以补充那些(内生菌和合成生物学)方法。” “我认为我们会看到许多不同的策略,并且在5至10年内将会出现一些影响玉米获取氮素的方式。”

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