改造细菌可使植物自己制造肥料

据最新一期双月期刊《mBio》报道，美国研究人员创建出一种细菌，在白天可利用光合作用产生氧气，在夜间则利用氮气产生叶绿素。这一发现可能对农业和地球健康产生革命性的影响。

肥料制造是能源密集型产业，生产过程排放的温室气体是气候变化的重要驱动因素。植物利用肥料中的氮产生用于光合作用的叶绿素，但商业肥料中只有不到40%的氮能进入植物。而且给植物施肥后，肥料还会流失，经由雨水流入江河湖海，给藻类提供养料使其迅速繁殖，造成生态灾害。

虽然没有植物可从空气中固氮，但有一部分蓝藻（像植物一样进行光合作用的细菌）可做到这一点。在新研究中，华盛顿大学圣路易斯分校生物系裴克拉西实验室使用了Cyanothece细菌来固氮。

蓝藻是唯一像人类一样具有昼夜节律的细菌，Cyanothece在白天进行光合作用，将太阳光转化为化学能；在夜间通过呼吸去除光合作用过程中产生的大部分氧气后固氮。研究团队的设计思路是从Cyanothece中获取负责昼夜机制的基因，并将其植入另一种蓝藻细菌Synechocystis中，以诱导其从空气中固氮。研究团队发现，一组连续的35个基因只在夜间工作，而在白天基本上保持静默。Synechocystis的固氮率仅为Cyanothece的2%。然而，当通过基因工程插入24个Cyanothece昼夜机制基因时，Synechocystis的固氮率达到了Cyanothece的30%以上。随着添加少量氧气（最高为1%），其固氮率显著下降，但随着来自Cyanothece的不同基因组的增加，固氮率再次上升，尽管与无氧条件相比还有差距。

研究团队的下一步工作是，深入研究该过程的细节，进一步缩小固氮所需的基因子集，并与植物科学家合作，将研究成果应用到下一个层次：固氮植物。

蓝藻是地球生态圈的奠基物种，因为它可以攫取氮，是生物蛋白质的重要来源。科学家一旦掌握了蓝藻的秘密，就可以通过基因工程让更多微生物具备固氮能力。未来绿色农业有赖于更多样化的土壤环境和共生关系，一如中国传统农业曾在稻田和大豆田里实现的。