华盛顿州立大学的一项新研究成功将根瘤菌中的固氮基因转移到其他无法固氮的菌株中，这一概念验证性发现为未来减少农作物对化肥的依赖开辟了新路径。
小麦、玉米等主要作物需大量氮肥才能茁壮生长。但如果像豌豆和大豆那样，由细菌帮助它们直接从大气中获取氮元素，情况会怎样？
华盛顿州立大学的研究人员识别出一组关键的基因簇，可以将其从固氮的根瘤菌转移到非固氮细菌中，这一突破意味着，未来或许可以通过基因工程改造栖息于谷类作物中的微生物，使其也能从大气中固氮。
据官方介绍，该研究过程历时十年，研究成果已于 5 月 27 日发表于《当代生物学》期刊。其研究聚焦于一个关键的进化过程 —— 内共生，即微生物与宿主细胞结合成一个有机体。
在这里，微生物生活在植物细胞内部。这种内共生生物对于理解植物如何在生态系统中进化和运作至关重要。研究人员首先尝试让固氮细菌与非固氮细菌进行“交配”，但成功率很低。
为此，他们开发了一种基因工具，大幅提升了成功率。随后，他们成功将与固氮相关的基因簇（称为“共生岛”）转移到非固氮细菌中，然后将这些改造后的细菌与植物细胞配对，并进行了数百万次不同细菌与宿主细胞的配对实验。
“这些挑战凸显了为作物寻找更多天然氮源途径的重要性，”论文资深作者、华盛顿州立大学温哥华校区生物科学副教授斯蒂芬妮 · 波特表示，“我们开发了一种新方法，成功地将一大簇使细菌能够固氮并定殖于宿主植物的基因，转移到了原本完全不具备这些能力的细菌中。通过这一步转化，我们就能让普通细菌变成能够固氮、为植物提供肥料的细菌。”
许多独立菌株都被成功转化，其中与固氮细菌亲缘关系越近的菌株成功率越高。实验中大多数相互作用对宿主生物有益或无害。这一结果令研究人员感到意外，因为人们通常认为新的共生体起初往往是寄生的，只会损害宿主并从中获利。
“我们的研究有望激励更多人继续将这些固氮基因片段转移到新的菌株中，去理解它们与背景基因组的相互作用，并逐步解析其成功或失败的机制。”论文第一作者、波特实验室的博士后研究员安吉丽卡 · 蒙托亚表示。
研究人员表示，最终目标是将固氮细菌植入目前依赖化肥的主要作物中。波特指出，如果某种谷物或大豆中存在常见的微生物，他们希望将这种固氮能力转移过去，这项研究为实现这一目标提供了可行的技术路径。接下来，科学家将研究哪些特定的基因和变异在传递固氮能力方面最为成功，以便更高效地完成此类转化，帮助农民为作物提供充足的氮源。
