Nature Nanotechnology | 提高生物固氮作用的纳米战略！

以下文章来源于Ad植物微生物 ，作者周小马

氮是限制植物生长的最关键基本元素。虽然空气中78%是氮，但陆地植物物种没有进化出直接获取和利用氮的生长途径。然而，豆科植物，如大豆（Glycine max）、豌豆（Pisum sativum）和豆类（Phaseolus、Vigna和Cajanus物种）与某些细菌形成共生关系，这些细菌可以将环境中无处不在的氮固定为氨，使它们能够利用它。这个过程被称为生物固氮（BNF）。在通过能源密集型的哈伯-博施工艺生产合成氮肥的发展之前，BNF是补充农业用地生物可用氮的主要来源。然而，合成氮肥今天被广泛用于补充土壤肥力，尽管其输送和作物使用效率低。这最终大大增加了温室气体（GHG）的排放、氨的挥发和活性氮从土地中流失到水中。氮肥施用量的持续增加将通过过度释放强效温室气体（包括N2O，在100年内比CO2强300倍）和大量消耗化石燃料而进一步危及气候稳定。N2O也是21世纪臭氧消耗的关键因素。因此，减少氮肥的施用是缓解粮食不安全和全球变暖的一个重要战略。

2023年5月10日，国际权威学术期刊Nature Nanotechnology发表了中国科学技术大学张鹏和中国农业大学芮玉奎等人撰写的题为Nano-enabled strategies to enhance biological nitrogen fixation的评论文章。

加强大豆的BNF为减少氮肥使用和提高作物产量提供了一个无与伦比的机会。大豆是四大粮食作物之一，在2018年促进了25Tg氮的固定，占豆科作物产量的70%。大豆的生物固氮作用也可用于间作战略（即在附近种植两种或更多的作物），以提高土壤肥力和后续产量。此外，大豆是人类饮食中一种经济而优质的植物蛋白来源。同时，它还含有不饱和脂肪酸、磷脂、B族维生素和矿物质等必需的营养物质，对改善人类饮食质量有很大的潜力。植物蛋白饮食有希望将全球的反应性氮使用量减半。然而，天然的BNF系统有几个缺点，包括固氮酶对环境的敏感性（O2和胁迫引起的活性氧，ROS对固氮酶的损害），BNF过程的高能量消耗，集约化栽培的土壤中缺乏构成固氮酶一部分的基本矿物质（例如，Mo），以及固氮细菌物种的弱竞争力。目前提高大豆BNF效率的方法需要有足够的效果。基因编辑可能为提高BNF提供一些潜力；然而，在田间规模的交付、不利的政府法规和公众对这些方法的普遍不安是需要克服的重大障碍。此外，通过基因编辑进行的单一性状改良可能不足以支持BNF的有效性，特别是当植物暴露在生物或非生物胁迫下时，尤其是在健康状况不佳的土壤中（图1）。

相反，有益的微生物通过各种机制，包括激素调节和养分输送，增强了BNF。然而，它们的有效性仍然受到大豆栽培品种、环境条件以及接种、种植和收获之间的延迟的制约。植物生长调节剂，如植物激素、硫化氢和异黄酮，在外源性添加时可以促进结瘤和BNF的效率，但受浓度和应用方法等因素的影响很大，而且在田间规模上成本很高。因此，在大豆BNF增强策略和其实际应用之间仍然存在巨大的差距，需要开发能够大幅和可持续增强BNF的新策略。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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