這一發現是現有首個同行評審證據，表明基因編輯微生物可在商業生產中為玉米農戶提供顯著比例的氮源
加利福尼亞州伯克利2024年12月10日 /美通社/ -- 今日發表于《科學報告》（Scientific Reports）的同行評審研究介紹了一項可能徹底顛覆百年作物氮源供應方式的新技術。 這項研究由威斯康星大學麥迪遜分校、普渡大學和可持續農業領域的領軍企業Pivot Bio的研究人員合作完成，首次提供了關于基因編輯如何增強微生物固定大氣氮的能力，并將其轉化為糧食作物氮源的突破性證據。
通過使用同位素標記氮氣，研究人員成功追蹤到從空氣中進入玉米葉片葉綠素的氮元素，最終證實這些氮元素是通過基因編輯微生物從空氣中固定的。 實地調查還顯示，這些微生物能夠固定并供應相當于每英畝40磅合成氮肥的氮量，同時確保作物產量與之相當。
提高氮肥利用效率，始終是農業領域需要解決的長期挑戰。 密歇根州立大學環境科學教授Bruno Basso博士（未參與該研究）指出：“核心問題在于，土壤、植物與大氣系統之間的相互作用極其復雜。” 不可預測的天氣使得養分供應與作物需求之間的匹配充滿挑戰，難以精確估算作物所需的氮量，以及能否在土壤中有效保持養分。 他表示：“我的研究實驗團隊多年來一直致力于幫助農戶，借助先進的傳感技術和計算機模型，幫助他們更好地了解農田狀況，提高氮肥的利用效率，不僅提升收益，還能減少對環境的負面影響，諸如養分流失到地下水和溫室氣體排放到大氣中等問題。”
固氮菌是一類天然存在的特殊細菌，具有將大氣中的氮氣轉化為銨離子的獨特能力，而銨離子正是構成氨基酸和蛋白質的基礎元素。 這一過程被稱為“生物固氮”（BNF），在合成氮肥問世之前，數千年來一直是作物獲取氮素養分的主要途徑。
“當原生土壤中的固氮菌長期暴露在高濃度氮的土壤環境下，它們會逐漸喪失生物固氮能力。 這是它們為節約能量所做的進化性反應，因為生物固氮過程非常耗能，”該研究的合著者、威斯康星大學麥迪遜分校細菌學與植物及農業生態系統科學教授Jean-Michel Ané博士表示。 “我們需要找到方法，讓這些細菌即使在氮含量較高的環境中，也能保持較高的生物固氮水平，比如施用了合成氮肥的土壤。”
Pivot Bio的研究人員通過非轉基因技術，開發了基因編輯微生物，使固氮菌即使在高氮濃度環境下也依然能持續為作物提供穩定氮源。 “通過基因編輯，我們讓這種微生物無法感知周圍環境中的氮元素，從而使它們持續固定銨離子，并將其直接輸送到植物的根系，”Pivot Bio的首席創新官兼聯合創始人、論文合著者Karsten Temme博士表示。 “我們還進行了其他基因編輯，以確保這些細菌將固定的氮傳遞給作物，而不僅僅保留給自己。”
該論文提供了實驗證據，證明這一過程在實驗室和試驗田中得到了成功驗證。 這篇論文也是首篇經過同行評審的研究，詳細介紹了Pivot Bio推出的第二代商業化產品——PROVEN® 40。該產品專為玉米作物設計，含有基因編輯固氮微生物。
“氮肥無疑是過去一個世紀最為重要的發明，在可預見的未來，它將繼續在全球發展和糧食安全領域發揮至關重要的作用。 然而，我們相信氮肥的使用方式可以更加優化。”Temme博士表示， “Pivot Bio的核心使命是通過基因編輯微生物提升氮肥的利用效率，進而提高農業生產力，同時減少合成氮肥對環境的負面影響。”
在實地研究中，研究人員通過一系列同位素實驗再次驗證了固氮過程。本次實驗是在真實的環境條件下進行，并對植物中的氮含量進行了精準量化。 研究人員還收集了農戶提供的數百個樣本，這些農戶將每英畝氮肥的施用量減少了35到40磅，并用Pivot Bio的PROVEN 40產品替代氮肥。 研究人員發現，平均而言，施用了PROVEN 40的植物在季節初期氮含量更高，而且，盡管施用的合成肥料較少，但對產量沒有產生任何負面影響。
Ané博士表示：“追蹤氮元素從空氣到微生物，再到植物的整個過程非常復雜。 我們依靠氮原子的同位素標記，通過對比空氣與土壤中的氮元素來進行精確分析。” 通過這些測量，研究人員在實驗室中檢測到玉米葉片的葉綠素中含有同位素標記的氮元素，這表明這些微生物將氮源供應給了植物。
“這項大規模研究令人欣喜，因為它意味著農戶可以在不影響產量的情況下開始減少氮肥使用：這對于農戶和環境來說，都是雙贏的局面，”Temme博士表示。 “這項技術令人振奮，因為它具有極高的可擴展性。 自從五年前商業化啟動以來，我們的產品已在美國超過1,300萬英畝的土地上投入使用，收獲了顯著的實際效果。”
Basso博士予以贊同。 他表示：“如果這項技術能夠不斷改進，為作物提供更多氮源，并且證明其能夠有效減少環境污染及農業整體碳足跡，那么它會成為一項改變氮管理領域規則的革命性技術。 為支持作物產量提升，我們越是使用更高效、更可持續的氮源替代合成肥料，就越能造福農戶、社區和環境。”
完整版論文可在《科學報告》中查閱。 《科學報告》于2011年創刊，是自然出版集團（Nature Portfolio）旗下的開架閱覽期刊，專注于發布自然科學和臨床科學領域的杰出原創研究，且以其嚴謹的同行評審過程著稱。
