生物固氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用潛力巨大 生物技術(shù)所供圖
我國是世界上最大的氮肥生產(chǎn)和使用國，化肥過度使用已成為我國保障糧食安全和生態(tài)安全的重大障礙。氮肥增產(chǎn)空間越來越小，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)難以為繼，尋求新的替代氮肥的技術(shù)途徑已刻不容緩。
近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院啟動高效固氮聯(lián)合攻關(guān)重大科研任務(wù)，力圖創(chuàng)建高效人工固氮產(chǎn)品，為我國農(nóng)業(yè)高質(zhì)量綠色發(fā)展提供前沿理論與技術(shù)支撐。
一個世界性農(nóng)業(yè)科技難題
生物固氮能夠為作物提供生長所需的氮素。依靠固氮菌，氮利用率可達到100%，全球生物固氮量可達每年2億噸，超過工業(yè)氮肥生產(chǎn)總量，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用潛力巨大。
然而，“利用生物固氮替代化學(xué)氮肥是一個世界性的農(nóng)業(yè)科技難題?！痹撊蝿?wù)首席科學(xué)家、中國農(nóng)科院生物技術(shù)研究所研究員林敏說。
生物固氮研究有上百年的歷史，迄今為止未能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。這是因為，首先，固氮體系特別是表達調(diào)控系統(tǒng)非常復(fù)雜。圍繞生物固氮，尚有很多科學(xué)未解之謎，包括，為什么自然界中只有原核微生物有固氮能力，為什么自然界中只有豆科作物能形成固氮根瘤，為什么植物祖先進化出葉綠體卻沒有形成“固氮體”。
其次，兩種根際固氮體系——豆科作物結(jié)瘤固氮和非豆科根際聯(lián)合固氮體系，本身存在天然缺陷，其受環(huán)境影響較大，田間應(yīng)用效果不穩(wěn)定。
林敏指出，合成生物學(xué)的出現(xiàn)為生物固氮等世界性農(nóng)業(yè)難題的解決提供了革命性的技術(shù)途徑。合成生物學(xué)采用工程科學(xué)理念，對生物體及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、代謝途徑或天然產(chǎn)物進行設(shè)計、改造和重構(gòu)，人工合成全新的生物工程體系。它具有強大的合成與組裝能力、計算與設(shè)計能力，標(biāo)準(zhǔn)化的元件與模塊設(shè)計，以及優(yōu)化的線路與底盤設(shè)計。
“采用合成生物技術(shù)平臺，能使得極其復(fù)雜的固氮系統(tǒng)模塊化，集成作物固氮與抗逆線路從而彌補固氮體系的天然缺陷，在田間應(yīng)用中實現(xiàn)高效穩(wěn)定的節(jié)肥增產(chǎn)目標(biāo)?！绷置粽f。
在“973”計劃項目的支持下，我國固氮合成生物學(xué)研究已經(jīng)取得了重大的進展?！暗请x我們的目標(biāo)還有相當(dāng)?shù)木嚯x。所以，能夠通過啟動一個重要的項目實施前瞻性的布局，是非常重要的、很有遠見的。”項目咨詢專家組組長、中國科學(xué)院生物物理研究所研究員張先恩說。
生物固氮產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著機遇和挑戰(zhàn)。林敏介紹，生物固氮相關(guān)市場國際競爭加劇，全球生物固氮市場被老牌跨國公司壟斷。但近年來，新興科技公司異軍突起，圍繞制約農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸技術(shù)，如微生物種衣技術(shù)等開展研發(fā)工作并取得創(chuàng)新突破，成為全球風(fēng)險投資的熱點。
三步走實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破
為此，該任務(wù)將聚焦生物固氮國際科技前沿，同時針對我國在基礎(chǔ)理論和技術(shù)方面存在的瓶頸問題開展關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)。
林敏介紹，總體思路是，在重大理論方面，聚焦聯(lián)合固氮、結(jié)瘤固氮和自主固氮等當(dāng)前國際固氮合成生物學(xué)的三大熱點領(lǐng)域，加強生物組學(xué)、表觀遺傳學(xué)和合成生物學(xué)等前沿學(xué)科交叉融合，力爭取得“從0到1”的基礎(chǔ)理論突破。
在關(guān)鍵技術(shù)方面，加強上中下游聯(lián)合攻關(guān)和技術(shù)集成創(chuàng)新，突破混合菌株高密度發(fā)酵、固氮菌微膠囊、種子包衣等“卡脖子” 關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
在生產(chǎn)應(yīng)用方面，力爭研制新一代生物固氮產(chǎn)品，開展田間示范應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)和綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展提供重要技術(shù)支撐。
該任務(wù)分解了三個階段的目標(biāo)。生物固氮1.0版3~5年近期目標(biāo)是克服天然固氮體系缺陷，創(chuàng)制新一代高效根際固氮微生物產(chǎn)品，在田間示范條件下替代化學(xué)氮肥25%；2.0版10年中期目標(biāo)是擴大根瘤菌宿主范圍，構(gòu)建非豆科作物結(jié)瘤固氮的新體系，減少化學(xué)氮肥用量50%；3.0版本20年遠期目標(biāo)是探索作物自主固氮的新途徑，大幅度減少或完全替代化學(xué)氮肥。
張先恩對設(shè)定三個階段目標(biāo)的做法表示肯定。
北京師范大學(xué)教授王英典也強調(diào)，農(nóng)業(yè)要想做成大的項目，工程類思想更具有現(xiàn)實意義。該項目已根據(jù)工程思維劃分了不同階段的技術(shù)目標(biāo)，這是非常必要和重要的。
北京大學(xué)教授王憶平建議，要考慮作物和固氮菌之間的匹配關(guān)系，以及氣候?qū)痰Ч挠绊?，從中找到突破口?/p>
張先恩則非常認(rèn)同該項目引入分子進化、基因組學(xué)多組學(xué)平臺，來研究生物固氮這個復(fù)雜體系的設(shè)想。
