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自然界有两大生命现象，即光合作用和固氮作用。光合作用是将空气中的二氧化碳固定成碳水化合物，而固氮作用是将空气中的氮气固定成氨。人类与许多其它生物一样需要氮素作为合成蛋白质的原料，但不能自我合成有机氮。虽然空气中有78%是氮气，但是绝大多数生物不能直接利用空气中的氮气。在能源紧张和环境污染的双重压力下，传统的固氮方式已经难以适应各种需求，使生物固氮研究得到更加应有的重视。如果主要农作物能够自主固氮，就可以摆脱对化肥的依赖性，既节省能源，又能对环境友好。这是继工业革命之后，人们期待的一次“绿色革命”。 自然界有两大生命现象，即光合作用和固氮作用。光合作用是将空气中的二氧化碳固定成碳水化合物，而固氮作用是将空气中的氮气固定成氨。同时自然界有细胞的生物可以被分为两大类：一类是有细胞核的真核生物，其中包括高等植物和动物，酵母菌是最简单的真核生物；还有一类是无细胞核的原核生物，比如大肠杆菌、乳酸杆菌等。两类生物都可以进行光合作用，而固氮却是原核生物的“专利”，它们可以在常温常压下利用固氮酶将空气中的氮气固定成氨，作为生命体系的氮素来源。 人类与许多其它生物一样需要氮素作为合成蛋白质的原料，但不能自我合成有机氮。虽然空气中有78%是氮气，但是绝大多数生物不能直接利用空气中的氮气。比如人类呼吸空气时，一部分氧气被消耗，而氮气却不能被吸收，怎么进去就怎么出来。所以绝大多数生物需要从外界摄取被固定的氮元素。 上个世纪人类发明了一种高温高压下合成氨的方法制造氮肥，用于农业生产，目前全球氮素来源的30%是由以上合成氨技术提供的。 研究生物固氮的意义主要有以下两个方面。一方面是能源问题。由于氮肥的制造是一个高耗能的过程，生物固氮研究的重要性一般都是在石油资源有危机的时候凸现出来。如上世纪70年代的石油危机，以及目前海湾地区的不稳定性和石油价格飞涨，都使生物固氮研究得到更加应有的重视。另一方面，是环境的压力。化肥施到土地里，只有30%被植物吸收，另外70%进入土壤水体，造成富营养化。有资料显示，我国农业对环境污染的“贡献率”达到20%以上，如滇池污染中，农业面源污染对于总氮、总磷含量的贡献率已分别高达43.3%和37.1%。因为我国是施用氮肥最多的国家之一，化肥作为一种农业生产资料得到国家的控制，相对比较便宜的同时，滥施现象也比较严重。而生物固氮就不会对环境造成破坏。 如果主要农作物能够自主固氮，就可以摆脱对化肥的依赖性，既节省能源，又能对环境友好。这是继工业革命之后，人们期待的一次“绿色革命”。 据统计，人造氮肥占全球氮素总量的30%左右，除闪电在瞬间固氮5%左右外，其余全靠生物来固氮。 一般来说，生物固氮菌有三种类型。第一类是自生固氮菌，这个比较典型的是沙漠里长的发菜，在沙漠这种艰苦独特的环境里面它能够生长。此外，这些日子在我国主要水体中泛滥的蓝藻中也有很大一部分可以自生固氮。海洋里面有很多藻类也是有同样的功能。 第二类是联合固氮菌。光合作用是把空气中的二氧化碳固定成碳水化合物。植物光合作用的产物有70%给自己用，另外30%养分要分泌到土壤中，供养土壤里附着在植物根际的微生物，其中包括联合固氮菌，它们可为植物提供一定份额的氮素，这种松散的关系往往是互益的。植物体内还有很多内生菌也可以固氮，也属于联合固氮范围。如巴西在甘蔗生产中使用联合固氮体系，可为甘蔗提供60%的氮素来源。 第三类是共生固氮菌。这是科学家认为效率非常高但局限性也比较大的一类菌，大豆、豌豆、花生等豆科植物可以利用根瘤菌进行共生固氮，这种现象从1887年发现到现在已经有120年了。在共生固氮体系中，豆科植物根瘤里的根瘤菌进入植物细胞，被植物细胞“俘虏”，逐渐发育成了植物细胞的一种“器官”，所以它们的固氮效率非常高，可以说这种模式是生物固氮的“最高境界”。 共生固氮体系根瘤菌与宿主植物的关系最紧密，效率最高，它是目前生物固氮研究的焦点之一。对它的研究主要有两个目的，一是揭示根瘤菌与宿主植物相互作用机理，二是扩大宿主范围，使非豆科植物，如水稻、小麦、玉米等粮食作物也能共生固氮。这一研究涉及根瘤菌与植物两者之间的分子对话，相互识别，信息传导和基因表达的网络调控。 我们关心三种固氮体系中几个共有的问题。其中一个最根本的，就是想搞清楚光合作用与固氮作用之间的关系是怎么回事。 最近又一篇文章说，人类到火星、土星除了找水外，还要找氮元素和碳元素。这是因为，氮碳代谢是一切生命活动的两大根本代谢。 在属于氮代谢的固氮作用中，能量的供应，特别对豆科植物共生固氮是一个大问题。如何通过提高光合作用效率来提高固氮作用是必须考虑的一个重要问题。再深一层的出发点是由于每种生物都有氮代谢和碳代谢，对固氮生物还有固氮作用，这三者之间究竟存在着怎样的基因调控网络，是十分基础的根本问题。 另外一方面的研究进展是这样的，人们早就发现有一种真菌可以与绝大多数高等植物相互作用，诱发出须子状菌根，具有解磷解钾，促进植物生长的作用。豆科植物除了可以长根瘤也可以长菌根，国际上在研究以上两种植物与微生物相互作用的共性时发现，这两类菌在植物细胞中可以共用一段信号传导通路，只是最开始的几个步骤不同。因此有人提出，如果把豆科植物细胞中特异的结瘤信号传导通路嫁接到其他非豆科植物菌根生长信号通路上，也许就能在非豆科植物，特别是主要农作物中构建共生固氮体系，打破根瘤菌的宿主专一性。但由于涉及的基因比较多，我认为这方面的研究还有比较长的路要走。 美国、法国、英国在生物固氮研究方面比较领先，中国跟这几个国家不相上下。这些年来，美法英在植物研究方面比较突出，中国在固氮微生物研究方面也取得了比较独特的成果。 如我国科学家关心的研究课题之一是根瘤菌的碳源利用问题。研究发现，人挑食，菌也“挑食”。如根瘤菌只能用一种碳源———四碳二羧酸作为生物固氮的能量来源。如果阻断根瘤菌对该碳源的利用能力，根瘤菌还可以与豆科植物结瘤，可以利用其他碳源在根瘤细胞中生长繁殖，但是却丧失了固氮能力。至于为什么只挑这种碳源，如何选择这种碳源，这种碳源怎么作用，到现在还没有搞清楚。如果搞清楚了，可以通过一些手段大大提高固氮效率。   食叶草以高产量、高蛋白、高营养的优质特性，打破联合国粮农组织粮食系指谷物（包括麦类、豆类、粗粮类和稻谷类）的概念；打破亘古以来“春种秋收”的农耕规律，当月播种，次月丰收、季月赢利；打破一年一种的传统作物，种植一次几十年不用再种，年亩产鲜草已达到60吨，取之不尽，用之不竭，是名副其实的高产能经济草本作物；食叶草蛋白含量高达48.7%，高于大豆，年产量在大豆的十倍以上，是名副其实的高蛋白资源草本作物；食叶草富含十八种氨基酸、维生素、微量元素、有益矿物质等，是名副其实的营养体草本作物。 食叶草将成为替代大豆蛋白产品的主要战略性资源，缓解我国蛋白源紧缺的危机，造福于全人类。 如何让食叶草具有超强的固氮能力，央地共建草畜一体化项目专家组组长、微生物博士张卫国正率领团队研发一种食叶草专用生物固氮菌肥，该菌肥分为固体和液体两种剂型，固体剂型以生物固氮为主、生物固碳为辅，以地下施为主，强化营养和根部护理，延长食叶草的寿命和蛋白质含量;液体剂型以生物固碳为主，生物固氮为辅，主要以地上施为主，强化食叶草光合作用，和病虫害防控，提高食叶草产量并改善品质。名字暂定"用就发"生物固氮菌肥和生物固碳菌肥，合起来叫"用就发"碳氮合剂或碳氮合肥。敬请期待！     |
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