替代氮肥：生物固氮有了路线图

仙仙

我国是世界上最大的氮肥生产和使用国，化肥过度使用已成为我国保障粮食安全和生态安全的重大障碍。氮肥增产空间越来越小，传统农业难以为继，寻求新的替代氮肥的技术途径已刻不容缓。


近日，中国农业科学院启动高效固氮联合攻关重大科研任务，力图创建高效人工固氮产品，为我国农业高质量绿色发展提供前沿理论与技术支撑。


一个世界性农业科技难题


生物固氮能够为作物提供生长所需的氮素。依靠固氮菌，氮利用率可达到100%，全球生物固氮量可达每年2亿吨，超过工业氮肥生产总量，在农业生产中应用潜力巨大。


然而，“利用生物固氮替代化学氮肥是一个世界性的农业科技难题。”该任务首席科学家、中国农科院生物技术研究所研究员林敏说。


生物固氮研究有上百年的历史，迄今为止未能在农业生产中广泛应用。这是因为，首先，固氮体系特别是表达调控系统非常复杂。围绕生物固氮，尚有很多科学未解之谜，包括，为什么自然界中只有原核微生物有固氮能力，为什么自然界中只有豆科作物能形成固氮根瘤，为什么植物祖先进化出叶绿体却没有形成“固氮体”。


其次，两种根际固氮体系——豆科作物结瘤固氮和非豆科根际联合固氮体系，本身存在天然缺陷，其受环境影响较大，田间应用效果不稳定。


林敏指出，合成生物学的出现为生物固氮等世界性农业难题的解决提供了革命性的技术途径。合成生物学采用工程科学理念，对生物体及其调控网络、代谢途径或天然产物进行设计、改造和重构，人工合成全新的生物工程体系。它具有强大的合成与组装能力、计算与设计能力，标准化的元件与模块设计，以及优化的线路与底盘设计。


“采用合成生物技术平台，能使得极其复杂的固氮系统模块化，集成作物固氮与抗逆线路从而弥补固氮体系的天然缺陷，在田间应用中实现高效稳定的节肥增产目标。”林敏说。


在“973”计划项目的支持下，我国固氮合成生物学研究已经取得了重大的进展。“但是离我们的目标还有相当的距离。所以，能够通过启动一个重要的项目实施前瞻性的布局，是非常重要的、很有远见的。”项目咨询专家组组长、中国科学院生物物理研究所研究员张先恩说。


生物固氮产业发展面临着机遇和挑战。林敏介绍，生物固氮相关市场国际竞争加剧，全球生物固氮市场被老牌跨国公司垄断。但近年来，新兴科技公司异军突起，围绕制约农业微生物产业发展的关键瓶颈技术，如微生物种衣技术等开展研发工作并取得创新突破，成为全球风险投资的热点。


三步走实现关键技术突破


为此，该任务将聚焦生物固氮国际科技前沿，同时针对我国在基础理论和技术方面存在的瓶颈问题开展关键核心技术研发。


林敏介绍，总体思路是，在重大理论方面，聚焦联合固氮、结瘤固氮和自主固氮等当前国际固氮合成生物学的三大热点领域，加强生物组学、表观遗传学和合成生物学等前沿学科交叉融合，力争取得“从0到1”的基础理论突破。


在关键技术方面，加强上中下游联合攻关和技术集成创新，突破混合菌株高密度发酵、固氮菌微胶囊、种子包衣等“卡脖子”关键技术瓶颈。


在生产应用方面，力争研制新一代生物固氮产品，开展田间示范应用，为农业微生物产业和绿色农业发展提供重要技术支撑。


该任务分解了三个阶段的目标。生物固氮1.0版3~5年近期目标是克服天然固氮体系缺陷，创制新一代高效根际固氮微生物产品，在田间示范条件下替代化学氮肥25%；2.0版10年中期目标是扩大根瘤菌宿主范围，构建非豆科作物结瘤固氮的新体系，减少化学氮肥用量50%；3.0版本20年远期目标是探索作物自主固氮的新途径，大幅度减少或完全替代化学氮肥。


张先恩对设定三个阶段目标的做法表示肯定。


北京师范大学教授王英典也强调，农业要想做成大的项目，工程类思想更具有现实意义。该项目已根据工程思维划分了不同阶段的技术目标，这是非常必要和重要的。


北京大学教授王忆平建议，要考虑作物和固氮菌之间的匹配关系，以及气候对固氮效果的影响，从中找到突破口。


张先恩则非常认同该项目引入分子进化、基因组学多组学平台，来研究生物固氮这个复杂体系的设想。（记者李晨）