研究人員將研發(fā)出能夠結(jié)合氮素固定能力細(xì)菌來結(jié)束人工化肥的時(shí)代

在過去的 100 年里，自從德國化學(xué)家 Fritz Haber 和 Carl Bosch 發(fā)現(xiàn)從空氣中強(qiáng)行提取氮肥的方法后，農(nóng)民就一直在依賴這種并不完美的產(chǎn)品幫助作物生長。

這種制造化肥的方法擁有眾多缺點(diǎn)：生產(chǎn)過程每年消耗全球天然氣 3% 的使用量，向大氣中排放大量的溫室氣體，還造成水資源污染。這種依賴化石燃料生產(chǎn)化肥來生產(chǎn)食物的方法并不是可持續(xù)發(fā)展的。但是，要在全球變暖不斷惡化的情況下解決 90 億人的溫飽問題，這也實(shí)屬無奈之舉。

一種解決方法是在人類的飲食結(jié)構(gòu)中加入大量的豆科植物?；ㄉ⑼愣沟鹊亩箍浦参锬軌?yàn)樽陨碇圃旎?，所以不會對氣候造成破壞?/p>

豆科植物可以作為一種叫做氮素固定者的細(xì)菌的寄主。這些細(xì)菌會侵入植物的根毛并形成結(jié)點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，來將土壤中豐富的氮元素轉(zhuǎn)化為氨。植物會利用這些氨進(jìn)行光合作用生產(chǎn)養(yǎng)料。然而，目前世界上的主要農(nóng)作物（如玉米、大麥、水稻等）都不能作為氮素固定者的合適寄主。這就是為什么這些作物需要大量的人造化肥的原因。

圖丨表面涂有特殊細(xì)菌的玉米種子能夠防止植物根部被蟲蛀。

解決這一問題還有另一種方法，那就是研制出一種不僅擁有強(qiáng)大的氮素固定能力，還能夠在任何植物的根部生長的細(xì)菌。這樣一來，我們就能夠?qū)⑦@種細(xì)菌涂抹在擁有無限保質(zhì)期的種子上并發(fā)售到世界上任何地方。

這就是一家農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新企業(yè)的計(jì)劃。這家企業(yè)宣稱將對農(nóng)作物種子的相關(guān)技術(shù)開展在截至目前同類企業(yè)中最大的投資。上周四，德國生化產(chǎn)業(yè)巨頭拜爾（Bayer）宣布將與來自波士頓的生物科技初創(chuàng)公司 Ginkgo Bioworks 合作，共同創(chuàng)立一家新公司以試圖結(jié)束人工化肥的時(shí)代。

新公司的臨時(shí) CEO、拜爾作物科技集團(tuán)（Bayer Crop Science）生物部總管 Mike Miile 表示：“我們知道這些氮素固定者細(xì)菌能夠?yàn)橹参飵砣斯せ仕鶡o法滿足的好處。但是，由于這種細(xì)菌進(jìn)化的結(jié)果，它們只能夠結(jié)合到特定植物的根部。我們正在研究如何解決這個(gè)問題?！?/p>

新公司（目前還并沒有名字）將會在 Ginkgo 即將竣工的全自動 DNA 車間以及拜爾作物科技集團(tuán)（Bayer Crop Science）在西薩克拉門托的研發(fā)中心進(jìn)行合作研究。拜爾公司的科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始了對其擁有的細(xì)菌庫進(jìn)行檢索來篩選出適合這種任務(wù)的細(xì)菌來寄給波士頓的實(shí)驗(yàn)室。在成百上千的細(xì)菌中，科研人員希望能夠選擇出多樣化的眾多氮素固定者使 Ginkgo 的研究人員能夠最早在下個(gè)月前開始研究。

這種篩查工作能夠讓研究人員找出哪個(gè)基因是氮素固定的主要影響因素。然而，由于研究人員沒有土壤中細(xì)菌的染色體圖譜作為參考，這樣的過程將會十分困難。不過，一旦這種篩查成功，研究人員將會利用這些基因來設(shè)計(jì)并合成 DNA 來生產(chǎn)新的細(xì)菌供研究人員進(jìn)一步探索。

最終，研究人員將研發(fā)出一種能夠結(jié)合氮素固定能力與種子表面吸附能力的細(xì)菌。這種細(xì)菌需要符合眾多標(biāo)準(zhǔn)：能夠離開水存活很久，并在種子重新接觸水時(shí)再次活躍；能夠在培養(yǎng)皿中生長（大部分自然中的氮素固定細(xì)菌都沒有這種特點(diǎn)）；還需要能夠被批量化生產(chǎn)。

圖丨在 Ginkgo 位于波士頓的 DNA 工坊中，機(jī)器人正在根據(jù)基因篩選特殊的細(xì)菌。

利用初始的 1 億美元資金，以及目前最先進(jìn)的 DNA 合成機(jī)器人，這個(gè)公司希望在接下來的 5 年之內(nèi)在西薩克拉門托的農(nóng)田中播種帶有氮素固定者細(xì)菌涂層的。

但是，要實(shí)現(xiàn)這樣的計(jì)劃是困難重重。其中的一點(diǎn)原因是氮素固定是一個(gè)十分復(fù)雜的過程。在將氮素轉(zhuǎn)化為氨的過程中，至少有 20 個(gè)基因與這個(gè)過程利用的蛋白質(zhì)直接相關(guān)，而與其中新陳代謝過程間接相關(guān)的蛋白質(zhì)還需要牽扯到更多的基因?？傊?，要重建這種自然中最基本的生化過程是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

即使研究人員成功重建了這種過程，要在現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)現(xiàn)這種細(xì)菌的應(yīng)用是十分困難的。研究人員對于發(fā)芽的種子周圍的環(huán)境（叫做spermosphere）的知識十分有限：我們并不知道生長中的植物所產(chǎn)生的糖分、酶以及細(xì)菌對周圍土壤的影響。

總而言之，豆科植物與寄生的氮素固定者細(xì)菌之間的關(guān)系是數(shù)百萬年來進(jìn)化的結(jié)果。我們對其他植物如水稻、小麥以及玉米等是否也能夠產(chǎn)生這種關(guān)系一無所知。Ginkgo 公司的合伙創(chuàng)始人以及首席執(zhí)行官 Jason Kelly 表示：“我們在這方面知識不足將成為我們需要克服的主要挑戰(zhàn)之一。但是，植物對氮素的需求正是這種寄生關(guān)系產(chǎn)生的重要推動原因之一。生物進(jìn)化的趨勢必然有利于實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)?！蔽覀兒苡锌赡茉诓痪玫膶硪姷竭@項(xiàng)技術(shù)為我們所帶來的效益。