細菌改造:實現植物肥料自供自給

對農業和地球環境將產生革命性影響

2018年07月18日08:43  來源:科技日報
 
原標題:改造細菌可使植物自己制造肥料

植物能自己制造肥料聽起來像是科幻故事,但據最新一期雙月期刊《mBio》報道,美國研究人員創建出一種細菌,在白天可利用光合作用產生氧氣,在夜間則利用氮氣產生葉綠素。這一發現可能對農業和地球健康產生革命性的影響。

肥料制造是能源密集型產業,生產過程排放的溫室氣體是氣候變化的重要驅動因素。植物利用肥料中的氮產生用於光合作用的葉綠素,但商業肥料中隻有不到40%的氮能進入植物。而且給植物施肥后,肥料還會流失,經由雨水流入江河湖海,給藻類提供養料使其迅速繁殖,造成生態災害。

雖然沒有植物可從空氣中固氮,但有一部分藍藻(像植物一樣進行光合作用的細菌)可做到這一點。在新研究中,華盛頓大學聖路易斯分校生物系裴克拉西實驗室使用了Cyanothece細菌來固氮。

藍藻是唯一像人類一樣具有晝夜節律的細菌,Cyanothece在白天進行光合作用,將太陽光轉化為化學能﹔在夜間通過呼吸去除光合作用過程中產生的大部分氧氣后固氮。

研究團隊的設計思路是從Cyanothece中獲取負責晝夜機制的基因,並將其植入另一種藍藻細菌Synechocystis中,以誘導其從空氣中固氮。研究團隊發現,一組連續的35個基因隻在夜間工作,而在白天基本上保持靜默。

Synechocystis的固氮率僅為Cyanothece的2%。然而,當通過基因工程插入24個Cyanothece晝夜機制基因時,Synechocystis的固氮率達到了Cyanothece的30%以上。隨著添加少量氧氣(最高為1%),其固氮率顯著下降,但隨著來自Cyanothece的不同基因組的增加,固氮率再次上升,盡管與無氧條件相比還有差距。

研究團隊的下一步工作是,深入研究該過程的細節,進一步縮小固氮所需的基因子集,並與植物科學家合作,將研究成果應用到下一個層次:固氮植物。(馮衛東)

(責編:趙清(實習生)、熊旭)

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