植物和固氮菌之间的基因工程关联可以减少对合成肥料的依赖

氮是植物生长必需的营养物质，但在农业中过度使用合成氮肥是不可持续的。在9月26日发表在《微生物学趋势》杂志上的一篇评论文章中，细菌学家和植物科学家组成的团队讨论了利用基因工程促进植物和称为“固氮微生物”的固氮微生物之间的互利关系的可能性。这些工程关联将通过模仿豆类和固氮细菌之间的共生关系来帮助农作物从空气中获取氮。

由威斯康星大学的资深作者Jean-MichelAné领导的研究小组写道：“设计缔合固氮菌为作物提供氮是一种有前途且相对较快实现的解决方案，可解决与合成氮肥相关的高成本和可持续性问题。”麦迪逊。

固氮菌是土壤细菌和古细菌的一种，它们能自然地将大气中的氮“固定”成铵，这是植物可以利用的来源。其中一些微生物与植物形成了互惠关系，植物为它们提供碳源和安全、低氧的家园，作为回报，它们为植物提供氮。例如，豆科植物根部的小根瘤中含有固氮微生物。

然而，这些互利共生仅发生在少数植物和少数作物物种中。如果更多的植物能够与固氮剂形成联系，就会减少对合成氮肥的需求，但这种关系需要亿万年才能自然进化。

如何增强非豆科作物的固氮作用是农业领域持续面临的挑战。人们提出了几种不同的方法，包括对植物进行基因改造，使其自身产生固氮酶(固氮剂利用这种酶将大气中的氮转化为铵)，或对非豆科植物进行工程改造以产生根瘤。

另一种方法(本次综述的主题)将涉及对植物和固氮微生物进行工程改造，以促进互利共生。从本质上讲，植物将被改造为更好的宿主，而微生物将被改造为在遇到改造后的植物宿主分泌的分子时更容易释放固定氮。

作者写道：“由于自由生活或缔合性固氮生物不会无私地与植物分享固定氮，因此需要操纵它们释放固定氮，以便植物能够获取它。”

该方法将依赖于植物和微生物之间的双向信号传导，这种信号已经自然发生。微生物具有化学感受器，使它们能够感知植物分泌到土壤中的代谢物，而植物能够感知与微生物相关的分子模式和微生物分泌的植物激素。这些信号传导途径可以通过基因工程进行调整，以使工程植物和微生物对之间的通讯更加特异性。

作者还讨论了如何使这些精心设计的关系更加高效。由于固氮是一个能源密集型过程，因此微生物能够调节固氮并仅在必要时产生铵将非常有用。

作者写道：“依靠植物依赖性小分子的信号传导，将确保只有当工程菌株接近所需作物物种时，氮才能被固定。”“在这些系统中，细胞仅在对作物最有利时才进行能量密集型固定。”

许多固氮微生物可以为植物提供固氮以外的额外益处，包括促进生长和抗逆性。作者表示，未来的研究应该集中于“叠加”这些多重好处。然而，由于这些过程是能源密集型的，研究人员建议开发由多个物种组成的微生物群落，每个物种都提供不同的好处，以“在多个菌株之间分散生产负荷”。

作者承认，转基因是一个复杂的问题，在农业中大规模使用转基因生物需要公众的接受。作者写道：“科学家、育种者、种植者和消费者之间需要就这些新兴技术的风险和收益进行透明的沟通。”

还有生物遏制的问题。由于微生物很容易在物种内部和物种之间交换遗传物质，因此需要采取措施防止转基因材料扩散到周围生态系统中的本地微生物中。实验室已经开发了几种这样的生物遏制方法，例如，对微生物进行工程设计，使它们依赖于天然无法获得的分子，这意味着它们将被限制在工程宿主植物所在的领域，或者布线具有“杀死开关”的微生物。

作者认为，如果这些控制措施是分层的，则可能会更有效，因为每种措施都有其局限性，并且他们强调需要在作物生长的可变田间条件下测试这些工程植物-微生物互利关系。

作者写道：“由于生物和非生物环境因素及其对植物、微生物及其相互作用的影响的高度可变性，植物与微生物相互作用的实际应用及其从实验室到陆地的转变仍然具有挑战性。”

“在温室等高度控制的环境中进行的试验通常很难转化为现场条件，我们建议工程菌株应该在高度重复的现场试验下更容易进行测试。”