加州大學戴維斯分校的科學家培育出了一種可以促進自身肥料形成的小麥植株。這是一項可以減少世界各地空氣和水污染的發展。並降低農業成本
這項工作來自植物科學繫著名教授 Eduardo Blumwald 領導的研究小組。當小麥根部將這種特殊化合物釋放到周圍的土壤中時，該團隊使用 CRISPR 基因編輯工具增加了植物天然化學物質的產量。它有助於特定細菌將空氣中的氮轉化為附近植物可以吸收的形式。這個過程稱為固氮。
這項研究發表於 植物生物技術雜誌–
對糧食安全的潛在好處
對於許多發展中地區來說，這一進步可以為可靠的作物生產提供新的支持。
“在非洲，人們不使用化肥，因為他們沒有錢。而且農場很小。不超過 6 至 8 英畝，”Blumwald 說。 “想像一下，您正在種植的植物可以刺激土壤細菌產生植物自然所需的肥料。哇！有什麼不同！”
這項小麥創新建立在該集團之前在水稻方面取得成功的基礎上。類似的工作正在進行中，以將該技術擴展到其他主要穀類作物。
世界各地的化肥問題
小麥是世界上產量第二高的穀物。其中氮肥使用比例最高。 2020年，全球化肥產量超過8億噸，約佔全球總量的18%。根據聯合國糧食及農業組織的數據
植物通常僅吸收施用的氮肥的 30% 至 50%，其餘部分經常流入河流和沿海地區，導致缺氧的“死亡區”，損害水生生態系統。土壤中過量的氮會產生一氧化二氮，這是一種強效溫室氣體。
為什麼小麥需要不同的策略？
固氮細菌產生一種稱為固氮酶的酶。這有時被稱為“固定器”，因為它可以固定氮氣。該酶僅在這些細菌內且僅在低氧環境中起作用。
豆類和豌豆等豆類自然形成根簇。這是一種特殊的結構，會導致這些細菌所需的氧氣不足。
小麥和其他作物大多數沒有這些塊狀物。這就是合成氮肥被廣泛使用的原因。
“幾十年來，科學家們一直在嘗試開發能夠產生活性根瘤的穀類作物，或者嘗試用固氮細菌在穀物中定植。但並不是很成功。我們採取了不同的方法，”布魯姆瓦爾德說。 “我們說固氮細菌的位置並不重要。只要植物能夠獲得恆定的氮，植物就可以利用它。”
加州大學戴維斯分校團隊如何找到可行的解決方案
研究人員檢查了植物自然產生的 2,800 種化學物質，並確定了 20 種可以促進固氮細菌形成生物膜的化學物質。這些生物膜是包裹細菌的粘性塗層。這創造了適合氮活動的低氧微環境。研究小組隨後繪製了植物如何合成這些化合物的圖譜，並確定了所涉及的基因。
有了這些信息，他們使用 CRISPR 改造小麥植株，以生產更多的一種化合物。具體來說，是一種稱為芹菜素的黃酮，因為植物產生的芹菜素超出了它們的需要。然後將多餘的物質釋放到土壤中。在實驗中，這種芹菜素刺激土壤細菌形成保護性生物膜。這使得固氮酶將氮固定成小麥可以吸收的可用形式。
在極低氮肥條件下，與對照植物相比，改良小麥的產量也更高。
為農民帶來豐厚的經濟效益
據美國農業部估計，到 2023 年，美國農民將花費近 360 億美元購買化肥。 Blumwald 指出，該國約有 5 億英畝土地種植穀物。
“想像一下，如果你能節省這片土地 10% 的化肥用量，”他思考道。 “我正在做保守的計算。這應該每年節省超過十億美元。”
其他作家包括 Hiromi Tajima、Akhilesh Yadav、Javier Hidalgo Castellos、Dawei Yan、Benjamin P. Brookbank 和 Eiji Nambara。
加州大學已提交專利申請。目前正在考慮這項工作。拜耳作物科學和加州大學戴維斯分校威爾·萊斯特捐贈基金正在為這項工作提供資金。
