生命科学   2021, Vol. 33 Issue (12): 1532-1543.  DOI: 10.13376/j.cbls/2021172.
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应用

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燕永亮, 田长富, 杨建国, 王忆平, 林敏. 人工高效生物固氮体系创建及其农业应用. 生命科学, 2021, 33(12): 1532-1543. DOI: 10.13376/j.cbls/2021172.
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YAN Yong-Liang, TIAN Chang-Fu, YANG Jian-Guo, WANG Yi-Ping, LIN Min. Establishment of artificial efficiency biological nitrogen fixation system and its agricultural application. Chinese Bulletin of Life Sciences, 2021, 33(12): 1532-1543. DOI: 10.13376/j.cbls/2021172.
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基金项目

国家自然科学基金项目(31930004);国家重点研发计划(2019YFA0904702);中国农业科学院科技创新工程重大科研任务(CAAS- ZDRW202009)

作者简介

林敏,研究员,国家杰出青年基金获得者、国家“973”项目首席科学家、国务院特殊津贴获得者、新世纪百千万人才工程国家级人选和农业科研杰出人才。主要从事作物根际联合固氮微生物的合成生物学研究以及特殊功能微生物基因资源的开发利用。近年来主持国家“973”项目“生物固氮及相关抗逆模块的人工设计与系统优化”、国家自然科学基金重点课题“固氮施氏假单胞菌A1501在水稻根表定殖的调控机制研究”以及国家转基因重大专项课题“抗逆和抗除草剂关键基因克隆及功能验证”等项目。现任国家重点研发计划合成生物学重点专项专家组成员、农业农村部肥料登记评审委员会专家、中关村量子生物农业产业技术创新战略联盟理事长和《生物技术进展》主编 。

通信作者

林敏:E-mail: linmin@caas.cn

文章历史

收稿日期:2021-10-08
人工高效生物固氮体系创建及其农业应用
燕永亮 1, 田长富 2, 杨建国 3, 王忆平 3, 林敏 1
(1 中国农业科学院生物技术研究所,北京 100081)
(2 中国农业大学,北京 100193)
(3 北京大学,北京 100871)
摘要:在自然界中,某些原核微生物能将空气中的氮气转化为氨,这一过程称为生物固氮。利用生物固氮替代化学氮肥,在农业生产中具有巨大应用潜力。增强根际联合固氮效率,构建结瘤固氮禾本科作物,实现真核生物自主固氮,创制新一代固氮微生物产品,是当前国际生物固氮领域的研发前沿,也是一个世界性的农业科技难题。21世纪兴起的合成生物学将为生物固氮的农业应用提供革命性的解决方案。该文系统综述了生物固氮的研究历程、前沿动态、优先发展方向及其应用前景。
关键词生物固氮    合成生物学    人工固氮体系    化肥替代    
Establishment of artificial efficiency biological nitrogen fixation system and its agricultural application
YAN Yong-Liang 1, TIAN Chang-Fu 2, YANG Jian-Guo 3, WANG Yi-Ping 3, LIN Min 1     
(1 Biotechnology Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)
(2 China Agricultural University, Beijing 100193, China)
(3 Peking University, Beijing 100871, China)
Abstract: Only a selected group of Bacteria and Archaea, called diazotrophs, have evolved the ability to reduce N2 to generate ammonium in a process known as biological nitrogen fixation. The use of biological nitrogen fixation instead of chemical nitrogen fertilizer has great application potential in agricultural production. Enhancing the efficiency of crop root-associated nitrogen fixation, developing root nodule symbioses strategies in cereals, creating artificial nitrogen-fixing eukaryotes, and producing a new generation of nitrogen-fixing microbial products are the frontiers of biological nitrogen fixation research and development in the world at present, while are also a global challenge of agricultural science and technology.The synthetic biology emerging in this century will provide a revolutionary solution to the agricultural application of biological nitrogen fixation. The research ourse, frontier trend, priority development direction and application prospect of biological nitrogen fixation are systematically reviewed.?
Key words: biological nitrogen fixation    synthetic biology    artificial nitrogen-fixing system    chemical fertilizer replacement    

氮素是植物生长的必需元素之一,也是农业高产稳产的限制因子;但不合理的氮肥施用也带来了严重的环境污染和食品安全等全球性问题,而我国所面临的形势尤为严峻[1-2]。中国是世界上最大的氮肥生产和使用国,在占世界7%的耕地上消耗了全世界30%以上的氮肥。据统计,2017年我国化肥施用达到了2 220.6万吨,使用量占到世界总量的35%,平均单位耕地面积使用量达到了434.3千克/公顷,是美国等发达国家认定的225千克/公顷安全上限的近两倍[3]。导致我国氮肥过度使用的一个重要原因是我国农作物氮肥利用效率普遍不高。据统计,目前我国氮肥利用率平均只有35%左右,而发达国家高达60%[4]。根据2015年中国污染普查结果,农田排放的氮量占全国排放总量的57.2%,是造成我国土壤退化、地下水污染、河流和浅海水域生态系统富营养化的主要污染源。利用生物固氮部分或完全替代化学氮肥,在农业生产中不仅能节肥节能,同时还能增产增效,在农业生产中应用意义重大[5]

在自然界中,某些原核微生物能将空气中的氮素转化为氨,这一过程称为生物固氮[6]。相比工业合成氨通常需要200~500个大气压、500 ℃高温和催化剂作用等苛刻条件,生物固氮最神奇之处是能在常温常压下,通过固氮酶将空气中的氮气还原为氨[7]。地球上生物固氮每年固定的氮素量可达2亿吨,约占全球作物需氮量的3/4[8]。因此,生物固氮又被称之为“空气炼金术”或“空气面包术”(图 1)。但是,天然固氮体系存在宿主范围窄和固氮活性受环境影响大等缺陷,固氮生产菌株存在竞争力弱和田间应用效果不稳定等问题,从而大大局限了生物固氮在农业生产中广泛应用[7, 9]。如何增强根际联合固氮效率,构建结瘤固氮禾本科作物,实现真核生物自主固氮,创制新一代固氮微生物产品,是当前国际固氮领域的研究前沿,同时也是一个世界性的农业科技难题[10-12]。21世纪兴起的合成生物技术被誉为是改变世界的十大颠覆性技术之一,将为生物固氮这一世界性农业科技难题提供革命性的解决方案,对于颠覆传统农业依赖氮肥的生产方式、保障全球粮食安全和生态安全具有重要意义[13]

图 1 生物固氮与工业合成氨
1 简要历史回顾

生物固氮研究始于19世纪80年代,欧洲科学家证明根瘤菌纯培养物导致豆科植物固氮根瘤的形成,迄今不过130多年的历史[6]。1895年,第一例根瘤菌剂(Nitragin)在美国推出,也是国际上首例商业化的生物肥料[14]。19世纪末到20世纪初,从土壤中首次分离鉴定了豆科根瘤菌和自生固氮微生物,如圆褐固氮菌等[15-16]。20世纪40年代初,15N同位素示踪法应用于固氮研究,证明NH3是生物固氮的产物,并逐步成为实验室和田间评价固氮活性的国际通用方法[17-18]。20世纪60年代,采用巴氏梭菌的无细胞抽提液,首次实现在无细胞体系中固氮酶系将氮气还原成氨,其后证明固氮酶是一个由钼铁蛋白和铁蛋白组成的6亚基复合酶系,使得生物固氮研究从整体细胞水平进入无细胞的生物化学研究阶段[19-20]。1972年,成功实现固氮基因簇的异源转移,首次获得具有固氮能力的重组大肠杆菌[21]。20世纪80年代,根际联合固氮微生物,如巴西固氮螺菌等被分离鉴定,并在世界各地的田间试验中被证明在非豆科粮食作物上具有明显的节肥增产效果[22];携带固氮正调控基因nifA的固氮产酸克雷伯氏菌耐铵工程菌株被构建,其根际固氮活性提高3~5倍[23]。20世纪90年代,解析了固氮酶活性中心原子簇FeMoco的三维结构[24-25],为实现人工固氮酶在温和条件合成氨奠定了重要的结构生物学基础。1997年,转dctABC/nifA基因的重组苜蓿根瘤菌在美国被批准有限商品化生产,是世界首例进入田间应用的基因工程固氮菌产品[26-27]。2000年,转ntrC-nifA基因的水稻根际联合固氮菌耐铵工程菌株在中国被批准有限商品化生产,是我国首例进入田间应用的基因工程固氮菌产品[28]。2001年,苜蓿中华根瘤菌完成全基因测序[29],标志着生物固氮研究进入组学和基因工程研发的新阶段。目前,600余种固氮微生物以及400余种豆科植物已完成全基因组测序,为固氮基因网络调控以及固氮微生物与植物相互作用分子机理的揭示,提供了全新的视野和研究平台。2011年,比尔·盖茨基金会资助欧盟一个研究团队,开展扩大共生结瘤固氮范围,人工构建非豆科作物结瘤固氮体系的探索性研究工作,终极目标是实现非豆科C4作物玉米结瘤固氮[30]

近年来,随着生命科学和生物技术的迅猛发展,多组学、系统生物学、合成生物学与计算生物学等前沿学科交叉融合,固氮微生物资源利用[14]、基因组演化[31-33]、代谢网络解析[34-35]、根际微生物组与宿主互作[36-37]、人工固氮体系构建[38-41]以及固氮结构生物学[42]等方面取得重要研究进展。特别是21世纪兴起的合成生物学,其具有强大的计算预测、智能设计和合成组装能力,被誉为可能改变世界的十大新技术之一,利用其技术平台有望实现固氮系统的模块化、固氮线路的最优化和人工固氮体系实用化,将为生物固氮这一世界性农业科技难题提供革命性的解决方案[43-44]。2020年,《自然-通讯》杂志发文,把人造肉汉堡、基因编辑高油酸大豆和高效固氮工程菌肥列为正在改变世界并已面向市场的高科技产品[45]

2 国内外研发与产业化动态

目前,国际上围绕扩大共生结瘤固氮范围,将人工构建非豆科作物结瘤固氮体系作为重点开展合成生物学研究,如英国剑桥大学的Giles Oldroyd团队借助菌根共生体系的部分信号通路,在非豆科植物体内搭建可以响应根瘤菌的共生信号转导途径[46]。牛津大学的Philip Poole团队通过合成生物学使大麦等作物产生Rhizopines信号转导途径,让该工程植物可以与其根系周围细菌进行交流并加以控制,使它们能够利用这些细菌来促进生长,包括提高固氮能力[47]。丹麦奥尔胡斯大学的Jens Stougaard团队建立了豆科植物识别根瘤菌结瘤因子受体,异源表达结瘤因子受体可扩大根瘤菌的宿主范围[48]。美国麻省理工学院的Christopher A. Voigt团队在大肠杆菌底盘中实现产酸克雷伯氏菌钼铁固氮酶系统的重头设计合成,达到产酸克氏杆菌固氮酶活的57%[49]。西班牙马德里理工大学的Luis M. Rubio研究小组在真核底盘中实现固氮酶核心酶铁蛋白亚基的功能性构建[50],部分解决了真核底盘中辅因子组分合成的可溶性问题[51]。美国普渡大学的Laramy Enders团队通过系统表征被称之为作物的第二基因组,对作物生长和健康至关重要的根际微生物群落组,提出在不同农业生态系统中进行精准根际微生物组管理的新策略[52]。近年来,我国科学家在根瘤菌结瘤固氮能力的适应性演化[32, 53-55]、豆科植物演化机制[56]、豆科植物识别共生信号及根瘤的发生与数量调控机制[57-58]、超简固氮基因组构建[59]、叶绿体的电子传递链与固氮酶系统的适配性[60]、真核线粒体中固氮酶稳定表达[61-62]以及人工非编码RNA固氮调控元件[63-65]、耐铵泌铵固氮模块[66-67]、根际微生物组与宿主互作[68-70]以及人工根际高效固氮体系创建[71-72]等方面取得重要进展,相关研究处于国际先进水平。从1972年第一个人工固氮大肠杆菌创建以来,固氮基因工程和合成生物学研发取得了一系列重要进展,为人工固氮体系的农业应用奠定了重要理论基础与技术支撑(表 1)。

表 1 国内外生物固氮基因工程和合成生物学研发进展

全球生物肥料产业主要以固氮菌为主,固氮生物技术发展势头强劲,全球生物肥料市场规模保持稳定增长的态势,国际固氮生物技术产业出现新一轮的技术升级与产业革命。英国农业技术公司Azotic Technologies采用生物工程和种衣剂技术,研发固氮技术产品Envita,2018年在美国玉米和水稻田间试验中平均提高产量达5%~13%。同时,生物固氮前沿核心技术已成为国际资本市场的融资热点和国际高科技企业的开发重点。农业微生物组领域估值最高的美国Indigo公司利用种子包衣技术,将固氮微生物包裹在种子表面,协助作物抵抗干旱等环境胁迫,2017年融资总额超过3亿美元。美国Pivot Bio是第一家将高效固氮技术应用于农业的科技公司,2021年完成4.3亿美元D轮融资,累计融资超过6亿美元。生物固氮技术研发及其农业应用一直是我国科技计划重点支持领域。国家《“十三五”生物产业发展规划》、《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》、《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》均明确提出,加快高效固氮等绿色高效生物肥料新产品产业化,把农业微生物等重大新品种创制列入前瞻性、战略性的国家重大科技项目。目前,我国已有微生物肥料企业3 500余家(含境外28家)、登记产品9 000多种,已形成产能达2 000万吨、产值近400亿元的产业规模。但是,我国市场主导的固氮产品剂型及施用方式单一,相关产业关键核心技术水平低,市场竞争力差;此外,传统固氮产品拌种技术操作费时,且以人工播种为主,应用效果不稳定,难以满足当前我国农业现代化发展的迫切需求,亟待在生物固氮前沿理论与相关产业关键技术上取得突破。

3 科学未解之谜与关键瓶颈问题

生物固氮是最古老的生命现象,有35亿年进化历史。生物固氮领域存在许多科学未解之谜,如为什么自然界中只有某些原核微生物具有固氮能力,为什么根瘤菌只能在豆科植物上形成固氮根瘤,为什么植物在25亿年漫长进化过程中形成了叶绿体却没有形成固氮体等。固氮酶的结构和功能高度保守,是目前自然界中所发现的唯一一个能在常温常压下催化氮气还原为铵的蛋白酶。生物固氮是一个需要高度耗能并受到精细调控的还原过程,理论上讲,固氮酶还原一个氮气分子,需要8个高能电子和16个ATP,才能生成2个铵分子[9]。固氮酶的一个重要特性是对分子氧具有高度的敏感性,遇氧不可逆地失活[89]。固氮基因通常只在无氮条件下高水平表达,固氮生成的产物铵反馈抑制固氮基因的表达[9, 90],特别是田间施肥条件下,高浓度的铵抑制根际固氮活性。因此,固氮酶的氧失活、固氮基因表达的铵抑制及固氮反应的高度耗能是高效固氮的三个关键限制因子。

目前,已应用于农业生产的固氮微生物只有共生结瘤和根际联合固氮两种。共生结瘤微生物固氮效率高,通常为75~300千克纯氮/公顷/年,可为豆科植物生长提供100%的氮素来源[91]。然而,共生固氮微生物宿主特异强,不能应用在非豆科的粮食作物上[92]。根际联合固氮菌广泛分布于非豆科粮食作物根际,能紧密结合作物根表或侵入内根际生长和固氮,在非豆科作物节肥增产方面具有巨大的应用潜力[31, 93]。但另一方面,根际联合固氮微生物由于不能形成根瘤等共生结构,受根际胁迫因子如盐碱、干旱等的影响非常大,导致其固氮效率低下,通常为1~50千克纯氮/公顷/年。

上述固氮体系的天然缺陷成为制约生物固氮在农业中广泛应用的关键瓶颈问题,亟待从三个技术层面开展系统研究,加快人工高效生物固氮技术农业应用:一是针对“固氮酶铵抑制、氧失活及固氮产物不能分泌胞外”等自然法则,开展相关理论研究和设计原理探索,人工设计固氮元件、模块和线路,改造固氮模式菌底盘;二是针对固氮体系的天然缺陷,开展根表耐铵泌铵与氮高效利用模块偶联、人工高效固氮及其相关抗逆基因线路集成研究,创建人工根际联合固氮体系,研发新一代生物固氮概念产品;三是针对传统固氮技术田间应用效果不稳定、不能满足农业现代化发展需求等问题,重点突破固氮包膜和固氮微囊先进技术工艺,开发适用于机械化播种、水肥一体化滴灌和无土栽培的新型高效固氮产品(图 2)。

图 2 人工高效生物固氮技术及其农业应用路线图
4 前沿领域与优先发展方向

根据固氮微生物与宿主作物的关系,生物固氮可分为自生固氮、共生固氮和联合固氮等三种类型。共生固氮和联合固氮已应用于农业生产,其中共生结瘤固氮体系效率最高,但仅限于豆科植物,应用潜力有限。根际联合固氮菌广泛分布于非豆科粮食作物根际,但受根际环境影响较大,固氮效率低下,从而大大局限了生物固氮在农业生产中的广泛应用。提高根际联合固氮效率,扩大根瘤菌寄主范围,实现植物自主固氮是当前生物固氮研究的前沿领域和优先发展方向[11, 46, 94]

4.1 非豆科作物人工结瘤固氮体系创建

在自然界中,结瘤固氮仅限于与根瘤菌共生的豆科植物和榆科山黄麻属植物,以及与弗兰克氏放线菌共生的少部分非豆科木本植物。然而,菌根在植物界广泛存在,诱导菌根和根瘤共生体形成的机制非常相似,菌根因子的结构类似于结瘤因子,根瘤菌和菌根在早、中期具有共同的信号转导通路,以菌根因子介导的信号途径同样存在于禾本科农作物中[95]。此外,结瘤共生固氮深度同源的祖先起源可能只涉及到几个关键的主调控因子,如转录因子NIN是一个关键枢纽基因,能够解释固氮分支4个目10个固氮科多样性分布的分子机制[56]。通过比较菌根和根瘤共生体信号转导途径的异同,尤其是信号受体和转录激活因子的差异,可为根瘤菌在禾本科植物上结瘤固氮提供新思路和新途径[96]

未来优先发展方向:(1)结瘤固氮起源与生物多样化演化机制,以及豆科植物-根瘤菌共生固氮的形成机制等;(2)非豆科植物识别共生菌的分子机理,包括非豆科植物对根瘤菌的识别和响应根瘤菌入侵模块、血红素/豆血红蛋白/血红素氧化酶为核心的氧保护模块、根瘤发育分子模块及固氮基因回路设计与优化;(3)水稻和玉米等非豆科粮食作物底盘的人工根瘤器官形成策略及其结瘤固氮探索。

4.2 人工广谱结瘤基因回路和高效共生系统创建

根瘤菌-豆科植物共生固氮体系对农业的可持续性发展至关重要,也是研究原核与真核生物互利共生的模式体系之一(图 3)[56]。影响田间共生固氮效率差异的因素涉及根瘤菌在不同地区土壤中的存活能力差异、与优势土著根瘤菌的竞争结瘤能力差异,以及与同一作物不同品种的共生固氮效率差异等。针对上述问题,深入研究结瘤固氮功能在新基因组背景下的整合效率及机制、近缘菌种结瘤固氮效率差异的机理、根瘤菌的根表定殖机理等,利用合成生物学设计与优化广谱结瘤-高效固氮基因回路将是从根本上解决根瘤菌剂田间应用效果不稳定的有效策略[94]

A:典型的依赖于根毛侵染的结瘤过程;B:根瘤菌关键共生基因和其他功能基因介导的代谢及调控途径(引自文献[56]并修改) 图 3 根瘤菌-豆科植物共生体系建立示意图

未来优先发展方向:(1)系统解析广宿主根瘤菌的广谱结瘤和高效固氮机制,挖掘新型宿主范围和固氮效率调控元件与功能模块,设计并不断优化人工广谱结瘤-高效固氮基因回路;(2)以主要豆科作物的广布土著根瘤菌为底盘,搭建人工广谱结瘤-高效固氮基因回路,并研究关键适配调控因子及其作用机理,优化适配效率;(3)系统研究结瘤固氮基因在广布根瘤菌与其他土壤细菌间的水平转移机制,设计结瘤固氮基因水平转移的抑制模块,阻遏人工广谱结瘤-高效固氮基因回路在土壤细菌间的扩散,从而维持人工广布高效根瘤菌在田间应用效果上的稳定性。

4.3 根际人工高效智能联合固氮体系创建

从20世纪70年代以来,在水稻、甘蔗、玉米、小麦及牧草等非豆科作物根际分离鉴定了大量的固氮微生物,这类微生物不能形成类似于根瘤的特异组织,但是,可以紧密结合根表或侵入内根际生长和固氮,与宿主作物形成的是一种相对松散的互惠互利关系,这种固氮体系被称为根际联合固氮体系[31, 93]。目前,根际联合固氮研究主要是围绕根际联合固氮体系存在的天然缺陷开展相关研究工作,特别是在高效固氮、泌铵耐铵、智能抗逆等功能的人工元器件设计和根际固氮体系改造应用等方面已取得重要进展[35, 63-64, 67, 71]。但由于目前对固氮微生物与宿主作物之间的相互作用机制缺乏深入了解,人工根际固氮体系还处于实验室探索阶段,进入田间应用尚需要在理论与技术方面取得突破(图 4)。

问号表示参与根际联合固氮的功能未知基因以及有待深入研究的相关调控机制 图 4 根际联合固氮网络调控示意图

未来优先发展方向:(1)针对上述影响固氮效率的主要限制因子,人工设计非编码RNA调控元件、耐铵泌铵模块和构建高效固氮基因回路;(2)人工设计多水平调控的耐非生物逆境模块、碳源高效利用模块和根表生物膜形成模块,构建高效固氮相关的智能抗逆基因回路;以根际联合固氮微生物为底盘,进行人工调控元件、功能模块和基因回路适配性的研究和系统优化,研发适用于机械化播种、水肥一体化滴灌和无土栽培等农业现代化生产方式的新型固氮产品;(3)以固氮微生物和宿主作物为底盘,进行人工基因回路适配性研究和系统优化,通过氮高效转运模块与泌铵模块偶联,创建高效智能的人工根际联合固氮体系,并进行田间固氮贡献原位评价与节肥增产示范应用研究。

4.4 作物根际人工高效固氮微生物组创建

植物根际微生物被认为是植物的第二基因组,对植物的生长和健康具有重要作用[97]。根际微生物中的固氮菌等有益微生物具有活化根区养分、促进植物生长、增强植物抗逆、抑制土传病害等功能[98-99]。随着基因组学尤其是高通量测序技术的发展,重要农作物如水稻、玉米、小麦,能源作物如甘蔗等根际微生物组及固氮微生物群落都已获得阐释[100-101]。挖掘根际微生物组的功能,促进作物增产是当前农业固氮微生物研究的重要前沿领域[102-103]。2019年,美国国家科学院、工程院和医学院联合发布题为Science Breakthroughs to Advance Food and Agricultural Research by 2030的研究报告,将植物根际微生物组列入未来10年农业领域亟待突破的五大研究方向之一。

未来优先发展方向:(1)通过对表面微生物组和内生微生物组及其功能基因组的高通量分离、鉴定、测序和大数据挖掘,分析作物根际固氮微生物组的协同进化与生态效应;(2)开展作物根际固氮微生物组的养分高效利用机制研究,挖掘和利用潜在的具有养分高效转化功能的固氮微生物核心功能组;(3)开展作物根际固氮微生物组抗胁迫的互作机理研究,揭示宿主作物、根际环境与固氮微生物组互惠共生的分子机制;(4)开展作物根际固氮微生物组模块创建与系统优化研究,创建人工高效固氮微生物组并进行田间示范应用研究。

4.5 人工自主固氮真核微生物和植物创建

自然界中只有部分原核微生物具有固氮能力,所有真核生物均不能固氮。在真核生物中实现固氮酶系统的功能性重构,亟待解决的关键瓶颈问题包括固氮酶在新宿主中的氧隔离和能量代谢供应。植物细胞器叶绿体和线粒体作为植物细胞中主要的能量转化场所,可为固氮酶系统提供充足的能量供给,因此被认为是最适合导入固氮酶系统的真核细胞器[104],但需要克服细胞器中固氮酶组分稳定性差、固氮酶系统的氧保护以及细胞器钼元素缺乏等障碍。采用合成生物技术实现模块化电子传递链介导的光合与固氮偶联,是创建人工固氮细胞器的技术关键(图 5)。

固氮酶系统导入植物细胞叶绿体、白质体以及线粒体中,通过电子传递链的模块化和适配优化,实现固氮反应的电子及能量供应(引自文献[60]并修改)。 图 5 人工植物细胞中模块化电子传递链介导的光合与固氮偶联模式图

未来优先发展方向:(1)利用合成生物学平台设计构建新型人工固氮酶系统,包括超稳固氮酶模块、固氮酶氧保护模块以及细胞器中钼元素转运模块设计等,进一步提高固氮酶系统的稳定性、通用性和高效性;(2)开展其在真核生物底盘中的适配性研究,挖掘底盘宿主中可用功能模块,包括电子传递链模块、金属原子辅因子合成模块等,为最终将固氮酶系统导入植物细胞器实现植物自主固氮提供理论支持以及可用功能模块;(3)开展原始光合固氮蓝细菌的起源与进化研究,探索植物人工“固氮体”细胞器创建的可行性。

5 结语和展望

当前,国际上围绕生物固氮技术研发与农业应用,提出三阶段发展目标,即近期目标(高效固氮技术1.0版)是克服天然固氮体系缺陷,创制新一代人工高效固氮技术产品,在田间示范条件下替代化学氮肥用量25%;中期目标(结瘤固氮技术2.0版)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%;远期目标(自主固氮技术3.0版)是探索作物自主固氮的新途径,在特定条件下完全替代化学氮肥[10, 105-106]。中国是一个传统农业大国,农业是重要的温室气体排放源,同时具有巨大的碳汇潜力。人工高效生物固氮技术具有绿色环保、节能减排等优点,因为每减施1吨氮肥可节约2 800千克优质煤和1 600度电能,同时减少大量温室气体,如二氧化碳的排放。“生物固氮增汇肥料技术”已列入我国“碳中和技术路线发展图”,其农业应用将为我国农业绿色高质量发展和“碳中和”目标的实现发挥重要支撑作用[107]。人工高效生物固氮技术采用合成生物学模块化概念和系统设计理论,打破生物固氮反应遵循的自然法则,克服生物固氮体系的天然缺陷,突破传统固氮技术田间应用效率低下、应用效果不稳定等产业瓶颈问题,创建人工高效生物固氮体系并实现节肥增产增效的田间示范应用,为现代农业生产提供一种节能低碳、生态友好的生物供氮途径,将完全颠覆过度依赖化学氮肥的传统农业生产方式。

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