全球主要粮食作物如小麦和玉米，对氮肥的需求巨大。然而，若能像豌豆和大豆那样，借助细菌的力量直接从大气中捕获氮元素，将有望彻底改变农业生产模式。
华盛顿州立大学的研究团队，近日取得一项重大科学突破。他们精确识别并成功转移了固氮根瘤菌中的特定基因簇，将其植入原本不具备固氮能力的其他菌株体内。这一成果预示着未来或可通过基因工程手段，改造谷类作物内部的微生物群，使其也能实现高效固氮。
这项历时十年的研究成果已于5月27日发布在权威学术期刊《当代生物学》上。研究者们专注于内共生这一关键进化机制，即微生物与宿主细胞结合形成新的生命体。在这种关系中，微生物居住在植物细胞内部。理解这类内共生生物对揭示植物在生态系统中的演化与功能至关重要。
初期实验中，研究人员尝试让固氮细菌与非固氮细菌进行“交配”，但成功率极低。为此，他们开发出一种创新型基因工具，显著提高了转化效率。随后，他们成功地将与固氮相关的基因簇，即所谓的“共生岛”，转移到非固氮细菌中。紧接着，这些经过基因改造的细菌与植物细胞进行了数百万次的配对实验。
该论文的资深作者、华盛顿州立大学温哥华分校生物科学副教授斯蒂芬妮·波特指出：“这些挑战凸显了为作物寻找更多天然氮源途径的紧迫性。我们开发的新方法，首次实现了将大段使细菌固氮并定殖宿主植物的基因，成功地转移到了原本完全不具备这些能力的细菌体内。通过这种转化，普通细菌也能转变为能够固氮，并为植物提供养分的益生菌。”
实验结果显示，许多独立的菌株都成功实现了转化，其中与固氮细菌亲缘关系越近的菌株，其成功率也越高。令人意外的是，大多数新形成的相互作用对宿主生物呈现出有益或无害的状态。这与普遍认为新共生关系初期多为寄生、损害宿主的固有观念大相径庭。
论文第一作者、波特实验室的博士后研究员安吉丽卡·蒙托亚表示：“我们的研究有望激励更多科学家继续将这些固氮基因片段转移到新的菌株中，以深入探究它们与宿主基因组的相互作用，并逐步解析其成功或失败的深层机制。”
研究团队的最终目标，是将这种获得固氮能力的细菌植入目前严重依赖化肥的主要农作物中。波特教授强调，如果某种谷物或大豆中存在特定微生物，他们的研究提供了将固氮能力转移至这些微生物的可行技术途径。接下来，科学家们将进一步探索哪些基因和变异在传递固氮能力方面最为高效，以期更有效地完成此类转化，最终帮助农民为作物提供充足的氮源，实现农业的可持续发展。