探究新知

    生物科学技术是当前最活跃的高新科技之一，已广泛应用于农林牧鱼医药及环保等行业，取得了巨大的经济效益、社会效益和生态效益，具有广阔的发展前景。生物固氮遗传工程是生物科技前沿领域之一，成为许多国家的重点研究课题，受到联合国教科文组织、粮农组织和国际发展计划、环境计划的重点支持，被列为国际农业研究中心的重点课题。


生物圈N循环示意图

 
    空气主要由氧气和氮气组成，其中氮气约占4/5。在自然界的千万种生物中，有一些生物能够直接吸收空气中的氮素作为养料，它们将分子态氮先还原成氨，再转化为氨基酸和蛋白质。这就叫生物固氮。例如，豆科植物，其根部长有许多小球，它是由根瘤菌共生形成的根瘤，就具有固氮作用；又如稻田中的水生蕨类植物满江红(俗称红萍)，由于叶腔中有固氮鱼腥藻共生而能吸收和利用大气中的氮；以上两种形式称为共生生物固氮。生物固氮的形式除共生生物固氮外，还有自生固氮和联合固氮。目前已发现有固氮能力的微生物有60多属约数百种，包括细菌、放线菌、蓝绿藻等。

根瘤和根瘤菌

 
    俗话说：“庄稼一枝花，全靠肥当家。”氮素是蛋白质的主要成分，因而是植物生长所必须的首要营养元素。植物需要氮肥，犹如人体需要蛋白质一样。但是世界上大多数地区的土壤都缺乏氮素养分，为了获取农作物高产，需要施用大量氮肥。据计算，生产1吨小麦要吸收氮素23公斤。我国每年生产用作氮肥的合成氨约2000多万吨，仍远远不能满足农业生产的需要。更值得注意的是人工合成氮素肥料要料耗费大量能源，不仅成本高，而且污染水源和空气，破坏生态环境，危害人类健康，进口化肥需要巨额资金；长期使用化肥还会破坏土壤结构，使土壤扳结。美国起草《公元2000年全球情况调查报告》的科学家巴尔尼博士尖锐地指出：“石油农业”是一条死胡同。许多发达国已认识到这一点追悔莫及，我们应吸取教训，不应重蹈覆辙。但由前述可知，具有固氮能力的生物，本身就是一座小化肥厂。这个化肥厂的原料来自空气，取之不尽，这种化肥厂不需要厂房和设备，不污染环境；能源则是用之不竭的太阳能。如果让玉米、小麦、水稻等作物都具有固氮能力，不再施用化肥，那就等于建造了许许多多这样的“天然化肥厂”。用它来取代目前的化学肥料工厂，其经济效益、社会效益是十分明显的。这也正是生物固氮遗传工程所要解决的问题和成为热门研究课题的主要原因。

满江红

 
    人类对生物固氮的认识和研究已有100多年的历史，一些固氮微生物先后被发现。但是，早期的研究因限于当时的科技水平，没有很大的进展。本世纪60年代以来，科学家对生物固氮的机理进行了研究。为什么有些微生物有固氮能力，而另一些微生物却没有固氮能力呢？1966年，美国科学家布伦等从棕色固氮菌和巴氏梭菌中获得了固氮酶制剂，科学家开始认识到固氮微生物所以具有奇特的固氮本领，主要是因为它们的细胞中含有固氮酶。有了固氮酶，在细胞外也能将氮还原成氨。这说明固氮酶是生物固氮的核心。70年代以来，随着基因工程的发展，固氮微生物细胞中遗传固氮能力的核心——固氮基因，已经能够在原核类微生物之间转移。不久前，美国康乃尔大学和法国巴斯德研究所的科学家成功地将肺炎克氏杆菌(原核微生物)的固氮基因转移到酵母菌(真核微生物)中。酵母菌虽然是单细胞微生物，但它更接近于高等植物，因此，这一成功标志着生物固氮的基因工程大大地向前迈了一步。我国华中农业大学的课题组，成功地实现了大豆根瘤菌的基因转移，获得了高效固氮大豆基因工程根瘤菌“HN32”新菌株，在大豆的大面积试验中显示出良好的增产效果。将固氮细菌整体导入植物细胞，使其具有固氮能力的固氮细胞工程也有了很大的发展。近几年来，国内外科学家采用生长素和酶处理方法直接将根瘤菌导入非宿主细胞，以建立共生固氮新体系。1987年，国外科学家应用一种新根瘤菌处理水稻、小麦等7科非豆科作物，均能结瘤固氮。我国科学家应用植物生长素引导根瘤菌进入小麦等作物根部，也形成根瘤并有较低的固氮能力。