墨西哥玉米驚現(xiàn)固氮“超能力”

□《大西洋月刊》科學(xué)分欄撰稿人Ed Yong

《中國(guó)農(nóng)資》記者李鑫譯

玉米固氮能力被發(fā)現(xiàn)

千百年來(lái)，墨西哥南部塞拉米實(shí)山區(qū)的居民一直在氮缺乏的土壤中，種植著一種巨型玉米，高度可達(dá)16英尺，甚至更多。更令人驚嘆的是，他們?cè)趲缀醪皇┘尤魏畏柿系那闆r下依舊能夠迎來(lái)豐收。塞拉米實(shí)地區(qū)的巨型玉米成熟期為8個(gè)月，從商貿(mào)角度來(lái)說(shuō)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，但是，如果將其與僅需3個(gè)月就可成熟的普通品種玉米雜交，那么這將會(huì)是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大變革。

加州大學(xué)戴維斯分校教授艾倫·貝內(nèi)特（Alan Bennett）帶領(lǐng)的研究小組發(fā)現(xiàn)，該玉米品種擁有一種特殊的氣生根。這種氣生根呈紅色，手指般大小，并纏繞在玉米莖稈上。它們通過(guò)分泌附帶某種微生物的黏液，能夠讓作物直接將空氣中的氮“化為己用”。

氮營(yíng)養(yǎng)是植物生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程中不可或缺的重要元素，參與了植物生長(zhǎng)與發(fā)育、蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)組成等一系列生物學(xué)過(guò)程。眾所周知，空氣中存有大量的氮，但因其惰性強(qiáng)，故難以利用。而一些細(xì)菌可將大氣中的氮轉(zhuǎn)化為更有用的化合物，如氨——這一過(guò)程被稱為“固氮”。還有一些豆類植物的根部本身就具備這種固氮細(xì)菌。但是，像玉米、水稻等禾谷類作物，大部分并沒(méi)有這種特性，所以，美國(guó)農(nóng)民每年需要在玉米田里施用超過(guò)660萬(wàn)噸的氮肥。

“生產(chǎn)肥料需要消耗大量的能量，并且還會(huì)造成作物營(yíng)養(yǎng)的失衡，引起藻類植物的大量繁殖，進(jìn)而出現(xiàn)死亡水域?！奔又葜萘⒋髮W(xué)北嶺分校進(jìn)化生物學(xué)家杰里米·約德（Jeremy Yoder）表示，尤其對(duì)于土壤貧瘠的發(fā)展中國(guó)家而言，如果能夠種植具備固氮能力的玉米將會(huì)降低種植成本，并且還能夠減少作物生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)環(huán)境的破壞。

值得一提的是，戴維斯分校的研究小組將以塞拉米實(shí)地區(qū)的情況開(kāi)展重點(diǎn)課題研究工作，并與墨西哥政府簽訂了具體的法律協(xié)議，確保在《生物多樣性公約關(guān)于獲取遺傳資源和公正和公平分享其利用所產(chǎn)生惠益的名古屋議定書(shū)》的支持下，與墨西哥共享研究成果以及隨之而來(lái)的商業(yè)化利益。發(fā)起這一項(xiàng)目的美國(guó)瑪氏公司農(nóng)業(yè)部主管霍華德-雅娜·夏皮羅（Howard-Yana Shapiro）表示，這是墨西哥政府頒發(fā)的第一個(gè)關(guān)于該協(xié)議的證書(shū)，也是第一個(gè)由其他國(guó)家頒發(fā)給美國(guó)企業(yè)的證書(shū)，這對(duì)于兩國(guó)開(kāi)展深入合作、共同促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有劃時(shí)代的意義。

19世紀(jì)80年代，夏皮羅作為一名獨(dú)立研究員，在得知這種附著黏液的玉米品種后，就代表墨西哥政府專注于研究這種特殊作物。他猜測(cè)，玉米莖上的黏液就是作物固氮的主要“陣地”，但囿于當(dāng)時(shí)的科技水平，無(wú)法驗(yàn)證這一猜想。為探究其中奧秘，戴維斯分校研究團(tuán)隊(duì)利用現(xiàn)代DNA測(cè)序技術(shù)對(duì)玉米進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，黏液中的微生物具有固氮作用。與此同時(shí)，研究小組還對(duì)粘液進(jìn)行了化學(xué)分析，結(jié)果顯示，這種黏液中含有大量可用糖，通過(guò)隔絕氧氣的方式為微生物的生長(zhǎng)提供了必要條件。接著，研究小組進(jìn)行了五種不同的測(cè)驗(yàn)，都證實(shí)了這種微生物具備固氮能力，并且有30%-80%的氮會(huì)被玉米利用。

業(yè)內(nèi)態(tài)度尚存疑慮

一直以來(lái)，科學(xué)家們致力于嘗試通過(guò)基因工程制造出一種固氮谷物，但目前為止，進(jìn)展甚微?，F(xiàn)如今，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了至少有一種玉米具備固氮能力，那么接下來(lái)就有可能通過(guò)雜交、移植黏液或兩者并用等方式，將這種能力轉(zhuǎn)移到普通品種中去。

但俄亥俄州立大學(xué)的克里斯汀·默瑟（Kristin Mercer）博士對(duì)此則持謹(jǐn)慎態(tài)度。她表示，很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，該品種玉米在一定程度上解決了當(dāng)?shù)氐募Z食安全問(wèn)題。然而，如果我們?nèi)嫱茝V使用，隨之而來(lái)的一系列潛在問(wèn)題將會(huì)凸顯。她進(jìn)一步提出，若將這一技術(shù)分享給公共或私人育種項(xiàng)目，其中是否存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題？若將該玉米品種出售給處于貧困地區(qū)的農(nóng)民，對(duì)于他們而言是否會(huì)是一種合理的解決方案？默瑟博士補(bǔ)充道，數(shù)千年來(lái)，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民“守護(hù)”著這些基因資源，并且驚嘆于這一奇妙的生物學(xué)現(xiàn)象，現(xiàn)如今要試圖破解這一“未解之謎”，這一過(guò)程會(huì)比我們想象中的要更加艱難。