種子穿素蠶 作繭自固氮

《中國農(nóng)資》記者李鑫譯

據(jù)麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)一項最新的研究表明，在種子表面增加一種特殊的蠶絲包裹層，能夠讓作物深深地扎根于貧瘠的土壤，尤其在農(nóng)田土壤鹽堿化程度高的地區(qū)效果頗佳。該方法讓種子的整個“身體”置身于一個嚴嚴實實的白色“睡袋”中，在睡袋的頂部留有一個圓形開口，便于種子破土而出。這件專為種子設(shè)計的“絲帛”衣裳，不僅能夠抵御來自土壤中的有害物質(zhì)，同時，還能為作物生長提供有益的微生物，這種微生物還能夠?qū)⒖諝庵胁荒鼙焕玫姆肿討B(tài)氮轉(zhuǎn)為化合態(tài)氮，將土壤中不能被利用的化合態(tài)磷、鉀轉(zhuǎn)化為可以被利用的磷和鉀，以及提供其他微量元素等。該研究得到了麻省理工學院、摩洛哥穆罕默德六世理工大學以及美國海軍研究辦公室的支持。

蠶絲衣裳妙手偶得

地球大氣的氮含量約為78%，大部分植物無法從空氣中固氮，因為植物光合作用會產(chǎn)生氧氣，而氧氣會降低固氮效率。該項目工程師將種子裹縛在蠶絲當中，這種蠶絲含有一種可以在空氣中固氮的細菌，能夠幫助種子在惡劣的環(huán)境中拔節(jié)生長。研究團隊的實驗表明，這些種子可以在含鹽量過高的土壤中正常生長，而未經(jīng)處理過的對照組則無法發(fā)育。下一步，研究團隊對自己提出更高的要求，希望這一過程在不需要設(shè)備輔助的情況下完成，并且進一步縮減成本。

該項研究報告由麻省理工學院土木與環(huán)境工程教授BenedettoMarelli、博士后EugenLim、研究生AugustineZvinavashe’16和HuiSun共同撰寫，研究結(jié)果發(fā)表于《美國國家科學院院刊》。這項工作源于Marelli教授之前的一項關(guān)于蠶絲膜延長種子的保質(zhì)期的研究。Marelli表示，當我做這項研究時，偶然發(fā)現(xiàn)蠶絲可以增加土壤中微生物的含量，更為重要的是這種微生物能把空氣中的氮轉(zhuǎn)化成一種易于被植物吸收的形態(tài)，為作物提供天然的肥料，從而達到減少化學肥料投入的目的。

Marelli進一步表示，氮肥的大量施用、過度使用的現(xiàn)象普遍嚴重，導致土壤退化、作物的抗逆能力降低、溫室效應(yīng)加劇等環(huán)境污染問題日益加劇。具備固氮能力的細菌存在于世界各地的土壤中，不同的地區(qū)的細菌種類也各不相同，它們在自然土壤環(huán)境之外很難保存。但是，蠶絲這種生物材料可以有效的保護固氮細菌，所以，Marelli和他的團隊決定將固氮細菌作為研究對象。

生物固氮未來可期

Marell想到將固氮細菌添加到種子的覆膜上，當種子進入土壤時，固氮細菌理應(yīng)存活。然而，事與愿違，測試結(jié)果并不理想，固氮細菌并沒有像預(yù)期的那樣保存下來。正是在這個時候，Zvinavashe提出增加一種特殊的營養(yǎng)物質(zhì)——海藻糖，用來保護固氮細菌。海藻糖在自然界中許多動植物及微生物體內(nèi)都廣泛存在，對多種生物活性物質(zhì)具有非特異性保護作用。隨后，研究人員在麻省理工學院和摩洛哥穆罕默德六世理工大學進行了測試，將蠶絲、固氮細菌和海藻糖都懸浮在水中，在種子表面得到了均勻的保護層，實驗結(jié)果令人滿意。

“在固氮細菌的幫助下，研究團隊培育出的作物比那些未經(jīng)處理過的種子更加健康，并且能夠在鹽堿地等不適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土壤中向陽而生?！盡arelli興奮地說，實際上，這種蠶絲層可以通過浸漬或噴涂的方式裹縛在種子上，兩種方法均可在常溫常壓下進行，種子只需浸涂幾秒鐘，就能產(chǎn)生只有幾微米厚的涂層，整個過程快速、簡單，方便的農(nóng)場主和不熟練的種植者應(yīng)用。此外，種子的包裹層所使用的蠶絲是水溶性的，當它暴露在土壤中時，固氮細菌就會被緩慢地釋放出來，并為作物提供養(yǎng)分。

“這些根際細菌通常與豆科植物（如大豆、鷹嘴豆等）共同固氮，為作物提供肥料。目前，相關(guān)研究團隊正在大力推動將根際細菌的應(yīng)用延展到非豆科作物，實現(xiàn)這一目標的方法極有可能是修改細菌或植物的DNA?！盡arelli表示，接下來，研究人員將致力于開發(fā)新的包裹層，這種包裹層不僅可以保護種子免受鹽堿地的侵害，而且還可以從土壤中吸收水分，使種子更耐旱。與此同時，明年研究團隊將在摩洛哥的開放試驗田中進行種植實驗。