颠覆性新技术:基因编辑微生物可在商业生产中为作物提供稳定新氮源

近日, 由威斯康星大学麦迪逊分校, 普渡大学和可持续农业领域的领军企业Pivot Bio的研究人员合作完成, 发表于<科学报告>(Scientific Reports)的同行评审研究介绍了一项可能彻底颠覆百年作物氮源供应方式的新技术, 首次提供了关于基因编辑如何增强微生物固定大气氮的能力, 并将其转化为粮食作物氮源的突破性证据.
Pivot Bio的一位科研人员正在刮取玉米根部, 以测量Pivot Bio产氮微生物的定殖情况
通过使用同位素标记氮气, 研究人员成功追踪到从空气中进入玉米叶片叶绿素的氮元素, 最终证实这些氮元素是通过基因编辑微生物从空气中固定的. 实地调查还显示, 这些微生物能够固定并供应相当于每英亩40磅合成氮肥的氮量, 同时确保作物产量与之相当.
提高氮肥利用效率, 始终是农业领域需要解决的长期挑战. 密歇根州立大学环境科学教授Bruno Basso博士(未参与该研究)指出:′′核心问题在于, 土壤, 植物与大气系统之间的相互作用极其复杂. ′′ 不可预测的天气使得养分供应与作物需求之间的匹配充满挑战, 难以精确估算作物所需的氮量, 以及能否在土壤中有效保持养分. 他表示:′′我的研究实验团队多年来一直致力于帮助农户, 借助先进的传感技术和计算机模型, 帮助他们更好地了解农田状况, 提高氮肥的利用效率, 不仅提升收益, 还能减少对环境的负面影响, 诸如养分流失到地下水和温室气体排放到大气中等问题. ′′
固氮菌是一类天然存在的特殊细菌, 具有将大气中的氮气转化为铵离子的独特能力, 而铵离子正是构成氨基酸和蛋白质的基础元素. 这一过程被称为′′生物固氮′′(BNF), 在合成氮肥问世之前, 数千年来一直是作物获取氮素养分的主要途径.
′′当原生土壤中的固氮菌长期暴露在高浓度氮的土壤环境下, 它们会逐渐丧失生物固氮能力. 这是它们为节约能量所做的进化性反应, 因为生物固氮过程非常耗能, ′′该研究的合著者, 威斯康星大学麦迪逊分校细菌学与植物及农业生态系统科学教授Jean-Michel Ané博士表示. ′′我们需要找到方法, 让这些细菌即使在氮含量较高的环境中, 也能保持较高的生物固氮水平, 比如施用了合成氮肥的土壤. ′′
Pivot Bio的研究人员通过非转基因技术, 开发了基因编辑微生物, 使固氮菌即使在高氮浓度环境下也依然能持续为作物提供稳定氮源. ′′通过基因编辑, 我们让这种微生物无法感知周围环境中的氮元素, 从而使它们持续固定铵离子, 并将其直接输送到植物的根系, ′′Pivot Bio的首席创新官兼联合创始人, 论文合著者Karsten Temme博士表示.  ′′我们还进行了其他基因编辑, 以确保这些细菌将固定的氮传递给作物, 而不仅仅保留给自己. ′′
该论文提供了实验证据, 证明这一过程在实验室和试验田中得到了成功验证. 这篇论文也是首篇经过同行评审的研究, 详细介绍了Pivot Bio推出的第二代商业化产品——PROVEN® 40. 该产品专为玉米作物设计, 含有基因编辑固氮微生物.
′′氮肥无疑是过去一个世纪最为重要的发明, 在可预见的未来, 它将继续在全球发展和粮食安全领域发挥至关重要的作用. 然而, 我们相信氮肥的使用方式可以更加优化. ′′Temme博士表示, ′′Pivot Bio的核心使命是通过基因编辑微生物提升氮肥的利用效率, 进而提高农业生产力, 同时减少合成氮肥对环境的负面影响. ′′
在实地研究中, 研究人员通过一系列同位素实验再次验证了固氮过程. 本次实验是在真实的环境条件下进行, 并对植物中的氮含量进行了精准量化. 研究人员还收集了农户提供的数百个样本, 这些农户将每英亩氮肥的施用量减少了35到40磅, 并用Pivot Bio的PROVEN 40产品替代氮肥. 研究人员发现, 平均而言, 施用了PROVEN 40的植物在季节初期氮含量更高, 而且, 尽管施用的合成肥料较少, 但对产量没有产生任何负面影响.
Ané博士表示:′′追踪氮元素从空气到微生物, 再到植物的整个过程非常复杂. 我们依靠氮原子的同位素标记, 通过对比空气与土壤中的氮元素来进行精确分析. ′′ 通过这些测量, 研究人员在实验室中检测到玉米叶片的叶绿素中含有同位素标记的氮元素, 这表明这些微生物将氮源供应给了植物.
′′这项大规模研究令人欣喜, 因为它意味着农户可以在不影响产量的情况下开始减少氮肥使用:这对于农户和环境来说, 都是双赢的局面, ′′Temme博士表示. ′′这项技术令人振奋, 因为它具有极高的可扩展性. 自从五年前商业化启动以来, 我们的产品已在美国超过1, 300万英亩的土地上投入使用, 收获了显著的实际效果. ′′
Basso博士予以赞同. 他表示:′′如果这项技术能够不断改进, 为作物提供更多氮源, 并且证明其能够有效减少环境污染及农业整体碳足迹, 那么它会成为一项改变氮管理领域规则的革命性技术. 为支持作物产量提升, 我们越是使用更高效, 更可持续的氮源替代合成肥料, 就越能造福农户, 社区和环境. ′′
关于Pivot Bio
Pivot Bio是一家可持续农业领域的领军企业, 致力于为农户提供专利作物营养技术, 借助大自然的力量, 帮助他们在日益动荡的背景下稳定高效地生产粮食, 以满足全球需求. 该公司产品是农业领域的一项突破性创新, 目前已在北美上市, 并将在不久后进入巴西市场. 它们被视为行业内最具前景的气候解决方案之一. 该公司的氮源具有卓越的抗天气变化能力, 使用更为安全, 并且不会渗漏或产生一氧化二氮排放.