多种玉米已经进化出一种自产氮的方式(2018年)
在20世纪80年代，霍华德-雅娜·夏皮罗(Howard-Yana Shapiro)现在是玛氏公司的首席农业官，他正在寻找新的玉米品种。他当时在墨西哥南部瓦哈卡州的MIX区，这是玉米(又名玉米)的前身最初进化的地区，当时他发现了一些有史以来见过的最奇怪的玉米。它不仅有16到20英尺高，让美国田里12英尺高的玉米相形见绌，而且它需要6到8个月的时间才能成熟，远远长于传统玉米所需的3个月。然而，它在不使用化肥的情况下，在可以仁慈地称为贫瘠的土壤中生长到了令人印象深刻的高度。但玉米最奇怪的部分是它的气生根--绿色和玫瑰色的手指状突起从玉米的茎秆中伸出，滴着一层透明的糖浆状凝胶。
夏皮罗怀疑那些黏糊糊的手指可能是农业的圣杯。他认为，根部允许这种独特的玉米品种，被称为Sierra Mixe，经过数百年甚至数千年的当地培育，产生自己的氮，这是作物的一种必不可少的营养物质，通常作为肥料使用，数量之大堪称史无前例。
这个想法似乎很有希望，但由于没有DNA工具来研究玉米是如何产生氮的细节，这一发现被搁置了。近20年后的2005年，加州大学戴维斯分校(University of California，Davis)的艾伦·B·贝内特(Alan B.Bennett)与夏皮罗(Shapiro)等研究人员开始使用尖端技术研究粘液玉米的固氮特性，发现粘液中的细菌确实在从空气中吸收氮，将其转化为玉米可以吸收的形式。
现在，经过十多年的实地研究和基因分析，该团队在“公共科学图书馆·生物学”杂志上发表了他们的研究成果。如果能将这种固氮特性培育成传统玉米，允许它生产自己的一部分氮，就可以降低农业成本，减少温室气体排放，并阻止湖泊、河流和海洋中的主要污染物之一。换句话说，它可能导致第二次氮气革命。
氮气的合成生产可能是20世纪最伟大的成就。哈伯-博世(Haber-Bosch)工艺及其改进的发现，即在催化剂存在的情况下，在高温和高压下将氮从空气中剥离出来，这导致了三个不同的诺贝尔奖。他们是当之无愧的。据估计，1908年至2008年间，作物产量翻了一番以上，其中合成氮肥贡献了高达一半的增长。一些研究人员将过去70年来人口的大规模增长与氮肥使用量的增加联系在一起。如果没有它，我们将不得不耕种几乎四倍的土地，或者世界上的人口将减少数十亿。
但是，生产所有这些氮气都会产生后果。据估计，通过Haber-Bosch工艺制造肥料使用了世界1%到2%的能源，排放了大量的温室气体。合成氮通常会将农田冲刷成水道，导致大量藻类大量繁殖，吸走所有的氧气，杀死鱼类和其他生物。如此多的氮进入河流和溪流，以至于世界上的河流入海口都形成了大量的死区，包括去年相当于新泽西州大小的墨西哥湾的一个死区。英国生态与水文学中心的马克·萨顿称氮为“污染教父”--它的影响无处不在，但你永远看不到真正的罪魁祸首。
但我们不能在没有看到农业大幅减少的情况下就放弃氮肥。虽然更好的管理和耕作措施可以帮助它远离水道，但这些策略不足以解决氮的生态问题。这就是为什么研究人员几十年来一直在想，是否有一种方法可以帮助玉米和小麦等谷类作物产生自己的氮。
这个想法并不像听起来那么牵强。许多植物，特别是豆科植物，如大豆、花生和三叶草，都与根瘤菌有共生关系，根瘤菌为它们产生氮。这些植物生长根瘤，细菌在那里栖息并吸食植物糖，同时将空气中的氮转化为植物可以利用的形式。如果能在玉米和小麦等谷类作物中发现类似的共生关系，研究人员相信我们可以减少污染物的使用。
这就是粘液玉米如此重要的原因，也是为什么贝内特和他的团队花了八年时间研究和重新研究细菌和凝胶，以说服自己，玉米确实能够产生自己的氮。通过DNA测序，他们能够显示粘液中的微生物携带固氮基因，并证明了玉米排泄物的凝胶是高糖低氧的，它的设计完美地促进了固氮。通过五种不同的测试，他们表明，微生物产生的氮随后进入玉米，提供了植物所需的30%到80%。然后，他们制造了一种合成版本的粘液，并将其与微生物一起播种，发现它们在那个环境中也会产生氮。他们甚至在加利福尼亚州的戴维斯和威斯康星州的麦迪逊种植了Sierra Mixe，这表明它可以在墨西哥的家乡之外表演它的特殊魔术。
“这种机制与豆类的使用完全不同，”班尼特说，并补充说，它可能也存在于其他作物中。“在许多谷物中存在类似类型的系统当然是可以想象的。例如，高粱有气生根和粘液。也许其他生物有更微妙的机制，它们发生在地下，可能存在得更广泛。现在我们知道了，我们可以去找他们了。“。
来自威斯康星大学麦迪逊分校的合著者Jean Michel-Ane同意这一发现开启了所有类型的新可能性。“几十年来，通过工程玉米固定氮素，形成豆科植物一样的根瘤，一直是科学家的梦想和奋斗。事实证明，这种玉米开发了一种完全不同的方法来解决这个固氮问题。科学界可能低估了其他作物的固氮作用，因为它痴迷于根瘤，“他在一份声明中说。“这种玉米向我们表明，大自然可以找到一些远远超出科学家想象的问题的解决方案。”
事实证明，大自然还有更多的产氮诀窍，研究人员刚刚掌握了这些诀窍。还有其他几个正在进行的项目，旨在让谷物和蔬菜作物为我们做哈伯-博辛(Haber-Bosching)。其中最有希望的是使用内生菌，或者像细菌和真菌这样的微生物，它们生活在植物的细胞间隙中。华盛顿大学研究员莎伦·多蒂(Sharon Doty)在几十年前就对这些有机体感兴趣。她正在研究柳树和杨树，这些树是在火山喷发、洪水或落石等事件后第一批生长在受干扰的土地上的树木之一。这些树是从河里的砾石中长出来的，土壤中几乎没有任何氮素。然而，在它们的茎内，多蒂发现内生菌可以为树木固定氮素，而不需要根瘤。从那时起，她梳理出了几十种不同的内生菌菌株，其中许多以令人惊讶的方式帮助了植物。有些能产生氮或磷，这是另一种重要的营养物质，而另一些能促进根的生长，有些能让植物在干旱或高盐条件下存活。
她说：“有一整套不同的微生物可以固定氮和受它们影响的广泛的植物物种。”她的测试表明，这种微生物可以使辣椒和西红柿植株的生产力翻一番，促进水稻的生长，并赋予像道格拉斯冷杉这样的树木耐旱性。有些甚至允许树木和植物吸收和分解工业污染物，现在正被用于清理超级基金地点。“使用内生菌的好处是这是一个非常庞大的群体。我们已经发现了对水稻、玉米、西红柿、辣椒和其他重要农业作物有效的菌株。“。
事实上，内生菌可能会更早而不是更晚地进入农民手中。总部设在加利福尼亚州洛斯阿尔托斯的IntrinsyxBio正在将Doty的一些内生菌商业化。首席科学官约翰·L·弗里曼(John L.Freeman)在接受采访时表示，该公司有望在2019年推出一款产品。其目标是将几种内生菌菌株输送到植物中，最有可能的方法是将种子包衣。在这些细菌在植物内部定居后，它们应该排出大约25%的所需氮气。
另一家名为Pivot Bio的生物技术公司最近宣布，它正在对类似的解决方案进行Beta测试，使用生长在玉米根系中的固氮微生物。
新兴的合成生物学领域也在尝试解决氮问题。总部位于波士顿的Joyn Bio成立于去年9月，是拜耳和银杏生物工程公司(Ginkgo Bioworks)的合作项目。银杏生物工程是一家生物技术公司，拥有为食品和调味品行业创造定制酵母和细菌的经验，以及其他“设计微生物”项目。乔恩目前正在梳理拜耳超过10万种微生物的图书馆，以找到一种可以成功地在植物上定居的宿主，类似于多蒂的内生菌。然后他们希望用同种基因来调整“主机底盘”。
盖茨基金会也参与了这场游戏，支持试图将豆类的固氮能力传授给谷物的项目。还有一些团队希望，增压量子计算的出现将开辟化学的新领域，并发现新的催化剂，使哈伯-博世过程更加高效。
虽然单独使用一种解决方案不太可能百分之百取代人类使用的合成肥，但也许这些项目加在一起可以严重减少氮污染。班尼特希望Sierra Mixe和他的团队从中学到的东西将成为氮气革命的一部分，尽管他承认，要让他的黏糊糊的玉米手指开始在传统作物中生产氮气，还有很长的一段路要走。他现在想确定产生气生根的基因，并确定在粘液中发现的数千种微生物中，哪些实际上是固定氮的。
他说：“我认为我们正在做的事情可能是对那些(内质网和合成生物学)方法的补充。”“我认为我们会看到许多不同的策略，在5到10年内，会出现一些影响玉米如何获得氮的东西。
编者按：8/15/18：这篇文章的早期草稿把约翰·L·弗里曼的名字拼错了，把他现在的公司搞错了。
