研究人员设计细菌以在空气中创造肥料

在未来，植物将能够创造自己的肥料。农民将不再需要为他们的庄稼购买和传播肥料，增加的粮食产量将使全世界数十亿人受益，否则他们可能会挨饿。

这些陈述可能听起来像科幻小说中的一些东西，但华盛顿大学圣路易斯科学家的新研究表明，很可能很快就可以设计植物来开发自己的肥料。这一发现可能对农业和地球健康产生革命性的影响。

该研究由Himadri Pakrasi领导，Glassberg-Greensfelder杰出大学艺术与科学生物系教授，国际能源，环境与可持续发展中心(InCEES)主任;生物学高级研究员Maitrayee Bhattacharyya-Pakrasi发表于5月/ 6月的mBio期刊。

创造肥料是能源密集型的，并且该过程产生的温室气体是气候变化的主要驱动因素。它效率低下。施肥是氮的传递系统，植物用它来产生叶绿素用于光合作用，但商业肥料中不到40%的氮能使其进入植物。

植物受精后，还有另一个问题：径流。肥料被雨水冲走，流入河流，河流，海湾和湖泊，喂养藻类，这些藻类可能会失去控制，阻挡阳光并杀死下面的植物和动物。

然而，我们周围还有另外丰富的氮源。地球大气层的氮含量约为78%，生物系的Pakrasi实验室只是设计了一种可以利用大气气体的细菌 - 一种被称为“固定”氮气的过程 - 这是一个可以做的工程植物的重要步骤相同。

这项研究的根本在于，虽然没有植物可以从空气中固定氮，但是有一部分蓝细菌(像植物一样光合作用的细菌)能够这样做。即使作为光合作用的副产物氧气干扰固氮过程，蓝藻也可以做到这一点。

在这项研究中使用的细菌Cyanothece能够固氮，因为它与人类有共同之处。

“蓝藻是唯一具有昼夜节律的细菌，”Pakrasi说。有趣的是，Cyanothece在白天进行光合作用，将阳光转化为它们用作燃料的化学能，并在通过呼吸去除光合作用过程中产生的大部分氧气后，在夜间固定氮气。

研究小组想要从Cyanothece中获取基因，负责这种日夜机制，并将它们放入另一种蓝细菌Synechocystis中，以诱导这种虫从空气中固氮。

为了找到正确的基因序列，研究小组寻找了明确的昼夜节律。“我们看到一组连续的35个基因只在晚上做事，”Pakrasi说，“他们在白天基本上保持沉默。”

该团队还包括研究助理Michelle Liberton，前研究员Jingjie Yu和Deng Liu手动从集胞藻中去除氧气，并添加了来自Cyanothece的基因。研究人员发现Synechocystis能够以2%的Cyanothece固氮。然而，当刘博士作为该项目的支柱的博士后研究人员开始去除其中的一些基因时，事情变得非常有趣。只有24个Cyanothece基因，Synechocystis能够以超过Cyanothece 30%的比率固定氮。

随着添加少量氧气(高达1%)，固氮率显着下降，但随着来自Cyanothece的不同基因组的增加，固氮率再次上升，尽管没有达到没有氧气存在的速率。

“这意味着工程计划是可行的，”Pakrasi说。“我必须说，这项成就超出了我的预期。”

该团队的下一步工作是深入研究该过程的细节，或者进一步缩小固氮所需的基因子集，并与其他植物科学家合作，将本研究的经验教训应用到下一个层次：固氮植物。

根据世界银行提高的产量，对家庭或城镇有利的规模和释放时间，可以利用空气中的氮来利用农作物对全国约8亿人的自给农民最有效。曾经用手工撒肥。

“如果它成功了，”Bhattacharyya-Pakrasi说，“这将是农业的重大变化。”

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