能自己制造肥料的小麦

这项研究来自植物科学系杰出教授Eduardo Blumwald领导的研究团队。该团队利用基因编辑工具CRISPR，增加了小麦自身一种天然化学物质的生成量。当小麦根系将这种多余的化合物释放到周围土壤中时，它会帮助特定细菌将空气中的氮转化为附近植物能够吸收的形式，这个过程被称为固氮作用。该研究成果发表在《植物生物技术杂志》上。

### 对粮食安全的潜在益处
对于许多发展中地区而言，这一进展有望为稳定的作物生产提供新支持。“在非洲，人们因为没钱而不使用化肥，而且农场规模很小，不超过6到8英亩，”Blumwald说，“想象一下，你种植的作物能刺激土壤中的细菌自然产生作物所需的肥料。哇！这会带来很大的改变！”这项小麦创新是在该团队之前水稻研究成功的基础上进行的，目前类似工作正在推进，以将该技术扩展到其他主要谷类作物。

### 全球化肥问题
小麦是世界第二大产量的谷物，同时在氮肥使用量中占比最大，约为全球总量的18%。联合国粮农组织数据显示，2020年全球化肥产量超过8亿吨。植物通常只能吸收施用氮肥的30%至50%，其余部分常流入河流和沿海地区，导致缺氧的“死亡区”，危害水生生态系统。土壤中额外的过剩氮还会产生一氧化二氮，这是一种强效温室气体。

### 小麦为何需要不同策略
固氮细菌会产生一种名为固氮酶的酶，它因执行固氮作用而有时被称为“固氮剂”。这种酶仅在细菌体内且在低氧环境中发挥作用。豆类（如豆类和豌豆）天然会形成根瘤，这是一种能创造细菌所需低氧条件的特化结构。小麦和大多数其他作物缺乏这种根瘤，因此合成氮肥被广泛使用。“几十年来，科学家一直试图培育能产生活性根瘤的谷类作物，或让固氮细菌定植于谷类作物，但收效甚微。我们采用了不同的方法，”Blumwald说，“我们认为，只要固定的氮能到达植物并被其利用，固氮细菌的位置并不重要。”

### 加州大学戴维斯分校团队如何找到可行解决方案
研究人员检测了2800种植物天然产生的化学物质，发现其中20种能促进固氮细菌形成生物膜。这些生物膜是包裹细菌的粘性覆盖层，能创造适合固氮酶活动的低氧微环境。随后，团队绘制了植物合成这些化合物的过程，并确定了相关基因。利用这些信息，他们通过CRISPR调整小麦植株，使其大量生成一种名为芹菜素的黄酮类化合物。由于植物产生的芹菜素超过自身需求，多余部分会释放到土壤中。实验中，这种芹菜素刺激土壤细菌形成保护性生物膜，使固氮酶能将氮固定为小麦可吸收的形式。在极低氮肥条件下，改良小麦的产量也高于对照组植株。

### 农民的巨大经济收益
美国农业部估计，2023年美国农民在化肥上花费近360亿美元。Blumwald指出，美国约有5亿英亩土地种植谷类作物。“想象一下，如果能在这些土地上节省10%的化肥用量，”他沉思道，“保守计算，每年应该能节省超过10亿美元。”

其他作者包括Hiromi Tajima、Akhilesh Yadav、Javier Hidalgo Castellanos、Dawei Yan、Benjamin P. Brookbank和Eiji Nambara。加州大学已提交专利申请，目前处于待审状态。拜耳作物科学公司和加州大学戴维斯分校威尔·莱斯特捐赠基金为这项研究提供了资金支持。