生物固氮：探寻最本质的生命行为
毕业论文
记者：房琳琳杨纯 首席：王忆平 时间：2007年7月19日下午 地点：北京大学生物技术楼
■编者按
自然界有两大生命现象，即光合作用和固氮作用。光合作用是将空气中的2氧化碳固定成碳水化合物，而固氮作用是将空气中的氮气固定成氨。人类与许多其它生物1样需要氮素作为合成蛋白质的原料，但不能自我合成有机氮。虽然空气中有78%是氮气，但是绝大多数生物不能直接利用空气中的氮气。在能源紧张和环境污染的双重压力下，传统的固氮方式已经难以适应各种需求，使生物固氮研究得到更加应有的重视。如果主要农作物能够自主固氮，就可以摆脱对化肥的依赖性，既节省能源，又能对环境友好。这是继工业革命之后，人们期待的1次“绿色革命”。
5年前，973计划“高效生物固氮作用机理及其在农业中的应用”项目启动，同国外相关研究相比较，该973项目的研究工作的总体水平处于国际先进水平，部分领域如固氮酶结构与催化功能、碳氮偶联的分子机理等研究均处于国际领先水平。
向来低调的王忆平几次拒绝了我们的采访要求，他开玩笑说，自己从小在新华社家属大院长大，早就对新闻报道“免疫”了。
但是作为1个科技工作者，王教授认为自己有责任有义务让公众知道，他们在做什么。
于是，在这个夏日的午后，王教授从目前正在制造大规模水污染的“蓝藻”讲起，给我们上了1堂生动的科学课。
记者：您先给我们科普1下吧，什么是固氮？
王忆平：自然界有两大生命现象，即光合作用和固氮作用。光合作用是将空气中的2氧化碳固定成碳水化合物，而固氮作用是将空气中的氮气固定成氨。同时自然界有细胞的生物可以被分为两大类：1类是有细胞核的真核生物，其中包括高等植物和动物，酵母菌是最简单的真核生物；还有1类是无细胞核的原核生物，比如大肠杆菌、乳酸杆菌等。两类生物都可以进行光合作用，而固氮却是原核生物的“专利”，它们可以在常温常压下利用固氮酶将空气中的氮气固定成氨，作为生命体系的氮素来源。
人类与许多其它生物1样需要氮素作为合成蛋白质的原料，但不能自我合成有机氮。虽然空气中有78%是氮气，但是绝大多数生物不能直接利用空气中的氮气。比如人类呼吸空气时，1部分氧气被消耗，而氮气却不能被吸收，怎么进去就怎么出来。所以绝大多数生物需要从外界摄取被固定的氮元素。
上个世纪人类发明了1种高温高压下合成氨的方法制造氮肥，用于农业生产，目前全球氮素来源的30%是由以上合成氨技术提供的。
记者：固氮研究的国际背景如何？
王忆平：研究生物固氮的意义主要有以下两个方面。1方面是能源问题。由于氮肥的制造是1个高耗能的过程，生物固氮研究的重要性1般都是在石油资源有危机的时候凸现出来。如上世纪70年代的石油危机，以及目前海湾地区的不稳定性和石油价格飞涨，都使生物固氮研究得到更加应有的重视。
另1方面，是环境的压力。化肥施到土地里，只有30%被植物吸收，另外70%进入土壤水体，造成富营养化。有资料显示，我国农业对环境污染的“贡献率”达到20%以上，如滇池污染中，农业面源污染对于总氮、总磷含量的贡献率已分别高达43.3%和37.1%。因为我国是施用氮肥最多的国家之1，化肥作为1种农业生产资料得到国家的控制，相对比较便宜的同时，滥施现象也比较严重。而生物固氮就不会对环境造成破坏。
如果主要农作物能够自主固氮，就可以摆脱对化肥的依赖性，既节省能源，又能对环境友好。这是继工业革命之后，人们期待的1次“绿色革命”。
记者：您提到“自主”固氮，那么固氮分为几种形式呢？
王忆平：据统计，人造氮肥占全球氮素总量的30%左右，除闪电在瞬间固氮5%左右外，其余全靠生物来固氮。
1般来说，生物固氮菌有3种类型。第1类是自生固氮菌，这个比较典型的是沙漠里长的发菜，在沙漠这种艰苦独特的环境里面它能够生长。此外，这些日子在我国主要水体中泛滥的蓝藻中也有很大1部分可以自生固氮。海洋里面有很多藻类也是有同样的功能。
第2类是联合固氮菌。光合作用是把空气中的.2氧化碳固定成碳水化合物。植物光合作用的产物有70%给自己用，另外30%养分要分泌到土壤中，供养土壤里附着在植物根际的微生物，其中包括联合固氮菌，它们可为植物提供1定份额的氮素，这种松散的关系往往是互益的。植物体内还有很多内生菌也可以固氮，也属于联合固氮范围。如巴西在甘蔗生产中使用联合固氮体系，可为甘蔗提供60%的氮素来源。
第3类是共生固氮菌。这是科学家认为效率非常高但局限性也比较大的1类菌，大豆、豌豆、花生等豆科植物可以利用根瘤菌进行共生固氮，这种现象从1887年发现到现在已经有120年了。在共生固氮体系中，豆科植物根瘤里的根瘤菌进入植物细胞，被植物细胞“俘虏”，逐渐发育成了植物细胞的1种“器官”，所以它们的固氮效率非常高，可以说这种模式是生物固氮的“最高境界”。
记者：我国固氮研究历史中，有哪些突出的亮点？
王忆平：我们这门科学是1个交叉学科，包括农学、化学、物理学和生物学，而生物学中又包括遗传学、分子生物学、生物化学、生物物理学等学科。我国最早开始这方面研究的老前辈是卢嘉锡、唐敖庆、蔡启瑞、沈善炯和陈华葵等，他们在国内带起了1支研究固氮的队伍。
由于固氮酶催化固氮的活性中心实际上是金属原子簇，上世纪70年代，卢嘉锡等科学前辈用量子化学计算出这个金属原子簇是1个网兜模型，1992年，这个金属原子簇的空间结构被美国加州理工学院解析出来，证实了这种晶体结构与卢先生预测的几乎1模1样。这个成就在国际上是公认的。
记者：在目前的研究中，哪些问题最为关键？有什么瓶颈吗？
王忆平：固氮的瓶颈就是两个字———“效率”。
共生固氮体系根瘤菌与宿主植物的关系最紧密，效率最高，它是目前生物固氮研究的焦点之1。对它的研究主要有两个目的，1是揭示根瘤菌与宿主植物相互作用机理，2是扩大宿主范围，使非豆科植物，如水稻、小麦、玉米等粮食作物也能共生固氮。这1研究涉及根瘤菌与植物两者之间的分子对话，相互识别，信息传导和基因表达的网络调控。
我们关心3种固氮体系中几个共有的问题。其中1个最根本的，就是想搞清楚光合作用与固氮作用之间的关系是怎么回事。
记者：为什么要搞清楚这个问题？王忆平：因为它涉及生命的根本。
最近又1篇文章说，人类到火星、土卫2除了找水外，还要找氮元素和碳元素。这是因为，氮碳代谢是1切生命活动的两大根本代谢。
在属于氮代谢的固氮作用中，能量的供应，特别对豆科植物共生固氮是1个大问题。如何通过提高光合作用效率来提高固氮作用是必须考虑的1个重要问题。再深1层的出发点是由于每种生物都有氮代谢和碳代谢，对固氮生物还有固氮作用，这3者之间究竟存在着怎样的基因调控网络，是10分基础的根本问题。
记者：除了理论方向的考虑，项目组的研究有什么针对性的应用方向？
王忆平：我们过去1期的课题，对农作物联合固氮的菌肥已经应用到有机农业中去了。
我们针对我国西南地区的酸性、高温生态环境和西北地区的干旱、盐碱生态环境，在重庆3峡库区找到了1块山坡地，可以在种植苜蓿的同时，配种合适的根瘤菌，通过对豆科牧草及其根瘤菌的遗传结构改造，提高豆科牧草共生固氮体系的抗逆能力。
这对西部农业来说是个开拓性的应用。这个研究打破了川、渝地区没有大面积成功种植紫花苜蓿的历史，扩大苜蓿种植范围。其研制的高效固氮根瘤菌株已进行了较大面积的应用推广，取得显著效益。
但是由于有机氮肥改善的不是产量，而是品质，所以在高产与高质之间存在很现实的矛盾；又由于固氮菌在不同的环境下表现的固氮活性不1样，这与植物的差异有关，也与土壤酸碱度等环境因素有关，所以，在保持原有产量的情况下，用有机固氮菌肥完全替代人工合成氮肥也不是在短期内能实现的。
记者：2004年10月，第104届国际固氮大会在北京召开，国际上对固氮最关心的问题集中在哪些方面呢？
王忆平：国外做的比较多的工作，我给你举两个例子。
其中1个方向来自1个著名的实验，我管它叫“反揭狗皮膏药”。实验把植物的根盖上1个滤纸，在滤纸上面滴1滴根瘤菌液，菌液与根被滤纸隔离，不相接触，1个星期后，把滤纸揭下来，根上却长出了瘤子，但是里面并没有菌。后来分析发现，是1种非常微量的结瘤素透过滤纸向根传递了1种信号。然后人们开始研究信号传导，看植物为什么结瘤。
另外1方面的研究进展是这样的，人们早就发现有1种真菌可以与绝大多数高等植物相互作用，诱发出须子状菌根，具有解磷解钾，促进植物生长的作用。豆科植物除了可以长根瘤也可以长菌根，国际上在研究以上两种植物与微生物相互作用的共性时发现，这两类菌在植物细胞中可以共用1段信号传导通路，只是最开始的几个步骤不同。因此有人提出，如果把豆科植物细胞中特异的结瘤信号传导通路嫁接到其他非豆科植物菌根生长信号通路上，也许就能在非豆科植物，特别是主要农作物中构建共生固氮体系，打破根瘤菌的宿主专1性。但由于涉及的基因比较多，我认为这方面的研究还有比较长的路要走。
记者：您是第104届国际固氮大会主席，带领国内学者在大会上展示了我国在固氮领域内的研究成果。那么，我国固氮研究有何特色？
王忆平：美国、法国、英国在生物固氮研究方面比较领先，中国跟这几个国家不相上下。这些年来，美法英在植物研究方面比较突出，中国在固氮微生物研究方面也取得了比较独特的成果。
如我国科学家关心的研究课题之1是根瘤菌的碳源利用问题。研究发现，人挑食，菌也“挑食”。如根瘤菌只能用1种碳源———4碳2羧酸作为生物固氮的能量来源。如果阻断根瘤菌对该碳源的利用能力，根瘤菌还可以与豆科植物结瘤，可以利用其他碳源在根瘤细胞中生长繁殖，但是却丧失了固氮能力。至于为什么只挑这种碳源，如何选择这种碳源，这种碳源怎么作用，到现在还没有搞清楚。如果搞清楚了，可以通过1些手段大大提高固氮效率。
记者：从个人角度来说，您下1步最感兴趣的研究方向是什么？
王忆平：我个人目前最感兴趣问题之1的是如何把固氮基因直接转入植物，让植物自主固氮。英国已经把固氮酶编码基因转入植物叶绿体中，但是没有得到预想的效果。
如果再得到资助，我想主要研究方向是让真核生物自主固氮，如果这样能成功的话，可能是增加农作物产量、对环境友好的1种途径。
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