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能从空气中抢氮肥的神奇玉米

发布时间:2018-11-08 11:20:37   来源:    浏览次数:306

◎特约撰稿 王琪峰

【墨西哥南部的哈瓦卡地区玉米栽种历史十分悠久,数千年前野生玉米的驯化就起源于此地,堪称全球大多数玉米品种的发源地。玉米的生长离不开肥料,哈瓦卡地区的土质相当贫瘠,然而奇怪的是,当地人种玉米几乎不施任何肥料,就能使玉米长得高高大大,丝毫没有营养不良的样子。《美国科学公共图书馆·生物卷》期刊(PLOS Biology)近日刊载,美国威斯康星大学麦迪逊分校、加州大学戴维斯分校和跨国公司玛氏公司多年来共同研究,终于揭开了当地玉米 “无肥也壮”的秘密。】

墨西哥玉米“无肥也壮”之谜被揭秘:能从空气中抢氮肥

墨西哥南部哈瓦卡地区的玉米栽种历史十分悠久,数千年前野生玉米的驯化就起源于此地。

人工氮肥是环境污染“教父”?

植物生长必不可少的营养元素主要是氮、磷、钾,其中对氮元素的需要量最大。地球上的氮元素非常丰富,在大气中氮元素占了78.1%。可是大多数植物并不能直接吸收空气中的氮作为肥料。人工合成氮肥可算是二十世纪最重要的科学成就之一,这种用氢气和氮气直接合成氨的方法,又被称为哈伯——博施法,以两位德国化学家哈伯和博施的名字命名,他们因此获得诺贝尔奖。

有人统计,从1908年人工合成氨诞生到2008年,世界农作物的总产量翻了一番,而其中一半不得不归功于人工氮肥。过去70年,世界人口规模剧增,若无人工氮肥的支撑,从理论上推算,必须耕种4倍于现在的土地面积才能养活现有人口,否则,将意味着数十亿人面临食不果腹的境地。

然而天下没有免费的午餐,人工氮肥对环境的影响不容乐观。要合成氮肥需要400摄氏度以上的高温、20兆帕斯卡的气压(相当于大气压的200倍),才能使空气中的氢和氮发生反应,为此要耗费大量能源,占世界能源消耗总量的1%〜2%,同时还排放出大量二氧化碳。全球农民每年使用的人工氮肥高达1.2亿吨,土壤中那些未被作物吸收利用的氮肥一部分又以一氧化二氮的形态重回大气,而一氧化二氮的热吸收能力是二氧化碳的300倍。人工氮肥生产和使用过程中产生的温室气体,对环境造成的影响相当于每年排放13亿吨二氧化碳。

墨西哥玉米“无肥也壮”之谜被揭秘:能从空气中抢氮肥

美国每年种植超过9000万英亩的玉米。玉米使用的土地比任何其他作物都多,它还耗费大量的肥料。

此外,进入自然水体的氮肥还造成大面积的富营养化,殃及鱼类和其他生物。英国生态水文研究中心学者马克·萨顿认为,人工合成氮肥是环境污染的“教父”,它劣绩斑斑,造成的破坏无处不在。

科学界一直希望能找到人工合成氮肥的替代方案,比如豆科植物的根瘤菌就具有强大的固氮本领,可即使付出了巨大的努力,到目前为止还是无法让其他种类的农作物也长出能够固氮的根瘤来。

气生根从空气中捕捉氮肥

玛氏公司农业总监、美国加州大学戴维斯分校兼职教授霍华德·雅那·夏皮罗,在上世纪80年代还只是一名独立学者,他曾受墨西哥政府指派,试图寻找能够适应土壤和气候条件恶劣的品种,以提高玉米产量。哈瓦卡地区土壤贫瘠的山坡上生长的奇特玉米,让他如获至宝。

墨西哥玉米“无肥也壮”之谜被揭秘:能从空气中抢氮肥

哈瓦卡的玉米以一种意想不到的方式解决了固氮这个难题

这种玉米的特别之处在于,它们通常能长到16英尺(约合4.88米)高,比美国普通玉米的12英尺(约合4.27米)高出一大截;成熟期为6到8个月,比一般玉米多3个月左右。最让夏皮罗感到惊讶的是,这种玉米的根部,能密麻麻地长出8至10簇手指一般大小、颜色红绿的“气生根”。这些从不接触地面的气生根还能分泌出一种透明的粘液。夏皮罗认为,正是这些黏糊糊的气生根造就了这种玉米特殊的营养获取方式——从空气中捕捉玉米生长所必需的氮肥,这么一来就不怎么需要施肥了。夏皮罗甚至有一种预感:解开玉米的固氮之谜,将为现代农业可持续发展带来莫大良机。

墨西哥玉米“无肥也壮”之谜被揭秘:能从空气中抢氮肥

气生根高糖、低氧的粘液对玉米固氮基因发挥作用大有帮助。

生活在哈瓦卡地区的农民有一种传统习惯,他们会将这些固氮玉米气生根所分泌的粘液收集起来,像储存蜂蜜一样存放在家中的罐子里,并用于各种不同的传统仪式中。他们清楚地知道,这种粘液十分特别:玉米的粘液越多,意味着收成越好。不过他们和夏皮罗一样,由于缺乏足够的技术手段,对玉米这种特殊的固氮本领背后的作用机理不甚了了。

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玉米缺氮,叶子发黄。

粘液里的微生物是功臣

距夏皮罗的首次发现之后近20年,由艾伦·班尼特、简-迈克尔·安等美国农业、生物学领域研究人员组成的研究团队,开始重新审视这种神奇的玉米,不过这次的研究动用了最新的基因技术,研究目的锁定在这几个问题上:玉米气生根上的粘液里有没有能够通过空气固氮的微生物?与那些不分泌粘液的类似玉米品种相比,这种玉米从土壤中获取的氮肥是不是更少?这种玉米当真是通过粘液获取氮肥吗?

实验研究的结果振奋人心:答案全都是肯定的。

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固氮玉米(黄圈)种在美国加州一块地里,紧挨着较矮小的普通玉米(白圈)。固氮玉米能长到约4.88米高。

研究者们将哈瓦卡地区的3种本地玉米罗乔(Rojo)、皮尔德拉·波朗卡(Piedra Blanca)和兰诺(Llano)作为主要研究对象,它们的性状特征十分接近,植株高度超过5米,每个根节上都能长出发达的气生根。研究者将这三种玉米与另一种高大的现代玉米品种Hickory King进行比较后发现,前三者的气生根数量是后者的3到4倍。大约在它们播种以后的3到6个月,此时正是生长期的中间阶段,这些气生根会分泌出大量的粘液,粘液富含阿拉伯糖、岩藻糖和半乳糖等碳水化合物。而那些处于地面以下的根部,虽然也会分泌富含岩藻糖和半乳糖的粘液,可是其浓度仅为气生根粘液含糖浓度的一半左右。

经过DNA测序技术分析,研究者发现气生根粘液里的微生物携带有能够固氮的基因,属于固氮微生物。经过化学分析发现,气生根高糖、低氧的粘液对这些固氮基因发挥作用大有帮助。也就是说,气生根不仅为微生物提供了自助大餐,还保护它们免受氧气的打扰。

接下来研究者用了5种不同的测试方法,测算出这些微生物从空气中捕捉到的氮有29%至82%被玉米所吸收。尽管这5种测试方法都有局限性,但所得出的结论却十分一致。

研究人员用人工合成、成分类似的粘液来培养这些微生物,发现在人工粘液中这些微生物活得相当滋润,而且同样发挥着固氮作用;将这些玉米品种栽种到美国的加利福尼亚州、威斯康星州等地,气生根的固氮效果依然存在,说明这种现象并不受特定地域的影响。

墨西哥玉米“无肥也壮”之谜被揭秘:能从空气中抢氮肥

将有捕氮能力的玉米种到美国威斯康星州等地,其气生根的固氮效果依然存在。

对世界粮食安全意义重大?

利用生物技术将农作物进行改良,使之能像豆类作物那样长出根瘤来固氮,是几十年来无数科学家奋斗的梦想。研究者之一、威斯康星大学麦迪逊分校的简-迈克尔·安认为,哈瓦卡的玉米以一种意想不到的方式解决了固氮这个难题,科学界也许是时候把关注点从豆类植物转移到其他植物上去了。卡耐基自然历史博物馆的热带生物学家奇斯·门登霍尔认为,这项研究对保护生物多样性是一个绝好的角度,“大自然早就造就了我们永远无法想象的东西。光靠实验室是无法完成自然演化的。”

研究人员还观察到,哈瓦卡的一种类蜀黍品种也具有类似会分泌粘液的气生根类。类蜀黍是一年生的高大草本植物,它与玉蜀黍(也就是玉米)有着密切的亲缘关系。研究报告认为,这也许说明气生根分泌粘液是一个古老的基因性状,并在哈瓦卡的玉米品种中获得了强化。研究者从粘液里分离出了数千种微生物,但是并不能确定其中哪些才是固氮功臣。

在未来的研究中,人们也许将更加清楚地了解气生根固氮这一性状的基因基础,识别这些神奇微生物的真身,并知晓这些微生物在气生根上安营扎寨的具体机理。研究报告指出,这些研究一旦成功,将对提高世界玉米产量、提高氮肥使用效率产生巨大影响;尤其是对世界上那些土壤贫瘠的地区而言,将是一个不小的福音。

墨西哥玉米“无肥也壮”之谜被揭秘:能从空气中抢氮肥

解开玉米的固氮之谜,将为现代农业可持续发展带来莫大良机。

当然,该报告也不乏质疑者。比如,美国夏威夷大学的植物学家迈克尔·凯度认为,要说此项研究对世界粮食安全意义重大还为时尚早,因为该团队还没能证明这些固氮玉米可以满足商业化种植的要求,并且玉米的固氮基因是否存在其他缺陷也还不得而知。

不管怎么说,农作物的固氮研究从豆类植物扩大到玉米,已经是一个很好的开始。

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责编:叶晓婷

网编:吴燕芳