氮素是構成蛋白質的主要成分和植物生長所需的大量元素，也是確保農業高產穩產的三大營養元素之一。氮素是地球上*豐富的化學元素，但主要以惰性氣體的形式存在于大氣之中，無法被作物直接利用，供其生長所需。農業生產大量使用的氮肥主要來自于工業合成氨。
那么我們知道在農業生產里面，要想實現農作物的增產增收，就必須使用化肥，在世界各國都是這樣。那么化肥主要有氮、磷、鉀三種，而氮肥是這三種肥料里面應用*多、需求*大的。但是由于氮肥的過量、不合理的使用，造成了土壤退化、環境污染以及食品**等重大的問題。那么在我國面臨的形勢尤為嚴峻，已經成為保障我國糧食**和生態**的重要障礙。那么鑒于此呢，我們國家也在調整如何能夠減少化肥的使用。
中國是世界上*大的氮肥生產和使用國，在占世界7%的耕地上消耗了全世界30%以上的氮肥。據統計，2017年我國化肥施用達到了2220.6萬噸，使用量占到世界總量的35%，平均單位耕地面積使用量達到了434.3kg/公頃，是美國等發達國家認定的225公斤/公頃**上限的近兩倍。導致我國氮肥過度使用的一個重要原因是我國農作物氮肥利用效率普遍不高，據統計目前我國氮肥利用率平均只有35%左右，而發達國家高達60%。2015年我國制定了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，明確提出到2025年，在保證主要農作物穩產的基礎上，提出化學肥料減施20%。
生物固氮是指自然界里面某些原核微生物在常溫常壓下利用自身的固氮酶系統，將空氣中的氮氣轉變為氨供植物生長，那么這個現象叫生物固氮，這類微生物叫固氮微生物。從1888年德國微生物學家**證實豆科植物有固氮能力至今，生物固氮的研究已經有一百多年的歷史。
據聯合國糧農組織統計，地球上結合態的氮總量有70%來源于生物固氮，每年全球微生物固定的氮素可達兩億噸，約占全球作物需氮量的四分之三，相當于工業生產氮肥的三倍多。通過生物固氮為農作物提供氮源、提高產量、降低化肥用量、減少生產成本，是*節能、環保、生態友好的氮素供應方式。
根據與宿主植物的關系，生物固氮可以分為共生結瘤固氮和根際聯合固氮等類型。談起生物固氮，大家*直觀的是大豆、花生、苜蓿等作物根際的根瘤。此外，自然界中能夠進行固氮的微生物有很多種，比如在水稻、玉米、小麥、甘蔗等非豆科作物的根際也分離和鑒定了大量的固氮菌株。那么這些固氮微生物在與宿主長期的這種進化過程中，建立了互惠互利的共生關系。固氮微生物可以為宿主提供氮源，而固氮微生物可以利用宿主植物的根際分泌物，做為碳源生長，而固氮微生物固定的氮素可以提供給植物生長所需。
前面談到生物固氮如此重要，但是為什么在農業中沒有得到大量的應用呢？主要原因是生物固氮有天然的缺陷，比如豆科植物的結瘤固氮。它這個植物**于在豆科植物之間，它的這個宿主范圍非常有限。而非豆科植物的根際聯合固氮，由于它這個植物與固氮微生物的關系相對松散，非常容易受到外界的一些因素的影響，導致它的固氮效率不高，固氮活性很低下，嚴重影響了它在農業里面的應用，所以迫切需要我們采用一些新的技術和方法來對固氮微生物進行改造，然后提高它的固氮能力和固氮效率。如何提高固氮效率，擴大根瘤菌共生固氮的宿主范圍，實現主要農作物，如水稻等禾本科作物的自主固氮，從而部分或者完全替代工業氮肥是當前生物固氮研究的前沿，也是一個世界性的農業科技難題。
那么既然聯合固氮菌有這么多的這種缺點，那么我們如何采用合成生物學的角度來改造它，從而實現非豆科作物的節肥增產呢？我覺得我們主要通過這幾個點：**我們要從聯合固氮菌的這種代謝調控的關鍵靶標出發，然后設計可以對環境里面這些限制因素，不敏感的這種菌株，比方說它可以實現這種耐氨，對環境里面那種高濃度的氨不太敏感，它即使在高濃度氮存在的情況下也繼續固氮；還有一個就是可以改造它的這種氨的轉運系統，可以實現它將自己固定的這種氨及時的分泌到體外，然后使得植物能夠及時的獲取，這樣的話就能夠建立一種新型的這種高效的聯合固氮體系。同時我們也要改造這種植物，使得植物能夠相比較于微生物以及其他的生物，更強能力地獲取這種氨。
合成生物學是本世紀初興起，并被譽為可以改變世界的十大高技術之一，在農業中應用潛力巨大。那么合成生物技術采用工程化的設計理??，對生物體進行有目標的設計、改造、重新合成，甚至創造賦予非自然功能的人造生命。合成生物學為生物固氮等世界性農業難題的解決，提供了**性的解決方案。合成生物技術在農業科研中具有廣闊的應用空間，理論上我們可以將碳四光合途徑導入到碳三水稻中，研發高光合效率的水稻，將固氮酶系統導入到高等植物中，研發自主固氮的作物。同時我們也可以開發，包括人造合成肉以及人工牛奶等未來食品。
當前，國際固氮合成生物學研究發展迅猛。目前國際上聚焦如下三種技術路線：一是人工改造根際固氮微生物及其宿主植物，構建高效根際聯合固氮體系。二是擴大根瘤菌的寄主范圍，構建非豆科作物結瘤固氮體系。三是人工設計*簡固氮裝置，創建作物自主固氮體系。
國際上多個研究團隊圍繞擴大共生結瘤宿主范圍，人工構建非豆科作物結瘤固氮體系開展研究，取得重要進展。2011年比爾蓋茨基金會資助歐盟的一個研究團隊，開展人工構建非豆科作物結瘤固氮體系研究。**目標是實現非豆科碳四作物玉米結瘤固氮，并應用于常年受干旱脅迫的非洲。美國麻省理工學院的研究團隊，在大腸桿菌底盤中實現了產酸克氏桿菌鉬鐵固氮酶系統的從頭設計。英國劍橋大學的研究團隊借助菌根共生體系的信號通路，在非豆科植物體內，搭建了可以響應根瘤菌共生信號轉導途徑。丹麥奧爾胡斯大學的研究團隊，鑒定了豆科植物識別根瘤菌結瘤因子受體，并且通過異源表達結瘤因子受體，擴大了根瘤菌的宿主范圍。那么以上相關研究為構建人工結瘤固氮體系奠定了重要的工作基礎。
那么合成生物學的研究主要有三個層面：**個是可以利用我們目前已經研究的非常透徹的天然基因模塊，來構建新的調控網絡，并表現出一些新的功能。還有一種就是采用從頭合成的方法，人工合成基因組DNA。那么合成生物學的***的一個研究層面就是采用人工創制全新的生命系統乃至生命體，目前合成生物學研究取得了非常重要的突破。
合成生物學研究有幾大里程碑式的成果。那么2010年美國的研究團隊**合成了人造生命，辛西婭的1.0版本，在2016年又合成了具有*簡基因組的人造生命辛西婭的3.0版本，那么人造生命達到了新的里程碑。還有一個成果就是由我國科學家參與完成的酵母基因組的合成，更是將合成生物學研究推向了新的高度。
我們實驗室主要是圍繞這個水稻根際分離到的一株聯合固氮菌，實施簡單包菌開展工作。那么在長達三十多年的研究過程中，我們已經相繼完成了該菌的全基因組測序以及轉錄組分析，功能基因組分析，對于該菌的基因表達調控網絡有了深度的解析。那么在此基礎上，我們挖掘了一系列參與固氮調控的基因模塊和原件。那么在此基礎上，我們也合成了具有耐氨密氨能力的工程菌株，具有重要的農業應用前景。那么接下來我們想采用合成生物學，構建高效的聯合固氮體系，主要的出發點在于我們要人工設計能夠耐氨密氨的功能模塊，使這個固氮菌能夠在高濃度氨存在的情況下，保持高的固氮活性，同時將分泌的氮素分泌到體外供給植物。同時我們從植物的角度，賦予植物更高的這種氨的吸收能力，也就是搶氨模塊，從而在這個基礎上采用植物和微生物的這種模塊之間的這種組合，構建高效聯合固氮體系，從而實現水稻地節肥增產。
我們國家的生物固氮研究目前在國際上我認為應該是處于**陣營，而且部分研究成果應該是處于國際**，先后于2005年、2019年在我國舉辦國際固氮大會，并且2014年舉辦亞洲固氮大會以及國際非豆科固氮會議。通過這些會議的舉辦顯示了我們國家在生物固氮領域的這種地位和水平，也得到了國際的認可。北京大學的研究團隊**實現了將原本18個基因的固氮酶基因簇簡化為只有五個巨型基因的基因簇，那么同時在這個大腸桿菌底盤中，測試了極簡固氮酶基因簇，與來自于植物的電子傳遞鏈之間的這種功能匹配性，將固氮酶系統轉移到真核生物里面，實現真核自主固氮這個研究邁出了重要的一步，是一個里程碑的成果。在2020年*新的研究中，研究人員發現可以在這個真核生物酵母中穩定表達固氮酶的重要組分，那么這個研究為進一步推進真核生物的自主固氮邁出了堅實的一步。
經過數十年幾代科學家的努力，中國生物固氮研究取得了世界矚目的成績，為其在農業生產中應用奠定了重要基礎。在今后相當長一段時間內，我國生物固氮及農業應用將分三個階段開展聯合攻關研究，分階段的戰略目標如下：3-5年的近期目標，即生物固氮1.0版，是克服天然固氮體系缺陷，創制新一代高效根際固氮微生物產品，在田間示范條件下替代化學氮肥25%；10年的中期目標，即生物固氮2.0版，是擴大根瘤菌宿主范圍，構建非豆科作物結瘤固氮的新體系，在確保產量的同時減少化學氮肥用量50%；15年的遠期目標，即生物固氮3.0版，是探索作物自主固氮的新途徑，在確保產量的同時大幅度減少甚至完全替代化學氮肥。
生物固氮研究是一個世界性的難題，那么對我們來講是機遇也是挑戰。相信在未來，隨著這個合成生物技術的**下，我們能夠取得進一步的這種研究進展，那么一經實現必將為我國未來農業增產增收，**增效，綠色發展作出重大貢獻。
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