科學(xué)通報 | 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)陳三鳳李琴團隊綜述聯(lián)合固氮40年進展

近日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)陳三鳳、李琴課題組在《科學(xué)通報》發(fā)表了題為“聯(lián)合固氮40年: 從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用”的綜述文章，系統(tǒng)總結(jié)了建院40年來在該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)積淀和研究突破，構(gòu)建覆蓋“資源發(fā)掘-機制解析-合成改造-田間應(yīng)用”的全鏈條研發(fā)體系，為谷物類作物生物固氮技術(shù)奠定理論及應(yīng)用雙重基礎(chǔ)，推動農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型。

在日益嚴(yán)峻的糧食安全挑戰(zhàn)和生態(tài)環(huán)境壓力背景下，生物固氮技術(shù)的突破已成為減少化學(xué)氮肥依賴、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵路徑。尤其在以水稻、小麥、玉米為主的主糧作物生產(chǎn)中，如何通過生物固氮替代或部分替代化學(xué)氮肥，已成為全球農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)的核心問題。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院作為我國聯(lián)合固氮領(lǐng)域研究的重要陣地，四十年來始終圍繞“非豆科作物生物固氮”這一重大科學(xué)問題持續(xù)深耕，從固氮菌資源發(fā)掘、分子機制解析到合成生物學(xué)改造和田間應(yīng)用，構(gòu)建了全鏈條技術(shù)體系，取得了一系列具有國際影響力的原創(chuàng)性成果。

我國耕地資源總量有限且面臨質(zhì)量退化挑戰(zhàn)。如何突破土壤肥力限制，實現(xiàn)糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，已成為保障國家糧食安全的重要課題。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院自上世紀(jì)80年代起，始終面向國家農(nóng)業(yè)重大需求，圍繞聯(lián)合國氮這一農(nóng)業(yè)微生物學(xué)核心問題，持續(xù)開展基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)，逐步構(gòu)建了覆蓋資源發(fā)掘、分子機制解析、合成生物學(xué)改造及田間應(yīng)用的全鏈條研究體系，確立了我國在聯(lián)合國氮研究領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。該綜述系統(tǒng)總結(jié)了中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院四十年來在聯(lián)合國氮研究中的四大核心突破方向。

聯(lián)合固氮菌種資源發(fā)掘與多樣性研究

團隊歷時40年從全國30余省份分離獲得2000多株聯(lián)合固氮菌，并命名15個固氮新種，構(gòu)建了重要的固氮菌和固氮基因資源庫, 為全球研究提供基礎(chǔ)支撐。代表性菌株如巴西固氮螺菌玉62展現(xiàn)出跨作物系統(tǒng)性定殖能力，而固氮類芽孢桿菌代表性菌株P(guān)aenibacillus triticisoli BJ-18 和P. polymyxa WLY78 能在小麥、玉米、黃瓜等作物的根表、根內(nèi)、莖及葉組織中穩(wěn)定定殖, 有效拮抗病原真菌并促進多種作物生長。這些豐富的菌種和基因資源, 為固氮合成生物學(xué)研究及聯(lián)合固氮菌肥的開發(fā)奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。

聯(lián)合固氮菌固氮酶催化與固氮調(diào)控的分子機制

團隊在固氮酶催化機制和固氮表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機制領(lǐng)域開展了系統(tǒng)性研究。長期深耕固氮酶催化機制研究，早期即建立厭氧提取與純化系統(tǒng), 為后續(xù)多種來源固氮酶的催化機制研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。團隊解析了巴西固氮螺菌氮信號調(diào)控通路和固氮類芽孢桿菌中丙氨酸脫氫酶（alanine dehydrogenase, ADH）介導(dǎo)的氮代謝-固氮協(xié)同通路：高銨誘導(dǎo)ADH催化生成丙氨酸，抑制谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase, GS）活性，模擬低氮信號使GlnR（glutamine synthetase regulator）持續(xù)激活固氮基因表達(dá)。這一發(fā)現(xiàn)突破了高銨抑制固氮的傳統(tǒng)認(rèn)知，為耐銨工程菌設(shè)計提供新策略。

圖 1 氮信號對固氮基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機制

(a) 巴西固氮螺菌（Azospirillum brasilense）的氮信號調(diào)控通路整合了Ntr、NifA與DraT/DraG系統(tǒng). (b) 固氮類芽孢桿菌 (Paenibacillus sabinae) 中ADH-GlnR-GS 對 nif 基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控.

固氮酶系統(tǒng)的異源表達(dá)

團隊在固氮酶系統(tǒng)的異源表達(dá)研究中建立了系統(tǒng)性技術(shù)路線, 實現(xiàn)了從原核生物到真核生物 (酵母、植物) 的漸進式突破。首次發(fā)現(xiàn)僅含9個基因（nifBHDKENXhesAnifV）的類芽孢桿菌最小固氮基因簇可以使大腸桿菌固氮，顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)為固氮至少需要16個基因的認(rèn)知。通過“一步法”將含有 15 個基因的固氮酶合成途徑整合至釀酒酵母染色體，成功組裝有活性的NifH蛋白和大小正確的NifDK四聚體；在水稻染色體整合40 kb基因簇（含13個固氮基因），穩(wěn)定遺傳至F6代并檢測到天然結(jié)構(gòu)的NifDK四聚體，同時篩選出抗降解NifH突變體，為實現(xiàn)作物“自主固氮”邁出關(guān)鍵一步。

聯(lián)合固氮菌的抗病促生機制及應(yīng)用

聯(lián)合固氮菌通過生物固氮直接供給氮素、合成抗菌物質(zhì)抑制病原體、調(diào)控根際及植物內(nèi)生微生物群落結(jié)構(gòu)促進有益菌群、以及增強宿主植物對氮素的吸收與同化能力等多重機制的協(xié)同作用, 有效提升作物的抗病性與產(chǎn)量。田間試驗表明，接種菌劑在減氮15%條件下可使小麥/玉米增產(chǎn)7.64%–23.20%，其核心優(yōu)勢在于“減氮增效”效應(yīng)，為農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

在理論探索的同時，生物學(xué)院堅持貫通固氮菌“基礎(chǔ)研究-調(diào)控機制-應(yīng)用開發(fā)”全鏈條， 為發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)與綠色生物制造奠定了科學(xué)基礎(chǔ)，也推動科研成果走出實驗室。立足過去四十年的深厚積淀, 團隊將繼續(xù)聚焦新型固氮資源發(fā)掘、固氮菌-植物互作信號通路解析及高效真核表達(dá)系統(tǒng)開發(fā)，力爭突破非豆科作物的固氮瓶頸。本綜述不僅是對中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院四十年來在聯(lián)合固氮領(lǐng)域研究的系統(tǒng)總結(jié)，更是對未來科研方向的戰(zhàn)略思考與科學(xué)展望。隨著科研力量匯聚，我國在聯(lián)合固氮技術(shù)開發(fā)與農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型方面將取得更大突破，為全球糧食安全和可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展貢獻 “中國力量”。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院李琴副教授為本文的第一作者和共同通訊作者，陳三鳳教授為通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃項目(2024YFA0918200)和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)青年英才計劃項目(No.003)的資助。

文章信息

李琴，韓宇星，杜靈杉，等. 聯(lián)合固氮40年: 從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用. 科學(xué)通報, 2025.

https://www.sciengine.com/doi/10.1360/CSB-2025-5050.

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