不用施肥，自己制造肥料的CRISPR小麦

加州大学戴维斯分校的研究人员设计了一种小麦，可以鼓励土壤细菌将大气中的氮转化为植物可用的肥料。通过增加植物中的一种天然化合物，小麦促使细菌形成生物膜，使氮固定。这一突破可以减少化肥的使用，减少污染，提高产量。它还为世界各地的农民提供了巨大的潜在储蓄。

　　

加州大学戴维斯分校（University of California, Davis）的科学家培育出了能够促进自身形成肥料的小麦植株，这一进展可能会降低全球空气和水污染，并降低农业成本。

这项研究是由植物科学系杰出教授爱德华多·布鲁姆瓦尔德（Eduardo Blumwald）领导的一个研究小组进行的。利用基因编辑工具CRISPR，研究小组增加了这种植物一种天然化学物质的产量。当小麦根部将这种额外的化合物释放到周围的土壤中时，它会帮助特定的细菌将空气中的氮转化为附近植物可以吸收的形式。这个过程被称为固氮。

这项研究发表在《Plant Biotechnology Journal》上。

粮食安全的潜在利益

对于许多发展中地区来说，这一进展可以为可靠的作物生产提供新的支持。

布卢姆瓦尔德说：“在非洲，人们不使用化肥，因为他们没有钱，而且农场很小，不超过6到8英亩，想象一下，你种植的作物可以刺激土壤中的细菌，自然地产生作物所需的肥料。哇!这是一个很大的区别！”

这项小麦创新建立在该小组先前在水稻上的成功基础上，目前正在进行类似的工作，将该技术扩展到其他主要谷物作物。

全球肥料问题

小麦是世界上产量第二大的谷物，氮肥使用量最大，约占全球氮肥使用量的18%。根据联合国粮食及农业组织的数据，2020年全球生产的化肥超过8亿吨。

植物通常只吸收施用氮肥的30 - 50%。其余的通常流入河流和沿海地区，造成氧气耗尽的“死区”，损害水生生态系统。土壤中多余的氮会产生一氧化二氮，一种强效的温室气体。

为什么小麦需要不同的策略

固氮细菌产生一种叫做固氮酶的酶，有时被称为“固氮剂”，因为它进行固氮。这种酶只在这些细菌中起作用，而且只在低氧环境中起作用。

豆科植物，如豆类和豌豆，自然形成根瘤，这种特殊的结构创造了这些细菌所需的缺氧条件。

小麦和大多数其他作物没有这些结核，这就是为什么合成氮肥被广泛使用的原因。

“几十年来，科学家们一直在努力开发能够产生活性根瘤的谷物作物，或者试图让固氮细菌在谷物中定居，但都没有取得多大成功。我们采用了不同的方法。我们说固氮细菌的位置并不重要，只要固定的氮能到达植物，植物就可以利用它。”

加州大学戴维斯分校的团队是如何找到一个可行的解决方案的

研究人员检查了植物自然产生的2800种化学物质，并确定了20种可以促进固氮细菌形成生物膜的化学物质。这些生物膜是包裹在细菌周围的粘性涂层，产生适合氮酶活性的低氧微环境。然后，研究小组绘制了植物如何合成这些化合物并确定了相关基因。

有了这些信息，他们使用CRISPR来调整小麦植物，使它们产生更多的一种化合物，一种叫做芹菜素的黄酮。因为植物产生的芹菜素比它们需要的要多，多余的芹菜素被释放到土壤中。在实验中，这种芹菜素刺激土壤细菌形成保护性生物膜，使氮酶以小麦可以吸收的可用形式固定氮。

在极低氮肥条件下，改良小麦的产量也比对照小麦高。

给农民带来巨大的经济收益

据美国农业部估计，2023年，美国农民在化肥上花费了近360亿美元。布卢姆瓦尔德指出，该国大约有5亿英亩的土地种植谷物。

“想象一下，如果你能节省那块土地上10%的化肥使用量，”他沉思着。“我保守地计算一下：每年应该能省下10多亿美元。”

其他作者包括Hiromi Tajima， Akhilesh Yadav, Javier Hidalgo Castellanos, Dawei Yan, Benjamin P. Brookbank和Eiji Nambara。

加州大学已经提交了一项专利申请，目前正在申请中。拜耳作物科学公司和加州大学戴维斯分校威尔莱斯特基金会为这项工作提供了资金。