氮是植物生长必需的营养物质，但在农业中过度使用合成氮肥是不可持续的。在 9 月 26 日发表在《微生物学趋势》杂志上的一篇评论文章中，细菌学家和植物科学家组成的团队讨论了利用基因工程促进植物和称为“固氮微生物”的固氮微生物之间互利关系的可能性。这些工程关联将通过模仿豆类和固氮细菌之间的共生关系来帮助农作物从空气中获取氮。

“工程缔合固氮菌为作物提供氮是解决合成氮肥相关高成本和可持续性问题的一种有前途且相对较快实现的解决方案，”由高级作者 Jean-Michel Ané (@JeanMichelAne) 领导的研究小组写道。威斯康星大学麦迪逊分校。

固氮菌是土壤细菌和古细菌的一种，它们能自然地将大气中的氮“固定”成铵，这是植物可以利用的来源。其中一些微生物与植物形成了互惠关系，植物为它们提供碳源和安全、低氧的家园，作为回报，它们为植物提供氮。例如，豆科植物根部的小根瘤中含有固氮微生物。

然而，这些互利共生仅发生在少数植物和少数作物物种中。如果更多的植物能够与固氮剂形成联系，就会减少对合成氮肥的需求，但这种关系需要亿万年才能自然进化。

如何增强非豆科作物的固氮作用是农业领域持续面临的挑战。人们提出了几种不同的方法，包括对植物进行基因改造，使其自身产生固氮酶(固氮剂利用这种酶将大气中的氮转化为铵)，或对非豆科植物进行工程改造以产生根瘤。

另一种方法(本次综述的主题)将涉及对植物和固氮微生物进行工程改造，以促进互利共生。从本质上讲，植物将被改造为更好的宿主，而微生物将被改造为在遇到改造后的植物宿主分泌的分子时更容易释放固定氮。

作者写道：“由于自由生活或缔合性固氮生物不会无私地与植物分享固定氮，因此需要操纵它们释放固定氮，以便植物能够获取它。”

该方法将依赖于植物和微生物之间的双向信号传导，这种信号已经自然发生。微生物具有化学感受器，使它们能够感知植物分泌到土壤中的代谢物，而植物能够感知与微生物相关的分子模式和微生物分泌的植物激素。这些信号传导途径可以通过基因工程进行调整，以使工程植物和微生物对之间的通讯更加特异性。

作者还讨论了如何使这些精心设计的关系更加高效。由于固氮是一个能源密集型过程，因此微生物能够调节固氮并仅在必要时产生铵将非常有用。作者写道：“依靠植物依赖性小分子的信号传导，将确保只有当工程菌株接近所需作物物种时，氮才能被固定。” “在这些系统中，细胞仅在对作物最有利时才进行能量密集型固定。”

许多固氮微生物可以为植物提供除固氮之外的额外益处，包括促进生长和抗逆性。作者表示，未来的研究应该集中于“叠加”这些多重好处。然而，由于这些过程是能源密集型的，研究人员建议开发由多个物种组成的微生物群落，每个物种都提供不同的好处，以“在多个菌株之间分散生产负荷”。

作者承认，转基因是一个复杂的问题，在农业中大规模使用转基因生物需要公众的接受。作者写道：“科学家、育种者、种植者和消费者之间需要就这些新兴技术的风险和收益进行透明的沟通。”

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