氮素作为植物生长和作物高产的关键营养元素,其有效供应关系到全球粮食安全。然而,传统农业中过量的合成氮肥使用不仅成本高昂,也引发了土壤与水体污染、温室气体排放等一系列环境问题。为应对这一挑战,科学家们不断探索降低作物对外源氮肥依赖的可持续方案。基因编辑技术的兴起为农作物氮素利用能力的提升带来了革命性的机遇。近期一项突破性的研究表明,通过CRISPR基因编辑技术对六倍体小麦的黄酮类代谢通路进行精准修饰,增强作物根系分泌名为芹菜素(Apigenin)的天然植物代谢物,显著促进土壤中具固氮功能细菌的生物膜生成,进而激活生物固氮过程,提高了小麦在氮肥限制条件下的生长能力和产量。与传统依赖氮肥施用的耕作模式相比,这种基于植物诱导微生物固氮的创新途径不仅节约资源,还优化了土壤微生态系统,展现出广阔的应用前景。
小麦作为全球三大粮食作物之一,其产量稳定直接影响全球粮食供应安全。长期以来,小麦对氮肥的需求量极高,而氮肥利用率偏低,往往只有三分之一左右被作物实际吸收。大量氮肥流失导致土壤养分结构失衡,污染地下水资源,并且氮肥施用过程中释放的氧化亚氮是一种强效温室气体,促使全球气候变暖。基于这些因素,提升小麦自身或者其根系环境中固氮能力成为农业科研的重点方向之一。生物固氮是指土壤中的固氮微生物通过特有的酶系统 - - 氮化酶,将大气中的氮气转化为植物可吸收的氨,从而自然补给土壤氮素养分。然而,绝大多数固氮微生物受到氧气的抑制,很难在土壤中高效工作。
为维持氮化酶活性,微生物需要在低氧环境中形成保护性的生物膜结构。研究发现,小麦根系分泌的芹菜素可以促进土壤固氮细菌形成这种生物膜,从而在根际创造一个适宜微生物稳定固氮的微环境。此次科学研究团队通过靶向编辑小麦中编码黄酮3′-羟化酶酶(CYP75B)的基因,阻断芹菜素向其它代谢产物转化的路径,使小麦积累更多芹菜素。增加的芹菜素随根系分泌进入土壤,成功诱导根际固氮细菌生物膜的生成,微生物成为作物氮素的有效供给源。实验结果显示,在氮肥供应受限情况下,经过CRISPR技术编辑的小麦株系叶片和种子的氮含量明显高于野生型,同时光合作用效率提升,单位面积产量获得可观增长。更重要的是,研究结合16S rRNA基因测序技术和qPCR定量分析揭示,经过基因编辑的植株能够选择性地吸引和富集根际固氮细菌群落,改变根际微生态结构,实现植物与微生物的协同共生。
氮化酶活性的直接测定,如乙炔还原实验和15N2同位素追踪,进一步证实了生物膜中微生物固氮功能的增强。以上成果标志着通过调控植物代谢模式,间接塑造根际微生物生态,从而促进非豆科作物固氮的新范式。此前,固氮技术多聚焦于试图将氮化酶基因直接导入植物基因组、构建豆科特有的根瘤器官或培育氮固定能力极强的微生物制剂,但都面临稳定性不足、共生信号传导机制缺失以及菌群竞争激烈等难题。相比之下,此项基因编辑通过增强天然化合物分泌信号,促进自有固氮菌群的活性和定植,具备较好生态适应性和效果可持续性的优势。此项研究不仅为粮食作物育种提供了崭新的技术思路,还对减少化肥使用、保护农业环境及应对气候变化具有深远意义。展望未来,推广此类基因编辑小麦品种可助力精准农业,降低生产成本,提升粮食安全水平。
同时,该技术框架亦可拓展应用于其他大宗粮食作物,如稻谷和玉米,为全球农业可持续发展注入创新动力。虽然研究已经取得显著进展,但基因编辑小麦在各类土壤环境中的长期表现及与多样化天然微生物群落的相互作用还有待深入探讨。科研人员需关注基因编辑对作物整体生理和生态适应性的潜在影响,并评估相关安全性和监管政策。此外,结合现代组学技术和精准农业工具,对芹菜素分泌调控及固氮菌群落变化进行动态监测,将进一步提升该技术应用的精准度和效率。我国作为小麦重要生产国,将此类创新技术融入粮食生产体系,有助于实现高产高效、绿色环保的农业目标,加强对环境和资源的保护。总之,基因编辑小麦通过提升根系芹菜素分泌促进土壤固氮细菌生物膜形成,为作物供给宝贵的氮素养分,显著提高小麦产量。
这一技术革新方法标志着农业微生物与植物代谢交叉领域的重大突破,推动农业生产向更加可持续、智能和环保的方向迈进。随着基因组编辑技术和精准微生物调控策略的进一步发展,未来农业生产将更有效整合生态系统资源,实现粮食安全和环境保护的双重目标。 。
