什么是固氮生物工程


固氮遗传工程的主要研究目的是利用遗传操作技术,将固氮微生物的固氮转移到非固氮微生物或农作物中,以扩大生物固氮的新资源。通过对固氮微生物的基因的认识,用基因工程手段,可以提高固氮菌的固氮效率。如小麦等禾本科植物天然缺乏豆科植物所特有的豆血红蛋白,因而即使将一般根瘤菌导入禾本科植物根部结瘤,因缺乏豆血红蛋白对固氮酸的屏氧保护作用,根瘤菌内的固氮酸仍然不能表达固氮活性。

1988 年在田菁茎瘤中发现根瘤的一个新属种——固氮根瘤菌,除有共生固氮作用外,在自生条件下不需要豆血红蛋白的屏氧保护作用也能固氮。

通过基因工程手段,调节固氮微生物的内部基因可增强固氮菌对环境条件的适应能力,如在固氮螺菌的固氮基因表达和调节上,找到铵解阻遏和突变体,便可得到工程化菌。这种菌在固氮时不受环境中含氮物的影响,可以不断固定氮素。

固氮作用要消耗光合产物的能量。在固氮过程中有放氢反应,造成部分能量浪费。现在已知道,少数根瘤菌具有吸氢酶,其产物能回收固氮时放出的氢,形成ATP。这样,氢能进入再循环而获得能量,既节省了能量,又提高了固氮作用。

在70 年代中期,在自然界中发现了非豆科植物Parasponia 和根瘤菌共生固氮体系。由于这一发现,加之近年来对转移固氮能力的细胞工程技术发展迅速,扩大共生固氮范围的可能性日益增大。

1990 年初,我国和德国进行合作研究,选用固氮根瘤菌作菌种,通过2,4-D 诱导其在小麦根部结瘤定殖,结果测定出诱发根瘤有明显固氮酶活性。此后,我国赴澳大利亚合作研究人员将固螺菌导入小麦根部结瘤,也测出固氮酶活性。

目前非豆科作物结瘤固氮研究在结瘤和固氮两大关键技术方面已有全面突破,不仅可将根瘤菌移植到小麦根部结瘤,而且还突破了禾本科植物天然缺乏豆血红蛋白不能和根瘤共生固氮的障碍。

1989 年,英国学者对水稻秧根进行短时间的酶处理,先采用蜗牛肠子的一种酶处理根尖生长细胞,消除其细胞壁,使他们容易被根瘤菌侵染,经二天处理后的水稻秧再用根瘤菌接种,使其恢复一个生长腔,秧苗继续生长,约一个月后,根形成瘤状结构,内含根瘤菌。他们在小麦上获得同样的结果。这些根瘤直径约3 毫米,类似豆科植物的根瘤。

随着细胞工程的发展,目前已找到多种途径可以人工扩大根瘤菌宿主范围。生物技术的这些发展具有重要的科学和实用价值。根瘤菌和豆科宿主专一性的屏障一旦打破,就可能实现一菌多用的广谱根瘤菌接种剂的研制,这样为农业生产带来明显的经济效益。还能向非豆科作物导入根瘤菌共生结瘤,为更多的农作物导入有固氮酸的机体。下一步将研究如何充分发挥新共生体的固氮效能。

新西兰的研究生将桦树的一种外生菌根菌的幼嫩菌丝用酶解法去掉细胞壁,制备原生质体,并将棕色固氮菌加到原生质体中,在聚乙二醇存在下固氮菌被吸收到菌根菌原生质体中,再生的菌根菌就可以在无氧培养基上生长,并可测出固氮活性,事实证明已建立了固氮菌和菌根瘤的共生固氮体系。用这种固氮菌根菌去接种松树,不但能形成菌根,并且也有固氮能力。具有固氮菌根的整株植物,其含氮高于野生型菌根生物。这种三重共生固氮体系虽然还有一些问题需要进一步研究解决,但这些实验提供了扩大共生固氮作用的新途径。