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       近日，由威斯康星大學(xué)麥迪遜分校、普渡大學(xué)和可持續(xù)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)Pivot Bio的研究人員合作完成，發(fā)表于《科學(xué)報告》（Scientific Reports）的同行評審研究介紹了一項可能徹底顛覆百年作物氮源供應(yīng)方式的新技術(shù)，首次提供了關(guān)于基因編輯如何增強微生物固定大氣氮的能力，并將其轉(zhuǎn)化為糧食作物氮源的突破性證據(jù)。

Pivot Bio的一位科研人員正在刮取玉米根部，以測量Pivot Bio產(chǎn)氮微生物的定殖情況

       通過使用同位素標記氮氣，研究人員成功追蹤到從空氣中進入玉米葉片葉綠素的氮元素，最終證實這些氮元素是通過基因編輯微生物從空氣中固定的。實地調(diào)查還顯示，這些微生物能夠固定并供應(yīng)相當(dāng)于每英畝40磅合成氮肥的氮量，同時確保作物產(chǎn)量與之相當(dāng)。

       提高氮肥利用效率，始終是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域需要解決的長期挑戰(zhàn)。 密歇根州立大學(xué)環(huán)境科學(xué)教授Bruno Basso博士（未參與該研究）指出：“核心問題在于，土壤、植物與大氣系統(tǒng)之間的相互作用極其復(fù)雜。”不可預(yù)測的天氣使得養(yǎng)分供應(yīng)與作物需求之間的匹配充滿挑戰(zhàn)，難以精確估算作物所需的氮量，以及能否在土壤中有效保持養(yǎng)分。他表示：“我的研究實驗團隊多年來一直致力于幫助農(nóng)戶，借助先進的傳感技術(shù)和計算機模型，幫助他們更好地了解農(nóng)田狀況，提高氮肥的利用效率，不僅提升收益，還能減少對環(huán)境的負面影響，諸如養(yǎng)分流失到地下水和溫室氣體排放到大氣中等問題。”

       固氮菌是一類天然存在的特殊細菌，具有將大氣中的氮氣轉(zhuǎn)化為銨離子的獨特能力，而銨離子正是構(gòu)成氨基酸和蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)元素。這一過程被稱為“生物固氮”（BNF），在合成氮肥問世之前，數(shù)千年來一直是作物獲取氮素養(yǎng)分的主要途徑。

       “當(dāng)原生土壤中的固氮菌長期暴露在高濃度氮的土壤環(huán)境下，它們會逐漸喪失生物固氮能力。這是它們?yōu)楣?jié)約能量所做的進化性反應(yīng)，因為生物固氮過程非常耗能。”該研究的合著者、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校細菌學(xué)與植物及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)教授Jean-Michel Ané博士表示，“我們需要找到方法，讓這些細菌即使在氮含量較高的環(huán)境中，也能保持較高的生物固氮水平，比如施用了合成氮肥的土壤。”

       Pivot Bio的研究人員通過非轉(zhuǎn)基因技術(shù)，開發(fā)了基因編輯微生物，使固氮菌即使在高氮濃度環(huán)境下也依然能持續(xù)為作物提供穩(wěn)定氮源。“通過基因編輯，我們讓這種微生物無法感知周圍環(huán)境中的氮元素，從而使它們持續(xù)固定銨離子，并將其直接輸送到植物的根系。”Pivot Bio的首席創(chuàng)新官兼聯(lián)合創(chuàng)始人、論文合著者Karsten Temme博士表示， “我們還進行了其他基因編輯，以確保這些細菌將固定的氮傳遞給作物，而不僅僅保留給自己。”

       該論文提供了實驗證據(jù)，證明這一過程在實驗室和試驗田中得到了成功驗證。這篇論文也是首篇經(jīng)過同行評審的研究，詳細介紹了Pivot Bio推出的第二代商業(yè)化產(chǎn)品——PROVEN^® 40。該產(chǎn)品專為玉米作物設(shè)計，含有基因編輯固氮微生物。

       “氮肥無疑是過去一個世紀最為重要的發(fā)明，在可預(yù)見的未來，它將繼續(xù)在全球發(fā)展和糧食安全領(lǐng)域發(fā)揮至關(guān)重要的作用。然而，我們相信氮肥的使用方式可以更加優(yōu)化。”Temme博士表示：“Pivot Bio的核心使命是通過基因編輯微生物提升氮肥的利用效率，進而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，同時減少合成氮肥對環(huán)境的負面影響。”

       在實地研究中，研究人員通過一系列同位素實驗再次驗證了固氮過程。本次實驗是在真實的環(huán)境條件下進行，并對植物中的氮含量進行了精準量化。研究人員還收集了農(nóng)戶提供的數(shù)百個樣本，這些農(nóng)戶將每英畝氮肥的施用量減少了35～40磅，并用Pivot Bio的PROVEN^® 40產(chǎn)品替代氮肥。研究人員發(fā)現(xiàn)，平均而言，施用了PROVEN^® 40的植物在季節(jié)初期氮含量更高，而且，盡管施用的合成肥料較少，但對產(chǎn)量沒有產(chǎn)生任何負面影響。

       Ané博士表示：“追蹤氮元素從空氣到微生物，再到植物的整個過程非常復(fù)雜。我們依靠氮原子的同位素標記，通過對比空氣與土壤中的氮元素來進行精確分析。”通過這些測量，研究人員在實驗室中檢測到玉米葉片的葉綠素中含有同位素標記的氮元素，這表明這些微生物將氮源供應(yīng)給了植物。

       “這項大規(guī)模研究令人欣喜，因為它意味著農(nóng)戶可以在不影響產(chǎn)量的情況下開始減少氮肥使用：這對于農(nóng)戶和環(huán)境來說，都是雙贏的局面。”Temme博士表示，“這項技術(shù)令人振奮，因為它具有極高的可擴展性。自從5年前商業(yè)化啟動以來，我們的產(chǎn)品已在美國超過1,300萬英畝的土地上投入使用，收獲了顯著的實際效果。”

       Basso博士予以贊同。 他表示：“如果這項技術(shù)能夠不斷改進，為作物提供更多氮源，并且證明其能夠有效減少環(huán)境污染及農(nóng)業(yè)整體碳足跡，那么它會成為一項改變氮管理領(lǐng)域規(guī)則的革命性技術(shù)。為支持作物產(chǎn)量提升，我們越是使用更高效、更可持續(xù)的氮源替代合成肥料，就越能造福農(nóng)戶、社區(qū)和環(huán)境。”

關(guān)于Pivot Bio

       Pivot Bio是一家可持續(xù)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，致力于為農(nóng)戶提供專利作物營養(yǎng)技術(shù)，借助大自然的力量，幫助他們在日益動蕩的背景下穩(wěn)定高效地生產(chǎn)糧食，以滿足全球需求。該公司產(chǎn)品是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一項突破性創(chuàng)新，目前已在北美上市，并將在不久后進入巴西市場。它們被視為行業(yè)內(nèi)最具前景的氣候解決方案之一。 該公司的氮源具有卓越的抗天氣變化能力，使用更為安全，并且不會滲漏或產(chǎn)生一氧化二氮排放。