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墨西哥玉米「無肥也壯」之謎被揭秘:能從空氣中搶氮肥

11月
08
2018

2018年11月08日09時 今日科學 《環境與生活》雜誌

《環境與生活》雜誌

◎特約撰稿 王琪峰

墨西哥南部的哈瓦卡地區玉米栽種歷史十分悠久,數千年前野生玉米的馴化就起源於此地,堪稱全球大多數玉米品種的發源地。玉米的生長離不開肥料,哈瓦卡地區的土質相當貧瘠,然而奇怪的是,當地人種玉米幾乎不施任何肥料,就能使玉米長得高高大大,絲毫沒有營養不良的樣子。《美國科學公共圖書館·生物卷》期刊(PLOS

Biology)近日刊載,美國威斯康星大學麥迪遜分校、加州大學戴維斯分校和跨國公司瑪氏公司多年來共同研究,終於揭開了當地玉米 「無肥也壯」的秘密。

墨西哥南部哈瓦卡地區的玉米栽種歷史十分悠久,數千年前野生玉米的馴化就起源於此地。

人工氮肥是環境污染「教父」?

植物生長必不可少的營養元素主要是氮、磷、鉀,其中對氮元素的需要量最大。地球上的氮元素非常豐富,在大氣中氮元素占了78.1%。可是大多數植物並不能直接吸收空氣中的氮作為肥料。人工合成氮肥可算是二十世紀最重要的科學成就之一,這種用氫氣和氮氣直接合成氨的方法,又被稱為哈伯——博施法,以兩位德國化學家哈伯和博施的名字命名,他們因此獲得諾貝爾獎。

有人統計,從1908年人工合成氨誕生到2008年,世界農作物的總產量翻了一番,而其中一半不得不歸功於人工氮肥。過去70年,世界人口規模劇增,若無人工氮肥的支撐,從理論上推算,必須耕種4倍於現在的土地面積才能養活現有人口,否則,將意味著數十億人面臨食不果腹的境地。

然而天下沒有免費的午餐,人工氮肥對環境的影響不容樂觀。要合成氮肥需要400攝氏度以上的高溫、20兆帕斯卡的氣壓(相當於大氣壓的200倍),才能使空氣中的氫和氮發生反應,為此要耗費大量能源,占世界能源消耗總量的1%〜2%,同時還排放出大量二氧化碳。全球農民每年使用的人工氮肥高達1.2億噸,土壤中那些未被作物吸收利用的氮肥一部分又以一氧化二氮的形態重回大氣,而一氧化二氮的熱吸收能力是二氧化碳的300倍。人工氮肥生產和使用過程中產生的溫室氣體,對環境造成的影響相當於每年排放13億噸二氧化碳。

美國每年種植超過9000萬英畝的玉米。玉米使用的土地比任何其他作物都多,它還耗費大量的肥料。

此外,進入自然水體的氮肥還造成大面積的富營養化,殃及魚類和其他生物。英國生態水文研究中心學者馬克·薩頓認為,人工合成氮肥是環境污染的「教父」,它劣績斑斑,造成的破壞無處不在。

科學界一直希望能找到人工合成氮肥的替代方案,比如豆科植物的根瘤菌就具有強大的固氮本領,可即使付出了巨大的努力,到目前為止還是無法讓其他種類的農作物也長出能夠固氮的根瘤來。

氣生根從空氣中捕捉氮肥

瑪氏公司農業總監、美國加州大學戴維斯分校兼職教授霍華德·雅那·夏皮羅,在上世紀80年代還只是一名獨立學者,他曾受墨西哥政府指派,試圖尋找能夠適應土壤和氣候條件惡劣的品種,以提高玉米產量。哈瓦卡地區土壤貧瘠的山坡上生長的奇特玉米,讓他如獲至寶。

哈瓦卡的玉米以一種意想不到的方式解決了固氮這個難題

這種玉米的特別之處在於,它們通常能長到16英尺(約合4.88米)高,比美國普通玉米的12英尺(約合4.27米)高出一大截;成熟期為6到8個月,比一般玉米多3個月左右。最讓夏皮羅感到驚訝的是,這種玉米的根部,能密麻麻地長出8至10簇手指一般大小、顏色紅綠的「氣生根」。這些從不接觸地面的氣生根還能分泌出一種透明的粘液。夏皮羅認為,正是這些黏糊糊的氣生根造就了這種玉米特殊的營養獲取方式——從空氣中捕捉玉米生長所必需的氮肥,這麼一來就不怎麼需要施肥了。夏皮羅甚至有一種預感:解開玉米的固氮之謎,將為現代農業可持續發展帶來莫大良機。

氣生根高糖、低氧的粘液對玉米固氮基因發揮作用大有幫助。

生活在哈瓦卡地區的農民有一種傳統習慣,他們會將這些固氮玉米氣生根所分泌的粘液收集起來,像儲存蜂蜜一樣存放在家中的罐子裡,並用於各種不同的傳統儀式中。他們清楚地知道,這種粘液十分特別:玉米的粘液越多,意味著收成越好。不過他們和夏皮羅一樣,由於缺乏足夠的技術手段,對玉米這種特殊的固氮本領背後的作用機理不甚了了。

玉米缺氮,葉子發黃。

粘液里的微生物是功臣

距夏皮羅的首次發現之後近20年,由艾倫·班尼特、簡-麥可·安等美國農業、生物學領域研究人員組成的研究團隊,開始重新審視這種神奇的玉米,不過這次的研究動用了最新的基因技術,研究目的鎖定在這幾個問題上:玉米氣生根上的粘液里有沒有能夠通過空氣固氮的微生物?與那些不分泌粘液的類似玉米品種相比,這種玉米從土壤中獲取的氮肥是不是更少?這種玉米當真是通過粘液獲取氮肥嗎?

實驗研究的結果振奮人心:答案全都是肯定的。

固氮玉米(黃圈)種在美國加州一塊地里,緊挨著較矮小的普通玉米(白圈)。固氮玉米能長到約4.88米高。

研究者們將哈瓦卡地區的3種本地玉米羅喬(Rojo)、皮爾德拉·波朗卡(Piedra Blanca)和蘭諾(Llano)作為主要研究對象,它們的性狀特徵十分接近,植株高度超過5米,每個根節上都能長出發達的氣生根。研究者將這三種玉米與另一種高大的現代玉米品種Hickory

King進行比較後發現,前三者的氣生根數量是後者的3到4倍。大約在它們播種以後的3到6個月,此時正是生長期的中間階段,這些氣生根會分泌出大量的粘液,粘液富含阿拉伯糖、岩藻糖和半乳糖等碳水化合物。而那些處於地面以下的根部,雖然也會分泌富含岩藻糖和半乳糖的粘液,可是其濃度僅為氣生根粘液含糖濃度的一半左右。

經過DNA測序技術分析,研究者發現氣生根粘液里的微生物攜帶有能夠固氮的基因,屬於固氮微生物。經過化學分析發現,氣生根高糖、低氧的粘液對這些固氮基因發揮作用大有幫助。也就是說,氣生根不僅為微生物提供了自助大餐,還保護它們免受氧氣的打擾。

接下來研究者用了5種不同的測試方法,測算出這些微生物從空氣中捕捉到的氮有29%至82%被玉米所吸收。儘管這5種測試方法都有局限性,但所得出的結論卻十分一致。

研究人員用人工合成、成分類似的粘液來培養這些微生物,發現在人工粘液中這些微生物活得相當滋潤,而且同樣發揮著固氮作用;將這些玉米品種栽種到美國的加利福尼亞州、威斯康星州等地,氣生根的固氮效果依然存在,說明這種現象並不受特定地域的影響。

將有捕氮能力的玉米種到美國威斯康星州等地,其氣生根的固氮效果依然存在。

對世界糧食安全意義重大?

利用生物技術將農作物進行改良,使之能像豆類作物那樣長出根瘤來固氮,是幾十年來無數科學家奮鬥的夢想。研究者之一、威斯康星大學麥迪遜分校的簡-麥可·安認為,哈瓦卡的玉米以一種意想不到的方式解決了固氮這個難題,科學界也許是時候把關注點從豆類植物轉移到其他植物上去了。卡耐基自然歷史博物館的熱帶生物學家奇斯·門登霍爾認為,這項研究對保護生物多樣性是一個絕好的角度,「大自然早就造就了我們永遠無法想像的東西。光靠實驗室是無法完成自然演化的。」

研究人員還觀察到,哈瓦卡的一種類蜀黍品種也具有類似會分泌粘液的氣生根類。類蜀黍是一年生的高大草本植物,它與玉蜀黍(也就是玉米)有著密切的親緣關係。研究報告認為,這也許說明氣生根分泌粘液是一個古老的基因性狀,並在哈瓦卡的玉米品種中獲得了強化。研究者從粘液里分離出了數千種微生物,但是並不能確定其中哪些才是固氮功臣。

在未來的研究中,人們也許將更加清楚地了解氣生根固氮這一性狀的基因基礎,識別這些神奇微生物的真身,並知曉這些微生物在氣生根上安營紮寨的具體機理。研究報告指出,這些研究一旦成功,將對提高世界玉米產量、提高氮肥使用效率產生巨大影響;尤其是對世界上那些土壤貧瘠的地區而言,將是一個不小的福音。

解開玉米的固氮之謎,將為現代農業可持續發展帶來莫大良機。

當然,該報告也不乏質疑者。比如,美國夏威夷大學的植物學家麥可·凱度認為,要說此項研究對世界糧食安全意義重大還為時尚早,因為該團隊還沒能證明這些固氮玉米可以滿足商業化種植的要求,並且玉米的固氮基因是否存在其他缺陷也還不得而知。

不管怎麼說,農作物的固氮研究從豆類植物擴大到玉米,已經是一個很好的開始。

本刊原創,如需要轉載,請聯繫《環境與生活》雜誌。

責編:葉曉婷

網編:吳燕芳


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