王琪峰

墨西哥南部的哈瓦卡地區(qū)玉米栽種歷史十分悠久，數(shù)千年前野生玉米的馴化就起源于此地，堪稱全球大多數(shù)玉米品種的發(fā)源地。玉米的生長離不開肥料，哈瓦卡地區(qū)的土質(zhì)相當(dāng)貧瘠，然而奇怪的是，當(dāng)?shù)厝朔N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(yǎng)不良的樣子?！睹绹茖W(xué)公共圖書館_生物卷》期刊（PLOS Biology）近日刊載，美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校、加州大學(xué)戴維斯分校和跨國公司瑪氏公司多年來共同研究，終于揭開了當(dāng)?shù)赜衩住盁o肥也壯”的秘密。

人工氮肥是環(huán)境污染“教父”？

植物生長必不可少的營養(yǎng)元素主要是氮、磷、鉀，其中對(duì)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(shù)植物并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(jì)最重要的科學(xué)成就之一，這種用氫氣和氮?dú)庵苯雍铣砂钡姆椒?，又被稱為哈伯——博施法，以兩位德國化學(xué)家哈伯和博施的名字命名，他們因此獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

有人統(tǒng)計(jì)，從1908年人工合成氨誕生到2008年，世界農(nóng)作物的總產(chǎn)量翻了一番，而其中一半不得不歸功于人工氮肥。過去70年，世界人口規(guī)模劇增，若無人工氮肥的支撐，從理論上推算，必須耕種4倍于現(xiàn)在的土地面積才能養(yǎng)活現(xiàn)有人口，否則，將意味著數(shù)十億人面臨食不果腹的境地。

然而天下沒有免費(fèi)的午餐，人工氮肥對(duì)環(huán)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(dāng)于大氣壓的200倍），才能使空氣中的氫和氮發(fā)生反應(yīng)，為此要耗費(fèi)大量能源，占世界能源消耗總量的1%～2%，同時(shí)還排放出大量二氧化碳。全球農(nóng)民每年使用的人工氮肥高達(dá)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(tài)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(chǎn)和使用過程中產(chǎn)生的溫室氣體，對(duì)環(huán)境造成的影響相當(dāng)于每年排放13億噸二氧化碳。

此外，進(jìn)入自然水體的氮肥還造成大面積的富營養(yǎng)化，殃及魚類和其他生物。英國生態(tài)水文研究中心學(xué)者馬克·薩頓認(rèn)為，人工合成氮肥是環(huán)境污染的“教父”，它劣績斑斑，造成的破壞無處不在。

科學(xué)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(qiáng)大的固氮本領(lǐng)，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(nóng)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(nóng)業(yè)總監(jiān)、美國加州大學(xué)戴維斯分校兼職教授霍華德·雅那·夏皮羅，在上世紀(jì)80年代還只是一名獨(dú)立學(xué)者，他曾受墨西哥政府指派，試圖尋找能夠適應(yīng)土壤和氣候條件惡劣的品種，以提高玉米產(chǎn)量。哈瓦卡地區(qū)土壤貧瘠的山坡上生長的奇特玉米，讓他如獲至寶。

這種玉米的特別之處在于，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(gè)月，比一般玉米多3個(gè)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(rèn)為，正是這些黏糊糊的氣生根造就了這種玉米特殊的營養(yǎng)獲取方式——從空氣中捕捉玉米生長所必需的氮肥，這么一來就不怎么需要施肥了。夏皮羅甚至有一種預(yù)感：解開玉米的固氮之謎，將為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來莫大良機(jī)。

生活在哈瓦卡地區(qū)的農(nóng)民有一種傳統(tǒng)習(xí)慣，他們會(huì)將這些固氮玉米氣生根所分泌的粘液收集起來，像儲(chǔ)存蜂蜜一樣存放在家中的罐子里，并用于各種不同的傳統(tǒng)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，由于缺乏足夠的技術(shù)手段，對(duì)玉米這種特殊的固氮本領(lǐng)背后的作用機(jī)理不甚了了。

粘液里的微生物是功臣

距夏皮羅的首次發(fā)現(xiàn)之后近20年，由艾倫·班尼特、簡一邁克爾·安等美國農(nóng)業(yè)、生物學(xué)領(lǐng)域研究人員組成的研究團(tuán)隊(duì)，開始重新審視這種神奇的玉米，不過這次的研究動(dòng)用了最新的基因技術(shù)，研究目的鎖定在這幾個(gè)問題上：玉米氣生根上的粘液里有沒有能夠通過空氣國氮的微生物？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(dāng)真是通過粘液獲取氮肥嗎？

實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果振奮人心：答案全都是肯定的。

研究者們將哈瓦卡地區(qū)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(duì)象，它們的性狀特征十分接近，植株高度超過5米，每個(gè)根節(jié)上都能長出發(fā)達(dá)的氣生根。研究者將這三種玉米與另一種高大的現(xiàn)代玉米品種Hickory King進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，前三者的氣生根數(shù)量是后者的3到4倍。大約在它們播種以后的3到6個(gè)月，此時(shí)正是生長期的中間階段，這些氣生根會(huì)分泌出大量的粘液，粘液富含阿拉伯糖、巖藻糖和半乳糖等碳水化合物。而那些處于地面以下的根部，雖然也會(huì)分泌富含巖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(jīng)過DNA測序技術(shù)分析，研究者發(fā)現(xiàn)氣生根粘液里的微生物攜帶有能夠固氮的基因，屬于固氮微生物。經(jīng)過化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，氣生根高糖、低氧的粘液對(duì)這些固氮基因發(fā)揮作用大有幫助。也就是說，氣生根不僅為微生物提供了白助大餐，還保護(hù)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。盡管這5種測試方法都有局限性，但所得出的結(jié)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(yǎng)這些微生物，發(fā)現(xiàn)在人工粘液中這些微生物活得相當(dāng)滋潤，而且同樣發(fā)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(xiàn)象并不受特定地域的影響。

對(duì)世界糧食安全意義重大？

利用生物技術(shù)將農(nóng)作物進(jìn)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(shù)科學(xué)家奮斗的夢想。研究者之一、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的簡一邁克爾·安認(rèn)為，哈瓦卡的玉米以一種意想不到的方式解決了固氮這個(gè)難題，科學(xué)界也許是時(shí)候把關(guān)注點(diǎn)從豆類植物轉(zhuǎn)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(xué)家奇斯·門登霍爾認(rèn)為，這項(xiàng)研究對(duì)保護(hù)生物多樣性是一個(gè)絕好的角度，“大自然早就造就了我們永遠(yuǎn)無法想象的東西。光靠實(shí)驗(yàn)室是無法完成自然演化的?！?/p>

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(huì)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(guān)系。研究報(bào)告認(rèn)為，這也許說明氣生根分泌粘液是一個(gè)古老的基因性狀，并在哈瓦卡的玉米品種中獲得了強(qiáng)化。研究者從粘液里分離出了數(shù)千種微生物，但是并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(chǔ)，識(shí)別這些神奇微生物的真身，并知曉這些微生物在氣生根上安營扎寨的具體機(jī)理。研究報(bào)告指出，這些研究一旦成功，將對(duì)提高世界玉米產(chǎn)量、提高氮肥使用效率產(chǎn)生巨大影響;尤其是對(duì)世界上那些土壤貧瘠的地區(qū)而言，將是一個(gè)不小的福音。

當(dāng)然，該報(bào)告也不乏質(zhì)疑者。比如，美國夏威夷大學(xué)的植物學(xué)家邁克爾·凱度認(rèn)為，要說此項(xiàng)研究對(duì)世界糧食安全意義重大還為時(shí)尚早，因?yàn)樵搱F(tuán)隊(duì)還沒能證明這些固氮玉米可以滿足商業(yè)化種植的要求，并且玉米的固氮基因是否存在其他缺陷也還不得而知。

不管怎么說，農(nóng)作物的固氮研究從豆類植物擴(kuò)大到玉米，已經(jīng)是一個(gè)很好的開始。