者：房琳琳楊純 首席：王憶平 時(shí)間：2007年7月19日下午 地點(diǎn)：北京大學(xué)生物技術(shù)樓
■編者按
自然界有兩大生命現(xiàn)象,，即光合作用和固氮作用。光合作用是將空氣中的二氧化碳固定成碳水化合物,，而固氮作用是將空氣中的氮?dú)夤潭ǔ砂?。人類與許多其它生物一樣需要氮素作為合成蛋白質(zhì)的原料,，但不能自我合成有機(jī)氮。雖然空氣中有78%是氮?dú)?，但是絕大多數(shù)生物不能直接利用空氣中的氮?dú)?。在能源緊張和環(huán)境污染的雙重壓力下，傳統(tǒng)的固氮方式已經(jīng)難以適應(yīng)各種需求,，使生物固氮研究得到更加應(yīng)有的重視,。如果主要農(nóng)作物能夠自主固氮，就可以擺脫對(duì)化肥的依賴性,，既節(jié)省能源,，又能對(duì)環(huán)境友好。這是繼工業(yè)革命之后,，人們期待的一次“綠色革命”,。
5年前，973計(jì)劃“高效生物固氮作用機(jī)理及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用”項(xiàng)目啟動(dòng),，同國(guó)外相關(guān)研究相比較,，該973項(xiàng)目的研究工作的總體水平處于國(guó)際先進(jìn)水平，部分領(lǐng)域如固氮酶結(jié)構(gòu)與催化功能,、碳氮偶聯(lián)的分子機(jī)理等研究均處于國(guó)際領(lǐng)先水平,。
向來低調(diào)的王憶平幾次拒絕了我們的采訪要求，他開玩笑說,，自己從小在新華社家屬大院長(zhǎng)大,，早就對(duì)新聞報(bào)道“免疫”了。
但是作為一個(gè)科技工作者,，王教授認(rèn)為自己有責(zé)任有義務(wù)讓公眾知道,，他們?cè)谧鍪裁础?/p>
于是，在這個(gè)夏日的午后,，王教授從目前正在制造大規(guī)模水污染的“藍(lán)藻”講起,，給我們上了一堂生動(dòng)的科學(xué)課。
記者：您先給我們科普一下吧,，什么是固氮,？
王憶平：自然界有兩大生命現(xiàn)象,，即光合作用和固氮作用。光合作用是將空氣中的二氧化碳固定成碳水化合物,，而固氮作用是將空氣中的氮?dú)夤潭ǔ砂?。同時(shí)自然界有細(xì)胞的生物可以被分為兩大類：一類是有細(xì)胞核的真核生物，其中包括高等植物和動(dòng)物,，酵母菌是最簡(jiǎn)單的真核生物,；還有一類是無細(xì)胞核的原核生物，比如大腸桿菌,、乳酸桿菌等,。兩類生物都可以進(jìn)行光合作用，而固氮卻是原核生物的“專利”,，它們可以在常溫常壓下利用固氮酶將空氣中的氮?dú)夤潭ǔ砂?，作為生命體系的氮素來源。
人類與許多其它生物一樣需要氮素作為合成蛋白質(zhì)的原料,，但不能自我合成有機(jī)氮,。雖然空氣中有78%是氮?dú)猓墙^大多數(shù)生物不能直接利用空氣中的氮?dú)?。比如人類呼吸空氣時(shí),，一部分氧氣被消耗，而氮?dú)鈪s不能被吸收,，怎么進(jìn)去就怎么出來,。所以絕大多數(shù)生物需要從外界攝取被固定的氮元素。
上個(gè)世紀(jì)人類發(fā)明了一種高溫高壓下合成氨的方法制造氮肥,，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),，目前全球氮素來源的30%是由以上合成氨技術(shù)提供的。
記者：固氮研究的國(guó)際背景如何,？
王憶平：研究生物固氮的意義主要有以下兩個(gè)方面,。一方面是能源問題。由于氮肥的制造是一個(gè)高耗能的過程,，生物固氮研究的重要性一般都是在石油資源有危機(jī)的時(shí)候凸現(xiàn)出來,。如上世紀(jì)70年代的石油危機(jī)，以及目前海灣地區(qū)的不穩(wěn)定性和石油價(jià)格飛漲,，都使生物固氮研究得到更加應(yīng)有的重視,。
另一方面，是環(huán)境的壓力,?；适┑酵恋乩铮挥?0%被植物吸收,，另外70%進(jìn)入土壤水體,，造成富營(yíng)養(yǎng)化,。有資料顯示，我國(guó)農(nóng)業(yè)對(duì)環(huán)境污染的“貢獻(xiàn)率”達(dá)到20%以上,，如滇池污染中,，農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)于總氮、總磷含量的貢獻(xiàn)率已分別高達(dá)43.3%和37.1%,。因?yàn)槲覈?guó)是施用氮肥最多的國(guó)家之一,，化肥作為一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料得到國(guó)家的控制，相對(duì)比較便宜的同時(shí),，濫施現(xiàn)象也比較嚴(yán)重,。而生物固氮就不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞。
如果主要農(nóng)作物能夠自主固氮,，就可以擺脫對(duì)化肥的依賴性，既節(jié)省能源,，又能對(duì)環(huán)境友好,。這是繼工業(yè)革命之后，人們期待的一次“綠色革命”,。
記者：您提到“自主”固氮,，那么固氮分為幾種形式呢？
王憶平：據(jù)統(tǒng)計(jì),，人造氮肥占全球氮素總量的30%左右,，除閃電在瞬間固氮5%左右外，其余全靠生物來固氮,。
一般來說,，生物固氮菌有三種類型。第一類是自生固氮菌,，這個(gè)比較典型的是沙漠里長(zhǎng)的發(fā)菜,，在沙漠這種艱苦獨(dú)特的環(huán)境里面它能夠生長(zhǎng)。此外,，這些日子在我國(guó)主要水體中泛濫的藍(lán)藻中也有很大一部分可以自生固氮,。海洋里面有很多藻類也是有同樣的功能。
第二類是聯(lián)合固氮菌,。光合作用是把空氣中的二氧化碳固定成碳水化合物,。植物光合作用的產(chǎn)物有70%給自己用，另外30%養(yǎng)分要分泌到土壤中,，供養(yǎng)土壤里附著在植物根際的微生物,，其中包括聯(lián)合固氮菌，它們可為植物提供一定份額的氮素,，這種松散的關(guān)系往往是互益的,。植物體內(nèi)還有很多內(nèi)生菌也可以固氮,，也屬于聯(lián)合固氮范圍。如巴西在甘蔗生產(chǎn)中使用聯(lián)合固氮體系,，可為甘蔗提供60%的氮素來源,。
第三類是共生固氮菌。這是科學(xué)家認(rèn)為效率非常高但局限性也比較大的一類菌,，大豆,、豌豆、花生等豆科植物可以利用根瘤菌進(jìn)行共生固氮,，這種現(xiàn)象從1887年發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有120年了,。在共生固氮體系中，豆科植物根瘤里的根瘤菌進(jìn)入植物細(xì)胞,，被植物細(xì)胞“俘虜”,，逐漸發(fā)育成了植物細(xì)胞的一種“器官”，所以它們的固氮效率非常高,，可以說這種模式是生物固氮的“最高境界”,。
記者：我國(guó)固氮研究歷史中，有哪些突出的亮點(diǎn),？
王憶平：我們這門科學(xué)是一個(gè)交叉學(xué)科,，包括農(nóng)學(xué)、化學(xué),、物理學(xué)和生物學(xué),，而生物學(xué)中又包括遺傳學(xué)、分子生物學(xué),、生物化學(xué),、生物物理學(xué)等學(xué)科。我國(guó)最早開始這方面研究的老前輩是盧嘉錫,、唐敖慶,、蔡啟瑞、沈善炯和陳華葵等,，他們?cè)趪?guó)內(nèi)帶起了一支研究固氮的隊(duì)伍,。
由于固氮酶催化固氮的活性中心實(shí)際上是金屬原子簇，上世紀(jì)70年代,，盧嘉錫等科學(xué)前輩用量子化學(xué)計(jì)算出這個(gè)金屬原子簇是一個(gè)網(wǎng)兜模型,，1992年，這個(gè)金屬原子簇的空間結(jié)構(gòu)被美國(guó)加州理工學(xué)院解析出來,，證實(shí)了這種晶體結(jié)構(gòu)與盧先生預(yù)測(cè)的幾乎一模一樣,。這個(gè)成就在國(guó)際上是公認(rèn)的。
記者：在目前的研究中,，哪些問題最為關(guān)鍵,？有什么瓶頸嗎,？
王憶平：固氮的瓶頸就是兩個(gè)字———“效率”。
共生固氮體系根瘤菌與宿主植物的關(guān)系最緊密,，效率最高,，它是目前生物固氮研究的焦點(diǎn)之一。對(duì)它的研究主要有兩個(gè)目的,，一是揭示根瘤菌與宿主植物相互作用機(jī)理,，二是擴(kuò)大宿主范圍，使非豆科植物,，如水稻,、小麥、玉米等糧食作物也能共生固氮,。這一研究涉及根瘤菌與植物兩者之間的分子對(duì)話,，相互識(shí)別，信息傳導(dǎo)和基因表達(dá)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控,。
我們關(guān)心三種固氮體系中幾個(gè)共有的問題,。其中一個(gè)最根本的，就是想搞清楚光合作用與固氮作用之間的關(guān)系是怎么回事,。
記者：為什么要搞清楚這個(gè)問題？王憶平：因?yàn)樗婕吧母尽?/p>
最近又一篇文章說,，人類到火星,、土衛(wèi)二除了找水外，還要找氮元素和碳元素,。這是因?yàn)?，氮碳代謝是一切生命活動(dòng)的兩大根本代謝。
在屬于氮代謝的固氮作用中,，能量的供應(yīng),，特別對(duì)豆科植物共生固氮是一個(gè)大問題。如何通過提高光合作用效率來提高固氮作用是必須考慮的一個(gè)重要問題,。再深一層的出發(fā)點(diǎn)是由于每種生物都有氮代謝和碳代謝,，對(duì)固氮生物還有固氮作用，這三者之間究竟存在著怎樣的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò),，是十分基礎(chǔ)的根本問題,。
記者：除了理論方向的考慮，項(xiàng)目組的研究有什么針對(duì)性的應(yīng)用方向,？
王憶平：我們過去一期的課題,，對(duì)農(nóng)作物聯(lián)合固氮的菌肥已經(jīng)應(yīng)用到有機(jī)農(nóng)業(yè)中去了。
我們針對(duì)我國(guó)西南地區(qū)的酸性,、高溫生態(tài)環(huán)境和西北地區(qū)的干旱,、鹽堿生態(tài)環(huán)境,，在重慶三峽庫區(qū)找到了一塊山坡地，可以在種植苜蓿的同時(shí),，配種合適的根瘤菌,，通過對(duì)豆科牧草及其根瘤菌的遺傳結(jié)構(gòu)改造，提高豆科牧草共生固氮體系的抗逆能力,。
這對(duì)西部農(nóng)業(yè)來說是個(gè)開拓性的應(yīng)用,。這個(gè)研究打破了川、渝地區(qū)沒有大面積成功種植紫花苜蓿的歷史,，擴(kuò)大苜蓿種植范圍,。其研制的高效固氮根瘤菌株已進(jìn)行了較大面積的應(yīng)用推廣，取得顯著效益,。
但是由于有機(jī)氮肥改善的不是產(chǎn)量,，而是品質(zhì)，所以在高產(chǎn)與高質(zhì)之間存在很現(xiàn)實(shí)的矛盾,；又由于固氮菌在不同的環(huán)境下表現(xiàn)的固氮活性不一樣,，這與植物的差異有關(guān)，也與土壤酸堿度等環(huán)境因素有關(guān),，所以,，在保持原有產(chǎn)量的情況下，用有機(jī)固氮菌肥完全替代人工合成氮肥也不是在短期內(nèi)能實(shí)現(xiàn)的,。
記者：2004年10月,，第十四屆國(guó)際固氮大會(huì)在北京召開，國(guó)際上對(duì)固氮最關(guān)心的問題集中在哪些方面呢,？
王憶平：國(guó)外做的比較多的工作,，我給你舉兩個(gè)例子。
其中一個(gè)方向來自一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn),，我管它叫“反揭狗皮膏藥”,。實(shí)驗(yàn)把植物的根蓋上一個(gè)濾紙，在濾紙上面滴一滴根瘤菌液,，菌液與根被濾紙隔離,，不相接觸，一個(gè)星期后,，把濾紙揭下來,，根上卻長(zhǎng)出了瘤子，但是里面并沒有菌,。后來分析發(fā)現(xiàn),，是一種非常微量的結(jié)瘤素透過濾紙向根傳遞了一種信號(hào)。然后人們開始研究信號(hào)傳導(dǎo)，看植物為什么結(jié)瘤,。
另外一方面的研究進(jìn)展是這樣的,，人們?cè)缇桶l(fā)現(xiàn)有一種真菌可以與絕大多數(shù)高等植物相互作用，誘發(fā)出須子狀菌根,，具有解磷解鉀,，促進(jìn)植物生長(zhǎng)的作用。豆科植物除了可以長(zhǎng)根瘤也可以長(zhǎng)菌根,，國(guó)際上在研究以上兩種植物與微生物相互作用的共性時(shí)發(fā)現(xiàn),，這兩類菌在植物細(xì)胞中可以共用一段信號(hào)傳導(dǎo)通路，只是最開始的幾個(gè)步驟不同,。因此有人提出,，如果把豆科植物細(xì)胞中特異的結(jié)瘤信號(hào)傳導(dǎo)通路嫁接到其他非豆科植物菌根生長(zhǎng)信號(hào)通路上，也許就能在非豆科植物,，特別是主要農(nóng)作物中構(gòu)建共生固氮體系,，打破根瘤菌的宿主專一性。但由于涉及的基因比較多,，我認(rèn)為這方面的研究還有比較長(zhǎng)的路要走,。
記者：您是第十四屆國(guó)際固氮大會(huì)主席，帶領(lǐng)國(guó)內(nèi)學(xué)者在大會(huì)上展示了我國(guó)在固氮領(lǐng)域內(nèi)的研究成果,。那么,，我國(guó)固氮研究有何特色？
王憶平：美國(guó),、法國(guó),、英國(guó)在生物固氮研究方面比較領(lǐng)先，中國(guó)跟這幾個(gè)國(guó)家不相上下,。這些年來，美法英在植物研究方面比較突出,，中國(guó)在固氮微生物研究方面也取得了比較獨(dú)特的成果,。
如我國(guó)科學(xué)家關(guān)心的研究課題之一是根瘤菌的碳源利用問題。研究發(fā)現(xiàn),，人挑食,，菌也“挑食”。如根瘤菌只能用一種碳源———四碳二羧酸作為生物固氮的能量來源,。如果阻斷根瘤菌對(duì)該碳源的利用能力,，根瘤菌還可以與豆科植物結(jié)瘤，可以利用其他碳源在根瘤細(xì)胞中生長(zhǎng)繁殖,，但是卻喪失了固氮能力,。至于為什么只挑這種碳源，如何選擇這種碳源，這種碳源怎么作用,，到現(xiàn)在還沒有搞清楚,。如果搞清楚了，可以通過一些手段大大提高固氮效率,。
記者：從個(gè)人角度來說,，您下一步最感興趣的研究方向是什么？
王憶平：我個(gè)人目前最感興趣問題之一的是如何把固氮基因直接轉(zhuǎn)入植物,，讓植物自主固氮,。英國(guó)已經(jīng)把固氮酶編碼基因轉(zhuǎn)入植物葉綠體中，但是沒有得到預(yù)想的效果,。
如果再得到資助,，我想主要研究方向是讓真核生物自主固氮，如果這樣能成功的話,，可能是增加農(nóng)作物產(chǎn)量,、對(duì)環(huán)境友好的一種途徑。
