者：房琳琳楊純 首席：王憶平 時間：2007年7月19日下午 地點：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氣固定成氨,。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氮。雖然空氣中有78%是氮氣，但是絕大多數(shù)生物不能直接利用空氣中的氮氣,。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,，就可以擺脫對化肥的依賴性，既節(jié)省能源,，又能對環(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計劃“高效生物固氮作用機理及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用”項目啟動，同國外相關(guān)研究相比較,，該973項目的研究工作的總體水平處于國際先進(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)的分子機理等研究均處于國際領(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大,，早就對新聞報道“免疫”了,。
但是作為一個科技工作者，王教授認(rèn)為自己有責(zé)任有義務(wù)讓公眾知道,，他們在做什么,。
于是，在這個夏日的午后,，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氣固定成氨。同時自然界有細(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物,，酵母菌是最簡單的真核生物；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氣固定成氨,，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氮。雖然空氣中有78%是氮氣,，但是絕大多數(shù)生物不能直接利用空氣中的氮氣,。比如人類呼吸空氣時，一部分氧氣被消耗,，而氮氣卻不能被吸收,，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：固氮研究的國際背景如何,？
王憶平：研究生物固氮的意義主要有以下兩個方面。一方面是能源問題,。由于氮肥的制造是一個高耗能的過程,，生物固氮研究的重要性一般都是在石油資源有危機的時候凸現(xiàn)出來。如上世紀(jì)70年代的石油危機,，以及目前海灣地區(qū)的不穩(wěn)定性和石油價格飛漲,，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,。化肥施到土地里,，只有30%被植物吸收,，另外70%進(jìn)入土壤水體，造成富營養(yǎng)化,。有資料顯示,，我國農(nóng)業(yè)對環(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)面源污染對于總氮,、總磷含量的貢獻(xiàn)率已分別高達(dá)43.3%和37.1%。因為我國是施用氮肥最多的國家之一,，化肥作為一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料得到國家的控制,，相對比較便宜的同時,，濫施現(xiàn)象也比較嚴(yán)重。而生物固氮就不會對環(huán)境造成破壞,。
如果主要農(nóng)作物能夠自主固氮,，就可以擺脫對化肥的依賴性，既節(jié)省能源,，又能對環(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,，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,，這個比較典型的是沙漠里長的發(fā)菜,，在沙漠這種艱苦獨特的環(huán)境里面它能夠生長。此外,，這些日子在我國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：我國固氮研究歷史中，有哪些突出的亮點,？
王憶平：我們這門科學(xué)是一個交叉學(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,，他們在國內(nèi)帶起了一支研究固氮的隊伍。
由于固氮酶催化固氮的活性中心實際上是金屬原子簇,，上世紀(jì)70年代,，盧嘉錫等科學(xué)前輩用量子化學(xué)計算出這個金屬原子簇是一個網(wǎng)兜模型，1992年,，這個金屬原子簇的空間結(jié)構(gòu)被美國加州理工學(xué)院解析出來,，證實了這種晶體結(jié)構(gòu)與盧先生預(yù)測的幾乎一模一樣。這個成就在國際上是公認(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之一,。對它的研究主要有兩個目的，一是揭示根瘤菌與宿主植物相互作用機理,，二是擴大宿主范圍,，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話，相互識別,，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共有的問題。其中一個最根本的,，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問題？王憶平：因為它涉及生命的根本,。
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,。這是因為，氮碳代謝是一切生命活動的兩大根本代謝,。
在屬于氮代謝的固氮作用中,，能量的供應(yīng)，特別對豆科植物共生固氮是一個大問題,。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重要問題,。再深一層的出發(fā)點是由于每種生物都有氮代謝和碳代謝，對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,，項目組的研究有什么針對性的應(yīng)用方向,？
王憶平：我們過去一期的課題，對農(nóng)作物聯(lián)合固氮的菌肥已經(jīng)應(yīng)用到有機農(nóng)業(yè)中去了,。
我們針對我國西南地區(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，配種合適的根瘤菌,，通過對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。
這對西部農(nóng)業(yè)來說是個開拓性的應(yīng)用,。這個研究打破了川,、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,，用有機固氮菌肥完全替代人工合成氮肥也不是在短期內(nèi)能實現(xiàn)的,。
記者：2004年10月，第十四屆國際固氮大會在北京召開,，國際上對固氮最關(guān)心的問題集中在哪些方面呢,？
王憶平：國外做的比較多的工作，我給你舉兩個例子,。
其中一個方向來自一個著名的實驗，我管它叫“反揭狗皮膏藥”,。實驗把植物的根蓋上一個濾紙,，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,，一個星期后，把濾紙揭下來,，根上卻長出了瘤子,，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,。然后人們開始研究信號傳導(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,，人們早就發(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)植物生長的作用。豆科植物除了可以長根瘤也可以長菌根,，國際上在研究以上兩種植物與微生物相互作用的共性時發(fā)現(xiàn),，這兩類菌在植物細(xì)胞中可以共用一段信號傳導(dǎo)通路,，只是最開始的幾個步驟不同。因此有人提出,，如果把豆科植物細(xì)胞中特異的結(jié)瘤信號傳導(dǎo)通路嫁接到其他非豆科植物菌根生長信號通路上,，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的路要走,。
記者：您是第十四屆國際固氮大會主席,，帶領(lǐng)國內(nèi)學(xué)者在大會上展示了我國在固氮領(lǐng)域內(nèi)的研究成果,。那么,，我國固氮研究有何特色？
王憶平：美國,、法國,、英國在生物固氮研究方面比較領(lǐng)先，中國跟這幾個國家不相上下,。這些年來,，美法英在植物研究方面比較突出，中國在固氮微生物研究方面也取得了比較獨特的成果,。
如我國科學(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、對環(huán)境友好的一種途徑,。
