豆科植物與能夠抓住氮的根瘤菌共生，便不需太多人力所施的氮肥。（圖片來源：pixabay）

氮、磷、鉀是肥料三要素，其中以氮肥最教人迷惑，因為空氣的主成分就是氮─占78％，植物居然不會利用。地球上只有少數生物可以直接利用大氣中的氮─固氮，例如與豆科植物共生的根瘤菌。豆科植物以根瘤招徠固氮細菌，結緣互利共生。如果農作物都有這種本領，不僅不需要氮肥，連生產氮肥的環境成本也免了。

最近美國威斯康辛大學的團隊發現，這一種特殊的共生關係其實源自更古老、也更普遍的一個共生關係。原來在很久很久以前，陸生植物與真菌便演化出互利關係。至今大多數植物的根都有真菌菌絲生長：植物供應糖與胺基酸，真菌回報以水與礦物質。後來豆科植物與根瘤菌的因緣，便是建立在植物與真菌的互利機制上，涉及的基因超過30個，源自同一家族。

於是研究人員追溯根瘤的演化史，發現那是因為控制側生器官（如根瘤）發育的基因發生了突變。簡言之，大約6,000萬年前，今日豆科植物的祖先接收了已發生相關突變的共生基因與根瘤基因。因此研究人員打算為其他植物動基因手術，複製同樣的基因突變。他們的終極目標是稻子─全球種植面積第3名的農作物。

根瘤（豆科Robinia pseudoacacia; credit: Ninjatacoshell）。

不過，種植面積第一的是玉米。對於玉米，威斯康辛團隊動的腦筋與稻子不同。原來在幾年前，墨西哥南部瓦哈卡省農民培育的一個玉米品種引起了廣泛的注意。一來它非常巨大，成株高達5、6米。二來它毋需施肥，也不待輪種補充地力。三來它的形態很特別─有氣根，過去沒有發現過有氣根的玉米。

更有趣的是，其他植物的氣根在潮溼的環境中會吸收水分，這種玉米氣根卻會在雨天分泌膏露滴落土壤。原來那就是玉米毋需施肥的祕密─那些膏露能固氮。換言之，玉米氣根中有固氮菌；玉米利用固氮菌為自己施肥。

現在研究人員正在研發把玉米氣根轉殖到其他作物上的技術，例如雜交。同時，他們爬梳文獻，發現1984年在印度的一個會議中，有人報導一個有氣根的高粱品種，那些氣根也會分泌膏露，只是沒有人跟進研究。

於是威斯康辛團隊兵分兩路，分進合擊，期望為農作物建立永續性的固氮機制。世界人口已超過77億，仍在繼續增加，糧食生產可是當務之急。

參考資料：Fixed! The Economist, Feb. 23rd-March 1st, 2019, pp. 71-72.