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會固氮的植物
地球上只有少數生物可以直接利用大氣中的氮,例如豆科植物以根瘤招徠固氮細菌。許多科學家正在努力嘗試,期望能複製這6,000萬年前所產生的共生與根瘤突變基因,並且應用在稻米生產。除此之外,威斯康辛的研究團隊則發現,其他農作物的氣根也有固氮的作用。
 
 


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)
▲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。

 
久遠的共生關係:豆類和根瘤菌
 

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)。
▲根瘤(豆科Robinia pseudoacacia; credit: Ninjatacoshell)。
 
不用施肥的玉米
 

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.

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