時(shí)下正值大豆收獲季節(jié)，很多人都見(jiàn)過(guò)生長(zhǎng)在田間的大豆，卻幾乎不會(huì)把它拔出來(lái)看看根部。其實(shí)，仔細(xì)觀察就能發(fā)現(xiàn)，大豆根系上會(huì)長(zhǎng)“瘤子”。這是根瘤菌進(jìn)入大豆的根系內(nèi)并形成根瘤，與大豆共生固氮，供給大豆氮素營(yíng)養(yǎng)需求，促進(jìn)其生長(zhǎng)和蛋白含量提高。
近日，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“作物—固氮根瘤菌特異與廣譜共生的分子機(jī)理與設(shè)計(jì)”年度檢查暨大豆根瘤菌田間應(yīng)用示范咨詢(xún)論證會(huì)在鄭州召開(kāi)。與會(huì)專(zhuān)家表示，精準(zhǔn)選育優(yōu)良根瘤菌、在氮素相對(duì)貧瘠的土壤中使用好根瘤菌菌劑，才能最大限度地發(fā)揮出共生固氮效果，實(shí)現(xiàn)根瘤菌對(duì)大豆氮素需求的“精準(zhǔn)扶貧”。
根瘤：生產(chǎn)天然氮肥
過(guò)去幾十年，農(nóng)業(yè)越發(fā)達(dá)，過(guò)量施用化學(xué)氮肥的問(wèn)題也越嚴(yán)重。生物固氮和化學(xué)氮肥同樣是轉(zhuǎn)化大氣中的氮?dú)猓∟2）成氨，卻沒(méi)有化學(xué)氮肥合成與應(yīng)用過(guò)程中的那些副作用。共生固氮占整個(gè)生物固氮量的65%以上，利用好共生固氮，可以降低對(duì)化學(xué)氮肥的依賴(lài)，減少給環(huán)境帶來(lái)的負(fù)面影響。
項(xiàng)目主持人、中國(guó)科學(xué)院上海植物生理生態(tài)研究所研究員王二濤表示，“共生固氮是傳統(tǒng)套種和輪作的科學(xué)依據(jù)所在。”
“共生固氮可為大豆提供50%~80%所需氮素，促進(jìn)大豆增產(chǎn)5%以上、蛋白提高0.5%；為后茬作物提供30~100公斤 氮/公頃/年，起到肥田作用。”中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)根瘤菌研究中心副教授陳文峰用數(shù)據(jù)進(jìn)行了解說(shuō)，根瘤菌與大豆共生固氮，大豆根瘤就是天然的氮肥生產(chǎn)場(chǎng)所。
怎么讓根瘤菌更好地發(fā)揮共生固氮作用？這也是科研人員要回答的問(wèn)題。在基礎(chǔ)研究上，王二濤表示，其關(guān)鍵步驟在于解析根瘤菌廣譜高效共生固氮的分子機(jī)制、豆科寄主廣譜高效共生固氮的分子識(shí)別與信號(hào)體系兩個(gè)問(wèn)題。
他們發(fā)現(xiàn)，菌根共生是植物與菌根真菌建立的互惠互利的“同盟軍”，雖然菌根共生本身并不固氮，但可以促進(jìn)根對(duì)氮、磷的吸收，進(jìn)而促進(jìn)根瘤菌的結(jié)瘤固氮。二者信號(hào)途徑有共同之處，可以共存于豆科植物中，而且菌根真菌也會(huì)被根瘤菌“招募”過(guò)來(lái)。
更為重要的是，王二濤項(xiàng)目組于2017年通過(guò)穩(wěn)定同位素標(biāo)定試驗(yàn)，在國(guó)際上首次揭示了在叢枝菌根真菌與植物的共生過(guò)程中，脂肪酸是植物傳遞給菌根真菌的主要碳源形式，而非傳統(tǒng)理論認(rèn)為的糖。這開(kāi)拓了共生研究的新領(lǐng)域。
建立非豆科植物—根瘤菌共生固氮體系，是項(xiàng)目組一直以來(lái)努力的方向。目前，他們已為探討非豆科作物如水稻結(jié)瘤固氮的可行性做了很多探索工作，有望使作物通過(guò)共生養(yǎng)分吸收提高自身的生產(chǎn)力。
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，讓共生固氮更好地發(fā)揮作用，陳文峰表示，“可以采取豆科作物接種高效根瘤菌劑、非豆科作物與接種根瘤菌劑的豆科植物間套輪作的技術(shù)途徑”。
“在化學(xué)氮肥相對(duì)貧瘠的土壤里使用根瘤菌，效果最好。土壤過(guò)肥、氮肥含量高，根瘤菌就不工作了。”他說(shuō)，這是因?yàn)樗泄痰锞幸粋€(gè)特性，即環(huán)境中如果有化學(xué)氮肥存在，將不再自身固氮。對(duì)根瘤菌來(lái)說(shuō)，也不再結(jié)瘤，即使結(jié)瘤但固氮效率也差。
越精準(zhǔn) 越高效
為豆科植物接種根瘤菌并不復(fù)雜，陳文峰介紹，“要接種的根瘤菌菌劑既可以拌種處理，使其吸附到大豆、花生等種皮表面，也可以把液體根瘤菌菌劑直接噴施到土壤內(nèi)。成本也不是很高，農(nóng)民把產(chǎn)品拿到手，每畝只需10元”。
但是，他強(qiáng)調(diào)必須精準(zhǔn)使用。“正確認(rèn)識(shí)根瘤菌的生物學(xué)特性，從廣泛的資源中篩選與豆科作物相匹配的菌株，采用正確的根瘤菌接種技術(shù)、規(guī)范的種植措施和施肥方式，才能更好地發(fā)揮豆科作物與根瘤菌的共生固氮作用。”陳文峰說(shuō)。
近年來(lái)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)根瘤菌研究中心對(duì)根瘤菌的應(yīng)用基礎(chǔ)和實(shí)踐研究有了很大進(jìn)展，目前建立世界上最大的根瘤菌種質(zhì)資源庫(kù)，保藏根瘤菌2萬(wàn)余株，其中大豆根瘤菌約2000株，花生根瘤菌約1000株。
這并不是說(shuō)，隨便拿出一個(gè)菌株來(lái)就可以使用了。大豆根瘤菌的田間應(yīng)用，要針對(duì)不同生態(tài)區(qū)、不同大豆品種，選擇高效結(jié)瘤固氮的根瘤菌。
科研人員明確了大豆根瘤菌的屬、種地理分布規(guī)律。如我國(guó)東北、熱帶及亞熱帶酸性土壤內(nèi)的大豆根瘤菌是慢生根瘤菌屬的菌種，而新疆和華北地區(qū)的堿性土壤內(nèi)則是以中華根瘤菌屬為優(yōu)勢(shì)的快生根瘤菌，須針對(duì)相應(yīng)的生態(tài)區(qū)找到合適的根瘤菌。
“基因組分析表明，中華根瘤菌屬的根瘤菌包含多個(gè)與耐鹽堿相關(guān)的基因簇，這是影響與大豆共生的中華根瘤菌屬菌種分布規(guī)律的內(nèi)存原因。”中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)根瘤菌研究中心教授田長(zhǎng)富說(shuō)。
與品種相匹配方面，如在山東臨沂，與大豆品種“徐豆18”“黑河43”“南圣270”相匹配的優(yōu)勢(shì)根瘤菌種群是埃氏慢生根瘤菌（Bradyrhizobium elkanii），但因品種不同，埃氏慢生根瘤菌在各自根瘤中所占比例也不同，分別為81.08%、60%、70.27%，說(shuō)明該菌株與品種間存在著一定的共生匹配性。
為解決土壤中微量元素不足而影響共生固氮效率的問(wèn)題，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)根瘤菌研究中心研制出了雙聯(lián)袋菌劑及中試生產(chǎn)線：袋子一側(cè)加入促進(jìn)固氮的如鉬、硼、鐵等微量元素，以及有助于根瘤菌黏合到種子和根系上的黏合劑；另一側(cè)則加入經(jīng)過(guò)優(yōu)選的適合某一地區(qū)的高活力根瘤菌。
在國(guó)家“雙減”項(xiàng)目的支持下，目前針對(duì)東北和黃淮海地區(qū)的不同土壤特征和大豆品種，生產(chǎn)出相應(yīng)的雙聯(lián)袋菌劑，在示范推廣中顯著促進(jìn)了大豆的結(jié)瘤固氮作用，大豆增產(chǎn)5%以上。
利用豐富的根瘤菌種質(zhì)資源、成熟的根瘤菌篩選理論和技術(shù)，在北京、河北、山東、內(nèi)蒙古、河南等地進(jìn)行多年田間試驗(yàn)與示范推廣，陳文峰總結(jié)說(shuō)，“接種根瘤菌的大豆產(chǎn)量與完全施肥處理（底肥和追肥）的大豆產(chǎn)量相當(dāng)，說(shuō)明接菌可代替施肥；但當(dāng)?shù)追什蛔銜r(shí)，施用一定量的底肥，再接種根瘤菌和應(yīng)用微量元素，用好雙聯(lián)袋菌劑，大豆產(chǎn)量可達(dá)到最高水平”。