未来几十年，人类将不得不在一个压力巨大的星球上养活数十亿人口。 极端热浪、严重干旱和土壤退化在这种情况下，我们种植和了解植物的方式正在迅速改变，其中最引人入胜的研究方向之一就是俗称“氮呼吸植物”的研究。
这一引人注目的想法背后隐藏着一个巨大的挑战：如何让农作物能够…… 利用空气中的氮，减少对化肥的依赖为了适应更温暖、更干燥、更多变的气候，像植物生物技术和基因组学中心 (CBGP) 这样的领先中心已经全面投入到应对这一挑战中，将生物技术、生态学和可持续农业相结合，以在不断变化的世界中维持粮食生产。
为什么氮对植物如此重要？
这听起来或许有些夸张，但如果没有氮，就不会有我们所知的生命，因为这种元素是植物形成的关键。 光合作用所需的蛋白质、酶和色素如果没有足够的氮源，作物就无法良好生长、产生生物质或获得可接受的产量。
虽然我们呼吸的空气大约由……组成 78%氮气（N₂）植物无法直接利用氮气。大气中的氮气非常稳定，大多数生物缺乏分解这种分子并将其转化为铵或硝酸盐等可用化合物的生化机制。
在自然条件下，植物主要从土壤中以氮的形式获取氮。 硝酸根离子（NO₃⁻）和铵根离子（NH₄⁺）。这些营养物质来源于有机物的分解或微生物的生物固氮过程。当土壤氮含量不足时，植物会出现黄化病，生长不良，产量骤降。
为了弥补这一局限性，现代农业依赖于提供大量氮的合成肥料。问题在于，这种模式已经变得 由于高能耗、碳排放和污染，这种模式不可持续。 过度使用化肥对土壤、水和大气造成的危害。
目前的大部分研究都集中在理解和更好地利用某些生物体和某些植物-微生物共生体所采用的自然策略上。 固定大气中的氮并使其可供生态系统利用.
生物固氮：细菌的妙招
植物不能直接利用氮气，但某些细菌却可以，这要归功于…… 一种名为固氮酶的高度特化的酶这种蛋白质能够分解大气中的氮气，并将其转化为含氮化合物，随着时间的推移，这些含氮化合物会成为食物链的一部分。
这些固氮细菌既存在于土壤中，也与某些植物的根系密切相关。其中一些会建立起自己的菌群。 与植物有着非常紧密的共生关系，生活在特殊的结构中。 这些根系形成并允许资源进行非常精细的交换。
在所谓的共生固氮植物中，植物为细菌提供宿主，并通过光合作用向细菌提供糖分，而微生物则作为回报。 从大气中提供“新的”氮这种交换非常有效，可以满足作物的大部分需求，并为未来的植物改良土壤。
当这些与细菌共生的植物完成其生命周期，其残骸被纳入土壤后，它们组织中积累的氮会通过一个称为氮分解的过程释放出来。 氮矿化作用有机物分解，有机氮转化为铵和硝酸盐，这些形式更容易被其他植物吸收。
因此，包含固氮植物的植物群落发挥着至关重要的作用。 许多生态系统和农业系统的自然肥力减少了对大量外部肥料的需求。
能“呼吸”氮的植物：豆科植物、根瘤和共生
与固氮细菌关系最密切的植物类群是豆科植物，这是一个庞大的科，其中包括许多日常作物，例如： 豌豆、豆类、扁豆、鹰嘴豆、蚕豆或三叶草这些物种在进化过程中发展出了在根部形成根瘤的能力，从而为特定的细菌提供庇护。
在这种关系中，植物会向根系区域释放化学信号，吸引某些能够固氮的土壤细菌。一旦建立联系，根系就开始生长。 称为结节的特殊结构它们就像小型、受保护的“生物反应器”，细菌在适宜的条件下生活和工作。
在这些根瘤中，细菌固定大气中的氮，并将其转化为含氮化合物输送到植物体内；同时，植物也向细菌输送糖类和其他化合物以维持其活性。尽管这些微生物不进行光合作用，但它们依赖于…… 植物利用阳光产生的化学能.
实际结果是，作物无需施用大量外部肥料即可持续获得氮源，而且当植物死亡或通过农业耕作方式将植物残体翻入土壤时，部分氮会留在土壤中。事实上， 豆科植物残体的分解显著提高了土壤中的氮含量。.
这种机制解释了为什么豆科植物经常用于作物轮作或作为绿肥：它们不仅能生产粮食，还能帮助…… 提高土地肥力，并支持更可持续的农业系统 从中长期来看。
固氮植物的分布和多样性
与固氮细菌共生的植物在生态学上扮演着极其重要的角色，以至于多个科研团队对其大规模分布进行了详细研究。在美国，来自各个研究中心的科研人员，例如…… 佛罗里达自然历史博物馆以及路易斯安那大学和密西西比大学他们分析了数十个地点的本土物种和入侵物种的记录，以更好地了解这种模式。
乍一看，人们可能会认为在贫氮土壤中应该有…… 土壤固固植物的数量和多样性增加因为在缺乏这种营养物质的环境中，它的竞争优势会更大。然而，详细的分析却对这种看似合乎逻辑的观点提出了诸多质疑。
研究人员在比较不同地区时观察到，固氮植物的数量往往…… 土壤中氮含量较低的区域增加这与经典假说相符。但他们也观察到，随着环境变得更加干燥，这些植物的总体数量有所减少。
最引人注目的发现是，当他们研究本地固氮菌的多样性时，他们发现了一种不同的模式： 本地固土植物的多样性显著增加。 干旱地区无论土壤中氮含量如何，也就是说，在水资源条件较为恶劣的地方，本地固氮植物的种类可能非常多。
这些结果表明，从大尺度上看，固氮细菌寄主植物的分布不仅取决于土壤氮含量，还取决于多种因素的复杂组合，例如： 水资源可利用性、进化历史和植物群落动态了解这些模式是设计更适合各个地区的农业系统的关键。
CBGP的作用：植物生物技术在应对气候变化中的作用
尽管人们对固根植物的生态学认识正在取得进展，但像以下这样的研究中心…… 植物生物技术与基因组学中心（CBGP）与马德里理工大学有联系的研究人员则专注于另一个方面：使作物适应我们已经经历的极端气候，并且这种气候将在未来几十年加剧。
预测表明，到本世纪中叶，大约 9.700以百万计的人 在一个更加炎热、干燥且极端天气事件更加频繁的星球上，2024年已经成为有记录以来最热的年份之一，欧洲已有数万人因热浪而死亡，其中西班牙是受影响最严重的国家之一。
鉴于这种情况，CBGP 的研究人员会进行全面深入的研究。 植物如何生长，它们如何与环境中的微生物相互作用 以及它们如何应对环境变化，例如气温升高、长期干旱或农业土壤盐碱化。
该中心的主要目标之一是培育新的作物品种，或从现有品种中筛选出具有以下能力的品种： 在环境压力下保持可接受的产量这意味着不仅要能够忍受不利条件，而且还要尽量减少对化肥和水等外部投入的依赖。
为了实现这一目标，研究人员分析了某些植物能够更好地抵御环境胁迫的分子机制。他们发现 防御蛋白、信号通路和关键基因 这些系统在极端条件下被激活，并利用这些信息生成他们所谓的“概念验证”。
在这些试验中，他们培育转基因植物，使其积累某些蛋白质或激活特定的耐受机制，以验证这些转基因植物是否真的能提高其在干旱、高温或盐碱环境下的性能。通过这种方式， 他们通过实验验证哪些策略最有效。 在考虑大规模应用之前。
更具韧性的作物：番茄、十字花科蔬菜与粮食安全
这种方法取得的显著成果之一是开发了 耐盐性强的番茄植株在灌溉和强烈蒸发导致土壤盐分富集的农业地区，这是一个日益普遍的问题。CBGP团队已经开发出对盐分更耐受的转基因品种。
这些耐寒番茄已经繁衍出了一个后代。 欧洲专利申请其理念是将这项技术推广到其他对盐碱特别敏感的作物，例如豌豆、豆类、玉米或草莓。如果成功，这将为灌溉水质有限或土壤退化的地区带来巨大的优势。
与此同时，该团队正致力于将这些成果应用于所谓的十字花科植物，该植物科包括…… 卷心菜、西兰花和其他必需蔬菜 在膳食中。提高这些主食蔬菜的抗逆性意味着在气候环境不确定的情况下，保障粮食安全的重要组成部分。
然而，事情并非仅仅引入防御蛋白就万事大吉了。许多这类蛋白属于…… 也含有食物过敏原的家庭这就需要采取额外的预防措施。并非所有免疫蛋白都具有致敏性，但有些免疫蛋白可能会在敏感人群中引发过敏反应。
因此，CBGP 设有一个专门的过敏原团队，负责对这些蛋白质进行全面评估。他们的工作重点是识别过敏原。 蛋白质的哪些结构特征使其成为潜在的过敏原？ 哪些不安全，以便设计出可供人类安全食用的生物技术解决方案。
这种严谨的方法对于转基因或改良作物的创新在市场上真正占有一席之地至关重要，能够确保…… 食品安全和新品种的负责任开发 有助于应对气候变化，同时又不会造成其他问题。
迈向能够从空气中“呼吸”氮气的谷物
在 CBGP 开展的众多雄心勃勃的项目中，由这位研究人员领导的项目尤为突出。 路易斯·鲁比奥由盖茨基金会资助。其目标既简单易懂又难以实现：使谷物能够…… 从空气中捕获和代谢氮大幅减少对化肥的依赖。
与豆类不同，水稻、小麦或玉米等主粮作物天然不会与固氮细菌形成如此强大的共生关系。它们自身也不具备固定氮气的内部机制，因为…… 它们缺乏固氮酶。 某些细菌确实具有这种特性。
鲁比奥的团队以一种与面包酵母相关的固氮细菌作为模型，这种细菌被称为 维氏固氮菌 （在某些媒体中常被误解）能够高效固氮。其思路是将这些细菌中参与固氮的基因转移到植物中。
在实验室里，研究人员正致力于将这些细菌基因导入植物细胞并使其协同表达，目的是使谷类作物能够…… 内部激活功能性固氮系统这是一个巨大的挑战，因为固氮酶非常复杂，而且对氧气极其敏感，所以它需要非常特定的条件才能发挥作用。
如果这一目标能够实现，哪怕只是部分实现，也可能给世界农业带来革命性的变化：谷物可以自行满足大部分氮需求，从而减少合成肥料的使用，并最终降低…… 其生产和应用相关的土壤、水和空气污染.
化学肥料与农业可持续性
目前，氮肥对于维持高产至关重要。 全球谷物产量多亏了它们，才有可能养活不断增长的人口，但这种依赖带来了越来越难以承受的环境代价。
化肥的工业合成消耗大量能源并排放温室气体；田间大量使用化肥会导致…… 氮氧化物和氨排放造成的空气污染径流会将硝酸盐带入河流、含水层和海洋，从而促进富营养化等过程。
此外，化肥过度使用和某些管理措施会加速这一过程。 农业土壤退化降低它们保持水分和养分的能力，使农民陷入依赖外部投入的恶性循环。
根据自施肥谷物项目的研究人员称，大幅减少这些化肥的使用量可能会开启一扇通往……的大门。 更可持续的农业化肥用量减少意味着与化肥生产相关的排放物减少，水污染减少，退化土壤的恢复机会也更大。
最终目标是培育出能够……的水稻、小麦和玉米品种。 很大程度上是自花授粉他们计划以空气中的氮气为主要来源。然而，研究团队也承认，这项技术极其复杂，可能需要数十年的研究才能在实际应用中大规模实施。
最先进的基础设施：温室和根际培养箱
为了开展这些项目，CBGP拥有大约 1.900平方米专门用于在受控条件下种植植物该基础设施的核心部分是一个面积约 1.200 平方米的温室，配备了先进的气候控制和照明系统。
这些温室可以在完全可控的条件下培育不同种类的农业作物或实验模型。 温度、光照、湿度和基材组成这样就可以重现由高温、干旱或盐碱引起的胁迫情景，从而评估改良或筛选出的植物的行为。
该设施配备了专为转基因植物操作而设计的P2型隔离模块。在这些模块内，温度可在较大范围内控制，大约在 10 和 45°C这是模拟热浪或中等寒冷环境的关键因素之一。
此外，温室还采用了一套系统 自动化数字表型分析 利用在通道间移动的机器人，采集植物的图像和数据。该系统能够对植物生长、水分状况和胁迫症状的严重程度等进行精确、大规模的监测。
该基础设施的另一个非常有趣的组成部分是所谓的根管，它是由以下结构组成的： 露出根系的透明板多亏了它们，才能获得根部的详细图像，测量根部的生长和粗细，并分析根部对不同产品或环境条件的反应。
这些可控温室、机器人分析系统和根际培养箱的结合，使该中心成为理想的研究环境。 在扩大使用规模之前，应先对新品种和新技术进行测试。此外，这些设施并非仅供内部团队使用：它们也向其他对应对未来农业挑战感兴趣的公共和私营组织的项目开放。
所有这些关于抗性蛋白、固氮共生以及能够利用大气氮的谷物的研究都指向一种农业模式，在这种模式下，植物…… 它们与微生物以及自身的生物学特性有着更紧密的联系。 以更少的外部投入生产更多的粮食。尽管许多此类目标需要数年甚至数十年才能大规模实现，但每一项进展都让我们离实现以下目标更近一步：培育出能够“呼吸”空气中氮的作物，从而在气候压力下的地球上维持全球粮食供应。
