時下正值大豆收獲季節(jié)，很多人都見過生長在田間的大豆，卻幾乎不會把它拔出來看看根部。其實，仔細觀察就能發(fā)現(xiàn)，大豆根系上會長“瘤子”。這是根瘤菌進入大豆的根系內(nèi)并形成根瘤，與大豆共生固氮，供給大豆氮素營養(yǎng)需求，促進其生長和蛋白含量提高。

近日，國家重點基礎研究發(fā)展計劃“作物—固氮根瘤菌特異與廣譜共生的分子機理與設計”年度檢查暨大豆根瘤菌田間應用示范咨詢論證會在鄭州召開。與會專家表示，精準選育優(yōu)良根瘤菌、在氮素相對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，實現(xiàn)根瘤菌對大豆氮素需求的“精準扶貧”。

根瘤：生產(chǎn)天然氮肥

過去幾十年，農(nóng)業(yè)越發(fā)達，過量施用化學氮肥的問題也越嚴重。生物固氮和化學氮肥同樣是轉(zhuǎn)化大氣中的氮氣（N2）成氨，卻沒有化學氮肥合成與應用過程中的那些副作用。共生固氮占整個生物固氮量的65%以上，利用好共生固氮，可以降低對化學氮肥的依賴，減少給環(huán)境帶來的負面影響。

項目主持人、中國科學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)套種和輪作的科學依據(jù)所在。”

“共生固氮可為大豆提供50%~80%所需氮素，促進大豆增產(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。”中國農(nóng)業(yè)大學根瘤菌研究中心副教授陳文峰用數(shù)據(jù)進行了解說，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題。在基礎研究上，王二濤表示，其關鍵步驟在于解析根瘤菌廣譜高效共生固氮的分子機制、豆科寄主廣譜高效共生固氮的分子識別與信號體系兩個問題。

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，但可以促進根對氮、磷的吸收，進而促進根瘤菌的結(jié)瘤固氮。二者信號途徑有共同之處，可以共存于豆科植物中，而且菌根真菌也會被根瘤菌“招募”過來。

更為重要的是，王二濤項目組于2017年通過穩(wěn)定同位素標定試驗，在國際上首次揭示了在叢枝菌根真菌與植物的共生過程中，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)理論認為的糖。這開拓了共生研究的新領域。

建立非豆科植物—根瘤菌共生固氮體系，是項目組一直以來努力的方向。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”。

“在化學氮肥相對貧瘠的土壤里使用根瘤菌，效果最好。土壤過肥、氮肥含量高，根瘤菌就不工作了。”他說，這是因為所有固氮生物均有一個特性，即環(huán)境中如果有化學氮肥存在，將不再自身固氮。對根瘤菌來說，也不再結(jié)瘤，即使結(jié)瘤但固氮效率也差。

越精準 越高效

為豆科植物接種根瘤菌并不復雜，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，他強調(diào)必須精準使用。“正確認識根瘤菌的生物學特性，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。

近年來，中國農(nóng)業(yè)大學根瘤菌研究中心對根瘤菌的應用基礎和實踐研究有了很大進展，目前建立世界上最大的根瘤菌種質(zhì)資源庫，保藏根瘤菌2萬余株，其中大豆根瘤菌約2000株，花生根瘤菌約1000株。

這并不是說，隨便拿出一個菌株來就可以使用了。大豆根瘤菌的田間應用，要針對不同生態(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)勢的快生根瘤菌，須針對相應的生態(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與耐鹽堿相關的基因簇，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。”中國農(nóng)業(yè)大學根瘤菌研究中心教授田長富說。

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題，中國農(nóng)業(yè)大學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)過優(yōu)選的適合某一地區(qū)的高活力根瘤菌。

在國家“雙減”項目的支持下，目前針對東北和黃淮海地區(qū)的不同土壤特征和大豆品種，生產(chǎn)出相應的雙聯(lián)袋菌劑，在示范推廣中顯著促進了大豆的結(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、河南等地進行多年田間試驗與示范推廣，陳文峰總結(jié)說，“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，說明接菌可代替施肥；但當?shù)追什蛔銜r，施用一定量的底肥，再接種根瘤菌和應用微量元素，用好雙聯(lián)袋菌劑，大豆產(chǎn)量可達到最高水平”。