共生固氮：根瘤菌的“精准扶贫”
本报记者 王方
时下正值大豆收获季节，很多人都见过生长在田间的大豆，却几乎不会把它拔出来看看根部。其实，仔细观察就能发现，大豆根系上会长“瘤子”。这是根瘤菌进入大豆的根系内并形成根瘤，与大豆共生固氮，供给大豆氮素营养需求，促进其生长和蛋白含量提高。
近日，国家重点基础研究发展计划“作物—固氮根瘤菌特异与广谱共生的分子机理与设计”年度检查暨大豆根瘤菌田间应用示范咨询论证会在郑州召开。与会专家表示，精准选育优良根瘤菌、在氮素相对贫瘠的土壤中使用好根瘤菌菌剂，才能最大限度地发挥出共生固氮效果，实现根瘤菌对大豆氮素需求的“精准扶贫”。
根瘤：生产天然氮肥
过去几十年，农业越发达，过量施用化学氮肥的问题也越严重。生物固氮和化学氮肥同样是转化大气中的氮气（N2）成氨，却没有化学氮肥合成与应用过程中的那些副作用。共生固氮占整个生物固氮量的65%以上，利用好共生固氮，可以降低对化学氮肥的依赖，减少给环境带来的负面影响。
项目主持人、中国科学院上海植物生理生态研究所研究员王二涛表示，“共生固氮是传统套种和轮作的科学依据所在。”
“共生固氮可为大豆提供50%~80%所需氮素，促进大豆增产5%以上、蛋白提高0.5%；为后茬作物提供30~100公斤 氮/公顷/年，起到肥田作用。”中国农业大学根瘤菌研究中心副教授陈文峰用数据进行了解说，根瘤菌与大豆共生固氮，大豆根瘤就是天然的氮肥生产场所。
怎么让根瘤菌更好地发挥共生固氮作用？这也是科研人员要回答的问题。在基础研究上，王二涛表示，其关键步骤在于解析根瘤菌广谱高效共生固氮的分子机制、豆科寄主广谱高效共生固氮的分子识别与信号体系两个问题。
他们发现，菌根共生是植物与菌根真菌建立的互惠互利的“同盟军”，虽然菌根共生本身并不固氮，但可以促进根对氮、磷的吸收，进而促进根瘤菌的结瘤固氮。二者信号途径有共同之处，可以共存于豆科植物中，而且菌根真菌也会被根瘤菌“招募”过来。
更为重要的是，王二涛项目组于2017年通过稳定同位素标定试验，在国际上首次揭示了在丛枝菌根真菌与植物的共生过程中，脂肪酸是植物传递给菌根真菌的主要碳源形式，而非传统理论认为的糖。这开拓了共生研究的新领域。
建立非豆科植物—根瘤菌共生固氮体系，是项目组一直以来努力的方向。目前，他们已为探讨非豆科作物如水稻结瘤固氮的可行性做了很多探索工作，有望使作物通过共生养分吸收提高自身的生产力。
在农业生产中，让共生固氮更好地发挥作用，陈文峰表示，“可以采取豆科作物接种高效根瘤菌剂、非豆科作物与接种根瘤菌剂的豆科植物间套轮作的技术途径”。
“在化学氮肥相对贫瘠的土壤里使用根瘤菌，效果最好。土壤过肥、氮肥含量高，根瘤菌就不工作了。”他说，这是因为所有固氮生物均有一个特性，即环境中如果有化学氮肥存在，将不再自身固氮。对根瘤菌来说，也不再结瘤，即使结瘤但固氮效率也差。
越精准 越高效
为豆科植物接种根瘤菌并不复杂，陈文峰介绍，“要接种的根瘤菌菌剂既可以拌种处理，使其吸附到大豆、花生等种皮表面，也可以把液体根瘤菌菌剂直接喷施到土壤内。成本也不是很高，农民把产品拿到手，每亩只需10元”。
但是，他强调必须精准使用。“正确认识根瘤菌的生物学特性，从广泛的资源中筛选与豆科作物相匹配的菌株，采用正确的根瘤菌接种技术、规范的种植措施和施肥方式，才能更好地发挥豆科作物与根瘤菌的共生固氮作用。”陈文峰说。
近年来，中国农业大学根瘤菌研究中心对根瘤菌的应用基础和实践研究有了很大进展，目前建立世界上最大的根瘤菌种质资源库，保藏根瘤菌2万余株，其中大豆根瘤菌约2000株，花生根瘤菌约1000株。
这并不是说，随便拿出一个菌株来就可以使用了。大豆根瘤菌的田间应用，要针对不同生态区、不同大豆品种，选择高效结瘤固氮的根瘤菌。
科研人员明确了大豆根瘤菌的属、种地理分布规律。如我国东北、热带及亚热带酸性土壤内的大豆根瘤菌是慢生根瘤菌属的菌种，而新疆和华北地区的碱性土壤内则是以中华根瘤菌属为优势的快生根瘤菌，须针对相应的生态区找到合适的根瘤菌。
“基因组分析表明，中华根瘤菌属的根瘤菌包含多个与耐盐碱相关的基因簇，这是影响与大豆共生的中华根瘤菌属菌种分布规律的内存原因。”中国农业大学根瘤菌研究中心教授田长富说。
与品种相匹配方面，如在山东临沂，与大豆品种“徐豆18”“黑河43”“南圣270”相匹配的优势根瘤菌种群是埃氏慢生根瘤菌（Bradyrhizobium elkanii），但因品种不同，埃氏慢生根瘤菌在各自根瘤中所占比例也不同，分别为81.08%、60%、70.27%，说明该菌株与品种间存在着一定的共生匹配性。
为解决土壤中微量元素不足而影响共生固氮效率的问题，中国农业大学根瘤菌研究中心研制出了双联袋菌剂及中试生产线：袋子一侧加入促进固氮的如钼、硼、铁等微量元素，以及有助于根瘤菌黏合到种子和根系上的黏合剂；另一侧则加入经过优选的适合某一地区的高活力根瘤菌。
在国家“双减”项目的支持下，目前针对东北和黄淮海地区的不同土壤特征和大豆品种，生产出相应的双联袋菌剂，在示范推广中显著促进了大豆的结瘤固氮作用，大豆增产5%以上。
利用丰富的根瘤菌种质资源、成熟的根瘤菌筛选理论和技术，在北京、河北、山东、内蒙古、河南等地进行多年田间试验与示范推广，陈文峰总结说，“接种根瘤菌的大豆产量与完全施肥处理（底肥和追肥）的大豆产量相当，说明接菌可代替施肥；但当底肥不足时，施用一定量的底肥，再接种根瘤菌和应用微量元素，用好双联袋菌剂，大豆产量可达到最高水平”。