這項發現是首個經同行評審的證據，顯示基因編輯微生物能為玉米農民提供大比例的氮源，並可應用於商業生產中
加州伯克萊2024年11月15日 /美通社/ -- 今日發表於《Scientific Reports》的同行評審研究介紹了一項新技術，該技術有望顛覆一個世紀以來為作物提供氮源的傳統方法。這項研究由威斯康辛大學麥迪遜分校（University of Wisconsin-Madison）、普渡大學（Purdue University）和領先的可持續農業公司Pivot Bio的研究人員合作進行，首次提供證據顯示基因編輯如何增強微生物固氮的能力，並將大氣中的氮源轉移到穀物作物中。
一名Pivot Bio的科學家正在刮取玉米根部，以測量Pivot Bio的氮生成微生物在根部的定殖情況。
研究人員使用同位素標記的氮，追蹤氮氣在空氣中的運行，最終到達玉米葉片的葉綠素，提供了證據顯示這些氮是通過基因編輯的微生物從空氣中固定的。田野實地研究還顯示，這些微生物能夠固定並提供氮，達到與高達每英畝40磅合成氮肥相當的效果，並且產量相似。
提高氮肥的效能一直以來都是一項長期的挑戰。密歇根州立大學（Michigan State University）環境科學系教授Bruno Basso博士雖然他並未參與這項研究，但他解釋道，「核心問題在於土壤-植物-大氣系統極其複雜。」不可預測的天氣使得植物的營養需求與供應之間難以匹配，也使得確定作物所需的氮量以及這些營養是否會留在土壤中變得更加困難。「我的研究團隊多年來致力於協助農民，透過先進的感測技術和電腦模型，幫助他們深入了解農田，並更有效地使用氮肥，以提高利潤並減少對環境的影響，例如養分流失到地下水和溫室氣體排放。」
固氮菌（Diazotrophs）是自然界中特殊類型的細菌，具備將大氣中的氮氣轉化為氨的獨特能力，而氨是氨基酸和蛋白質的基本組成單位。這一過程，通常被稱為生物固氮作用（BNF），在合成氮肥發明之前，曾是作物獲取氮營養的主要方式，並延續了數千年之久。
當本土土壤中的固氮菌長時間暴露於高濃度氮氣時，它們會喪失進行生物固氮作用的能力。這是固氮菌為了節省能量而進化出的反應，因為生物固氮作用是一個極其耗能的過程，」該研究的共同作者、威斯康辛大學麥迪遜分校（University of Wisconsin-Madison）細菌學與植物及農業生態系統科學教授Jean-Michel Ané博士解釋說。「我們需要說服這些細菌在氮含量高的環境中維持高水平的生物固氮作用，例如在施用了合成肥料的土壤中。」
Pivot Bio的研究人員利用非轉基因方法開發了基因編輯微生物，使固氮細菌能夠在高氮條件下繼續為作物提供氮源。「透過基因編輯，我們讓微生物對周圍的氮源保持"盲目"，使它們繼續固定氨，並將其直接傳遞到根系中，」論文共同作者、Pivot Bio創新總監兼聯合創辦人Karsten Temme博士表示。「我們還進行了其他基因編輯，以確保細菌能將固定的氮源傳遞給作物，而不是將其保留為自身使用。」
該論文提供了實驗室和田野實地測試區域中該過程發生的證據。這也是首篇經同行評審的論文，介紹了PROVEN® 40──Pivot Bio的第二代商業產品，這款產品專為玉米設計，內含基因編輯的固氮微生物。
「氮肥無疑是過去一世紀最重要的發明，並且將在可預見的未來對全球發展和糧食安全至關重要。然而，我們相信它還可以更有效地使用，」Temme博士表示。「Pivot Bio的重點是透過基因編輯微生物提高氮的效率，從而提升農業生產力，並減少合成肥料對環境的損失。」
在實地研究中，研究人員使用各種同位素實驗，再次證明了氮固定作用，這次是在現實條件下進行的，並量化了植物中的氮含量。他們還收集了來自農民的數百個樣本，這些農民將每英畝的氮肥使用量減少了35至40磅，並用Pivot Bio的PROVEN 40替代。研究發現，使用PROVEN 40處理的植物在生長季初期的氮含量較高，並且即使使用的合成氮肥較少，產量也未受到負面影響。
「追蹤氮從空氣到微生物再到植物的過程非常困難。我們依賴氮原子在空氣與土壤中的同位素標誌來進行追蹤，」Ané博士解釋道。研究人員透過這些測量，發現在實驗室中玉米葉片的葉綠素中檢測到同位素標記的氮，這表明微生物將這些氮源提供給植物。
「這項廣泛的研究非常有前景，因為它意味著農民可以開始減少氮肥使用，而不會影響生產力：對農民和環境來說都是雙贏，」Temme博士說道。「這非常令人振奮，因為這項技術具有高度可擴展性。自五年前商業化推出以來，我們的產品已經在美國的超過1300萬英畝土地上使用，這轉化為了實際的影響。」
Basso博士表示認同。「如果這項技術持續改進，並為作物提供更多氮源，同時減少環境污染和整體農業碳足跡，將對氮管理帶來革命性改變。越是能夠替代合成肥料，使用更高效、可持續的氮源以支持作物增產，對農民、社區和環境越有利。」
完整論文載於《Scientific Reports》期刊。《Scientific Reports》創刊於2011年，是由Nature Portfolio出版的開放存取期刊，涵蓋自然科學和臨床科學領域的原創研究，並以其嚴謹的同行評審過程著稱。
Pivot Bio簡介
Pivot Bio是首屈一指的可持續農業公司，致力於為農民提供專利作物營養技術，利用大自然的力量，在不穩定的環境中可靠且高效地生產全球所需的食物。該公司的創新產品目前已在北美上市，並即將進軍巴西。Pivot Bio是業界最具潛力的氣候解決方案之一。其氮肥技術具有防風雨、處理安全、不會滲漏或產生一氧化二氮排放等優勢。Pivot Bio曾三度獲得《時代》（Time）雜誌選為年度最佳發明之一，並榮登《Fast Company》世界改變創意及全球50大創新公司名單、《CNBC》私營企業創新50強、《Fortune》影響力20強社會公益初創企業名單，以及《MIT Tech Review》15大氣候科技公司之一。如需詳細資訊，請瀏覽PivotBio.com。