氮（N）是組成蛋白質(zhì)、核酸的元素之一，也是作物生長和產(chǎn)量最為重要的限制因子。
這是因為，盡管氮無所不在——78% 的空氣是氮氣（N2），陸生植物卻無法直接利用。不過，豆類植物可與某些細菌形成共生關(guān)系，將氮氣轉(zhuǎn)化為植物可用的形式——氨（NH3）。該過程稱為生物固氮（biological nitrogen fixation，BNF）。
BNF 是生物利用氮的主要途徑，但顯然滿足不了大規(guī)模集約化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)之需。自 1913 年，氨通過能源密集型的哈伯工藝首次以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)以來，人工合成氮肥在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的同時，卻也由于使用效率低和過量使用造成了大量的氨揮發(fā)、活性氮流失，成為溫室氣體的元兇之一（在 100 年的尺度上，N2O 的溫室作用是 CO2 的 300 倍）。
在糧食安全與全球變暖的兩難之間，人們把減少氮肥的希望投向有望同時解決兩者的 BNF。作為四大糧食作物之一的大豆，2018 年促進了 25Tg 氮的固定；有研究表示，結(jié)合一定的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)干預(yù)措施，將減少約 50% 的氮損失。
然而，天然 BNF 系統(tǒng)有其局限性，種種人工促進的策略目前又與實際應(yīng)用有相當(dāng)差距。而納米技術(shù)憑借材料的特異性，或可彌補其他方式的不足，從多種角度提升 BNF 能力。
近日，生輝 Agri Tech 聯(lián)系到中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院芮玉奎教授，向其了解了其中的原理、方法與應(yīng)用。
芮玉奎的研究方向主要為納米材料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用?；趯Χ?、小麥、大豆等作物的研究，他探索了納米材料在肥料、農(nóng)藥上的可能性，并對納米材料的環(huán)境和健康風(fēng)險進行評估，助力農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。其團隊近日發(fā)表于 Nature Nanotechnology 的文章“Nano-enabled strategies to enhance biological nitrogen fixation”總結(jié)了增強 BNF 的納米策略。
（來源：受訪者提供）
“見縫插針”彌補天然固氮短板
與豆科植物共生固氮的微生物——根瘤菌（Rhizobium），定植于植物根部細胞，形成根瘤。
根瘤菌可合成固氮酶，將大氣中的氮還原為氨。具體過程為：每固定1分子氮氣，消耗 16 分子能量（ATP），產(chǎn)生 2 分子氨和 1 分子氫氣。固氮酶的核心輔因子為鐵鉬輔因子（FeMo cofactor，簡稱 FeMoco）（在 FeMoco 極少的環(huán)境中，該酶也可被釩氮酶和純鐵氮酶取代）。其產(chǎn)物（氨）經(jīng)后續(xù)的其他生化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為有機含氮化合物（如谷氨酰胺或尿苷）參與生命活動。
▲圖 | 生物固氮反應(yīng)式（來源[1]）
不過，該過程有其先天局限性，包括固氮酶的環(huán)境敏感性 (會被氧氣和活性氧破壞)、高能耗、固氮酶所必需的礦物質(zhì)（如鉬）的限制，以及固氮菌物種的弱競爭力。
目前的人工促進措施也不盡人意：基因編輯受法規(guī)限制，且單一的性狀改變不足以真正改善固氮效率；有益微生物可通過激素調(diào)節(jié)和營養(yǎng)遞送發(fā)揮效應(yīng)，但受大豆品種變異、環(huán)境條件等限制；而植物生長調(diào)節(jié)劑在田間規(guī)模上的成本過高。
近十幾年，納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用迅速發(fā)展，納米材料的合成和表征取得了重大進展，人們對其與植物的相互作用有了更多的理解。功能性納米材料可以從多個層面增強大豆 BNF，如遞送基因、增強光合作用從而增加能量、刺激和調(diào)節(jié) BNF 過程、遞送營養(yǎng)、清除活性氧。
作為基因遞送平臺，納米材料與基因編輯手段的不同在于，前者進入細胞主要是一種機械過程，不太可能受到物種差異的影響，而后者則不然。值得注意的是，納米材料可靶向特定的細胞器（葉綠體和線粒體）進行基因遞送，而非將外源基因整合到基因組，因此這種大豆不屬于轉(zhuǎn)基因生物，在監(jiān)管和市場方面具有重要意義。
芮玉奎介紹，該方法所遞送的是負責(zé)植物固氮過程的關(guān)鍵基因，如 nifH、nifDK 和 nifA，它們分別編碼固氮酶的組分之鐵蛋白（產(chǎn)生氫氣的關(guān)鍵基因）、鉬鐵蛋白和調(diào)控因子（激活或抑制 nif 基因簇中的其他基因，從而實現(xiàn)關(guān)鍵酶的生產(chǎn)和調(diào)控）。
“現(xiàn)有的實踐相對較少，但已有一些讓納米技術(shù)在植物固氮領(lǐng)域得到應(yīng)用的研究，如利用改進的納米遞送技術(shù)將 nifH 基因遞送至大豆根瘤菌，成功增加了根瘤菌的 BNF 水平；以及將 nifHb 基因遞送到甜菜的根中，顯著提高了固氮作用和甜菜產(chǎn)量?！?/span>
除此，作為載體，納米材料還可遞送 ROS/O2 清除劑、光合作用增強劑、信號物質(zhì)（如鐵錳納米材料會誘導(dǎo)痕量 ROS 產(chǎn)生，ROS 被識別為信號分子，增強大豆結(jié)瘤和 BNF 效率）。
材料與細胞多方式互作，尚需進一步驗證安全性和長期效應(yīng)
納米材料發(fā)揮遞送作用的功能基礎(chǔ)在于其與植物細胞的相互作用。
這些作用發(fā)生在細胞表面或細胞內(nèi)膜。具體而言，納米材料與植物細胞可通過電荷相互作用、靜電納米顆粒吸附、受體介導(dǎo)等方式，實現(xiàn)其穿越或附著于細胞表面、細胞壁、細胞膜或胞漿內(nèi)的運動狀態(tài)。
“為確保納米材料能夠精確到達亞細胞靶點，一些研究工作提出了利用蛋白質(zhì)或其他生物分子對納米材料進行特異性修飾的方法。例如，可通過與鈣結(jié)合蛋白拓撲同源重復(fù)物配體相結(jié)合的方法，將納米材料轉(zhuǎn)運到亞細胞水平。此外，一些研究也討論了利用納米材料的物理化學(xué)特性，如表面性質(zhì)、大小、形狀等，來實現(xiàn)其對目標細胞或細胞器的精確識別和靶向?！?/span>
而設(shè)計納米材料，則要綜合考慮從微觀到宏觀的條件。
在材料的物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)基礎(chǔ)上，要兼顧生物相容性（避免對生物體的有害副作用）、生物特異性（減少對其他生物的影響）、靶向性（精確地抵達目標細胞或組織）、可控性（參照生物活性分子等的響應(yīng)機制，使其在特定環(huán)境響應(yīng)或控制下釋放活性物質(zhì)）。
“實際設(shè)計中，以上方面可以通過計算機模擬和實驗室測試相結(jié)合的方法來進行。例如通過分子模擬來預(yù)測設(shè)計納米材料的可行性和性能；利用生物組學(xué)、細胞學(xué)等多種技術(shù)手段進行實驗室測試，以對設(shè)計的納米材料進行驗證和評估?！?/span>
除了作為載體發(fā)揮間接作用，具有獨特電子、光學(xué)和催化特性的納米材料，如碳點（CDs）和共軛聚合物納米材料（CPNs），還可以作為電子轉(zhuǎn)移加速器或光轉(zhuǎn)換器，提高葉綠體中電子轉(zhuǎn)移或利用陽光的效率，從而通過上調(diào)能量調(diào)控固氮過程。
更為直接的作用，則從“納米酶”上可見一斑。
芮玉奎介紹，納米酶是一種利用高級材料設(shè)計和制造的酶分子模擬體，具有極高的催化效率和穩(wěn)定性。與天然酶不同，納米酶沒有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和碳水化合物基質(zhì)限制條件，因此具有更廣泛的催化底物和反應(yīng)選擇性、更優(yōu)異和可控的性能，在工業(yè)催化、生物傳感和藥物療法等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，并且能夠在更苛刻的反應(yīng)條件下實現(xiàn)高效率和選擇性。
農(nóng)業(yè)上，納米酶主要用于生物除草劑等化學(xué)農(nóng)藥替代品、植物生長調(diào)節(jié)劑、植物固氮和免疫增強劑等。
最近的一項生命周期研究表明，納米酶 Fe2O3 上調(diào)了與植物激素合成相關(guān)的基因表達，促進了根瘤的發(fā)展并延緩了衰老，使大豆產(chǎn)量提高了 13.7%。Fe2O3 保護根瘤的途徑是多方面的，它不僅是一種納米酶，還含有植物必需的營養(yǎng)素鐵，并且能通過捕獲 ROS 穩(wěn)定固氮酶活性。許多其他納米酶，如 Fe3O4、MoS2、Mn2O3 和 CoFe2O4，也可能具有這種雙重功能。
不止于此，“還有一些研究表明，通過將 ?CeO2NPs 等具有'類抗氧化酶’活性的納米材料應(yīng)用于植物，有效地清除了植物體內(nèi)的 ROS，促進了其生長和對逆境的適應(yīng)性。還可用于延長農(nóng)產(chǎn)品保鮮期。”
在種種納米材料中，目前增強 BNF 效果較好的方法是氮化硼納米片。
氮化硼納米片可以促進根瘤菌的生物量和固氮活性，同時也增加大豆根系的體積和分株數(shù)量。該材料的優(yōu)點在于其具有良好的生物相容性，所需用量較小，對環(huán)境影響也較小；可通過簡單的合成方法獲得，生產(chǎn)成本低。不過，仍需更多研究以明確其安全性和長期效應(yīng)。
除此之外，銀納米顆粒、氧化鐵納米粒子等皆可促進根瘤菌的生長和固氮活性，但大部分用量較大，且安全性、環(huán)境友好性等方面尚需進一步研究檢測。
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