实现生物技术梦想：固氮谷物

随着世界各地人口的增长和变化而导致粮食需求的增长，提高作物产量一直是农业和粮食系统研究人员的重要目标，他们致力于确保未来几年有足够的粮食满足全球需求。麻省理工学院的一个研究小组就是为应对这一挑战而奋斗的，它是生物工程学系的Voigt实验室，由MIT的Daniel IC Wang高级生物技术教授Christopher Voigt领导。

在过去的四年中，阿卜杜勒·拉蒂夫·贾米尔（Abdul Latif Jameel）水和食物系统实验室（J-WAFS）为Voigt提供了两项J-WAFS种子资助。在此支持下，Voigt和他的团队正在研究一项重大而长期的挑战：转化谷物作物，以便他们能够固氮。

化学肥料：如何帮助和伤害

氮是使植物生长的关键营养素。象豆类这样的植物能够通过与细菌的共生关系提供自己的细菌，这些细菌能够将空气中的氮固定并进入土壤，然后氮从植物的根部吸收。其他类型的作物（包括主要的粮食作物，例如玉米，小麦和大米）通常依靠添加的肥料来氮肥，包括肥料，堆肥和化肥。没有这些，生长的植物就会变小，谷物产量也会减少。

如今，有超过35亿人依靠化学肥料作为食物。如今，百分之八十的化学氮肥都是使用Haber-Borsch工艺生产的，该工艺涉及将腈气转化为氨气。在上个世纪，氮肥虽然促进了农业生产，但是却付出了巨大的代价。首先，Haber-Borsch工艺本身非常消耗能源和化石燃料，因此在迅速变化的气候中使其难以为继。其次，使用过多的化肥会导致氮污染。化肥径流污染了河流和海洋，导致藻类大量繁殖，使海洋生物窒息。清理这种污染并为公共健康和环境破坏付出代价，美国每年要花费1570亿美元。第三，关于化肥，公平和获取存在问题。这些肥料是由主要工业化国家在北半球生产的，那里的主要成分Postash丰富。但是，运输成本很高，尤其是到南半球国家。因此，对于贫困地区的农民而言，这种障碍导致农作物减产。

这些环境和社会挑战带来了很大的问题，但是农民仍然需要使用氮来维持必要的农业生产力，以满足世界粮食需求，特别是在人口和气候变化给世界粮食供应带来压力的情况下。因此，肥料一直并将继续是关键工具。

但是，可能还有另一种方法吗？

叶绿体和线粒体的细菌相容性

这是促使Voigt实验室的研究人员着手开发固氮谷物的问题。他们开发的策略是针对与豆类共生的固氮细菌中的特定基因，称为nif基因。这些基因引起固定空气中氮的蛋白质结构（氮酶簇）的表达。如果这些基因能够成功转移并在谷物作物中表达，则不再需要使用化肥来添加所需的氮，因为这些作物本身就能获得氮。

然而，长期以来，这项基因工程工作被视为一项重大技术挑战。该NIF途径是非常大的，涉及许多不同的基因。转移任何大型基因簇本身都是一项艰巨的任务，但是在这一特定途径中增加了复杂性。微生物中的nif基因由相互关联的遗传部分组成的精确系统控制。为了成功转移该途径的固氮能力，研究人员不仅必须转移基因本身，而且还必须复制负责控制该途径的细胞成分。

这导致了另一个挑战。负责豆科植物固氮的微生物是细菌（原核生物），正如Voigt实验室的一名博士后Eszter Majer解释说的那样，该研究工作了近两年，“植物中的基因表达完全不同。 ，这是真核生物。” 例如，原核生物将其基因组织成操纵子，这是真核生物中不存在的遗传组织系统，例如Voigt在其实验中使用的烟叶。在真核生物中重新设计nif途径无异于对系统进行彻底的检修。

Voigt实验室发现了一种解决方法：它们不是针对整个植物细胞，而是针对细胞内的细胞器-特别是叶绿体和线粒体。线粒体和叶绿体都具有古老的细菌起源，曾经作为原核生物独立生活在真核细胞之外。数百万年前，它们作为细胞器被整合到真核系统中。它们的独特之处在于它们拥有自己的遗传数据，并且与现代原核生物保持着许多相似之处。结果，它们是固氮酶转移的极佳候选者。Majer解释说：“从原核生物转移到类似原核生物的系统要比重新设计整个路径并尝试转移到真核生物要容易得多。”

这些细胞器除了具有基因结构外，还具有其他特性，使其成为适合固氮酶簇起作用的环境。氮酶需要大量能量才能发挥功能，而叶绿体和线粒体已经为细胞产生了大量能量（以ATP的形式）。固氮酶也对氧气非常敏感，如果环境中的氧气过多，它将无法起作用。但是，植物在夜间和线粒体中的叶绿体中的氧含量较低，这使其成为理想的固氮酶蛋白位置。

国际专家团队

尽管研究小组发现了一种转化真核细胞的方法，但他们的项目仍然涉及高度技术性的生物工程挑战。得益于J-WAFS的资助，Voigt实验室已经能够与海外大学的两名专家合作以获得关键的专业知识。

其中之一是路易斯·卢比奥（Luis Rubio），西班牙马德里工业大学专注于固氮生物化学的副教授。卢比奥（Rubio）是固氮酶和氮气激发化学领域的专家。线粒体DNA的转化是一个具有挑战性的过程，因此该团队使用酵母设计了一种固氮酶基因递送系统。酵母是易于工程改造的真核生物，可用于靶向线粒体。研究小组将固氮酶基因插入了酵母核中，然后使用肽融合技术将其靶向线粒体。这项研究导致了第一个真核生物证明了固氮酶结构蛋白的形成。

Voigt实验室还与德国马克斯·普朗克分子植物生理研究所的叶绿体专家拉尔夫·博克（Ralph Bock）合作。他和Voigt小组朝着固氮谷物作物的目标迈出了很大的步伐。他们最近取得的成就的详细信息将促进未来的田间作物工程和进一步的固氮工作。

继续追求梦想

Voigt实验室在J-WAFS的支持下以及由此产生的宝贵的国际合作中，取得了突破性的成果，使我们通过固氮谷物更接近肥料的独立性。他们在将固氮酶靶向线粒体方面取得了进展，并能够在酵母线粒体中表达完整的NifDK四聚体（固氮酶簇中的关键蛋白）。尽管有这些里程碑，但仍有更多工作要做。

克里斯·沃格特（Chris Voigt）说：“沃伊特实验室投资了这项研究，以进一步实现创建固氮谷物作物的梦想。” 这些研究人员在这些里程碑的支持下取得了长足的进步，并将继续推动实现这一变革性愿景，这一愿景可能会改变全球谷物生产。