固氮基因

1固氮的遺傳工程

遺傳工程是用人工的方法去改變生物的遺傳特性或按著人們的意願去創造新的物種。近十多年來，固氮遺傳工程的興起為研究生物固氮開闢了美好的前景。遺傳工程發源於分子生物學和微生物學、而自然界有生物固氮能力的生物只限於極少數低等的原核微生物(細菌和藍藻)，微生物學中的基因重組和細胞融合等遺傳操作新技術為改造生物提供了強有力的手段。對於固氮微生物來說，固氮基因(nif)操縱和調節固氮酶(Nitrogenase)的合成，從而使固氮微生物具有固氮作用。如果將固氮基因進行人工轉移，就可能獲得具有固氮作用的新物種。在這一領域人們已進行了大量的研究，進展顯著。固氮基因已經能夠在原核生物界細菌之間轉移，例如，已能將肺炎克氏桿菌的固氮基因轉移到大腸桿菌中去。因此，有的學者預言，玉米結瘤固氮可望在21世紀初成功，水稻的固氮也有成功的可能。美國科學家估計，今後20年內，生物工程可能使糧食作物產生自身固氮能力，從而可節約生產氮肥投資的90%以上。

目前，對固氮根瘤菌及其宿主植物的基因組、功能基因組和蛋白質組研究工作正在蓬勃開展，在一個新的層面上認識生物固氮及其與之相關的微生物與高等植物相互作用機理，必將取得新的突破。重組苜蓿根瘤已構建成功，並作為第一個可提高固氮效率的基因工程根瘤菌肥而投放到國際市場；與糧食作物聯合固氮的固氮螺菌的固氮調控機制研究也已逐步明朗，為構建銨阻遏條件下也能固氮的基因工程菌株打下了理論基礎。最近，對以苜蓿根瘤菌為代表的模式菌株的基因組工作已經完成，對其功能基因組學研究也剛剛興起，這必將在一個新的層次上揭示根瘤菌與宿主植物相互作用機理。我國科學家在深入研究在調節基因(nifA)的表達及其產物(nifA)活性調節機制的基礎上，構建了攜帶有能組成型表達(不受銨阻遏)nifA質粒，將其引入陰溝腸桿菌和大豆根瘤菌后，其固氮作用不再受銨抑制，用此基因工程菌接種水稻和大豆可獲得增產。近年來，開展了我國特有的華葵中生根瘤菌(紫雲英根瘤菌)的結瘤固氮基因表達調節的研究，最近，發現了微生物體內碳代謝與固氮及氮代謝的基因表達調節之間，存在著偶聯關係。這一發現不僅對生物固氮調控有重要意義，也是對基因表達調控的基礎研究中的一項重要貢獻。它為進一步研究光合和固氮之間的聯繫，提供了理論基礎。另外，培育具有氫酶的固氮微生物的研究也在進行，因為如果固氮微生物體內具有氫酶，可以吸收氫產生的能量。這樣，就能提高其固氮效率而增加產量。可見，生物固氮遺傳工程的研究，不僅有科學意義，而且有重要的實用價值。

2生物固氮的展望

從目前的研究現狀來看，試圖通過基因工程將固氮基因(nif)從豆科植物轉移到非豆科農作物中難度比較大，在短期內很難實現，而採用細胞工程方法將根瘤菌導入非宿主農作物細胞內則切實可行。除此之外，由於Frankia菌具有對宿主的侵染範圍寬、固氮活性比較強和對氨氣不敏感等特性，在生物固氮研究中對Frankia茵的研究將更為重要，有可能由此會找到新的突破口。在Frankia菌與農作物之間建立起新的共生固氮體系將具有更大的可能性。另外，高效生物固氮作用機理研究要求生物學、農學、化學和物理學在固氮酶的結構功能和化學模擬、固氮基因表達中銨遏氧敏感、共生結瘤固氮中植物與微生物相互關係的基因表達和調控、結瘤因子的結構和人工合成、固氮根瘤及其宿主植物的基因組學、功能基因組學和蛋白質組學等在分子和原子水平上，從不同方面相互交叉、有機結合，引進新概念、新技術進行綜合研究。

21世紀將是生命科學和生物技術的世紀，相信，生物固氮的研究將會給人類帶來巨大的影響，使人們生活更加美好。