自從進(jìn)入農耕時(shí)代，農民就通過(guò)播撒肥料來(lái)灌輸更多的氮到農田里。雖然在大氣中也有大量的氮資源，但卻不是植物能夠直接使用的形式。大氣中的氮必須被固定住，或轉化成可供植物使用的氮化合物。

　　來(lái)自美國圣路易斯華盛頓大學(xué)的一項研究成果或將給農業(yè)帶來(lái)一場(chǎng)徹底的變革。研究人員的想法是，把作為固氮作用的化學(xué)儀器小型化、自動(dòng)化，并在植物內重新定位，將該固氮裝置安置到植物細胞中，植物無(wú)論何時(shí)何地需要氮肥，都可以在陽(yáng)光下為自身提供。

　　如今，許多現代農業(yè)均依賴(lài)于通過(guò)工業(yè)生產(chǎn)的方法提供的含氮化合物，但這卻需要消耗大量能源，并且活性氮作為從農田中排出的廢棄物，排放到大氣和水中后，還會(huì )導致人類(lèi)患呼吸系統疾病、癌癥和心臟病。

　　研究人員Pakrasi認為，將固氮系統植入到農作物中是很有可能的。他和同事計劃通過(guò)合成生物學(xué)工具切除一種藻青菌的固氮系統，并將其轉移到另一種不能固氮的藻青菌中。

　　“由于固氮需要能量，所以我們將系統放進(jìn)葉綠體中，因為葉綠體能夠產(chǎn)生儲能的ATP分子。”Pakrasi介紹說(shuō)，但他們遇到的最大障礙卻是固氮作用與光合作用是不相容的。光合作用產(chǎn)生的副產(chǎn)品氧氣對于固氮酶是一種有毒物質(zhì)。這也是為什么大多數固氮生物體都是在厭氧環(huán)境下工作的原因。

　　為此，科研人員經(jīng)過(guò)對藻青菌長(cháng)達十年的研究，最終發(fā)現其中的藍桿菌51142有一個(gè)生物鐘，它能夠在白天進(jìn)行光合作用，晚上進(jìn)行固氮作用。進(jìn)行光合作用和固氮作用的藍藻細菌使這兩個(gè)活動(dòng)在空間或時(shí)間上分離開(kāi)來(lái)。

　　白天，這些細胞盡可能快地進(jìn)行光合作用，以顆粒形式儲存碳分子。晚上，它們再盡可能快地燃燒這些碳分子。這樣耗盡所有在細胞中的氧，形成了進(jìn)行固氮作用所需的厭氧條件。

　　Pakrasi介紹說(shuō)，藍桿菌51142作為一個(gè)項目部分來(lái)源是特別有吸引力的，因為它擁有最大的、連續的關(guān)于藻青菌固氮作用的基因簇。在單一操作信號的控制下，大約30個(gè)基因是具有相同的功能單元。

　　科學(xué)家們希望這些基因簇在一個(gè)大型轉移壓力下可以被移動(dòng)到另一個(gè)藍藻中。他們已經(jīng)挑選出藍藻細菌中的最好的菌株集胞藻屬。它們的基因組已經(jīng)被測序，并且能夠整合外來(lái)DNA到其基因組中。

　　不過(guò)，之后的工作仍然會(huì )面臨更大挑戰，科學(xué)家們還需要弄明白如何連接移植的固氮基因簇到集胞藻屬生物鐘去。

　　“像所有藻青菌一樣，集胞藻屬也有晝夜節律。但如何利用這種節律，我們現在還不知道。我們有一些將要去測試的想法，但這就是挑戰的所在。”Pakrasi說(shuō)，科學(xué)家們還將非常仔細地選擇他們的概念驗證項目，使研究工作盡可能的最大化。

　　“我們的目標是將固氮裝置植入所有的作物，而不僅是將豆類(lèi)植物變成固氮植物。”Pakrasi說(shuō)，不過(guò)，要想應對全球可持續性糧食生產(chǎn)的挑戰，同時(shí)減少污染和溫室氣體排放，需要的不僅僅是運氣。