新型自施肥小麦有潜力重塑全球小麦种植模式

美国加州大学戴维斯分校科研团队近日宣布，他们利用基因编辑技术培育出一种能够“部分自我施肥”的小麦品系，有望在降低化肥用量的同时提升产量，被认为有潜力重塑全球小麦种植模式。

该项目由加州大学戴维斯分校植物科学系教授Eduardo Blumwald领衔，研究人员通过CRISPR基因编辑工具，增强了小麦体内一种本就存在的天然化合物的合成能力。小麦根系会将过量的这种化合物释放到周围土壤中，从而促进土壤中固氮菌生长，并帮助其将空气中的氮转化成作物可以直接吸收的形态，减少对合成氮肥的依赖。

研究团队筛选了约2800种由植物自然产生的化合物，最终从中锁定了20种既有利于植物自身，又能帮助细菌形成生物膜的候选分子。生物膜是一种黏性保护层，可营造低氧环境，保护固氮关键酶氮酶正常工作；在此基础上，科研人员进一步确定了相关代谢途径及调控这些化合物合成的基因靶点。

在具体实验中，团队通过CRISPR技术改造小麦，使其产生更多一种名为芹菜素（apigenin）的黄酮类化合物。改良后的小麦会将多余的芹菜素通过根系分泌到土壤中，显著促进细菌生成具有保护作用的生物膜，从而提高土壤中氮素固定效率，并以更易吸收的形态输送给植物使用。

在极低氮肥投入条件下，改造小麦表现出比对照植株更高的产量，显示出在贫瘠土壤或低投入农业体系中的应用潜力。研究成果已发表于《植物生物技术杂志》（Plant Biotechnology Journal），相关专利申请也已由加州大学递交，目前处于审查阶段。

从全球视角看，小麦是仅次于玉米的第二大谷物作物，约占全球氮肥用量的18%，而现有化肥中仅有约30%至50%的氮最终被作物吸收，剩余部分往往流入江河湖海，造成水体富营养化与“死亡区”，或在土壤中转化为强效温室气体，一直是农业可持续发展的痛点。通过让作物“拉动”土壤固氮菌来完成部分氮肥供应，有望减少化肥施用量，降低农业对环境的整体负担。

Blumwald指出，在许多非洲国家，由于农户经济条件有限、农田面积通常只有六至八英亩，化肥使用水平长期偏低，新技术如果能够推广，将显著改善当地作物稳产性和粮食供应安全。这一小麦成果也延续了该团队此前在水稻上取得的类似进展，相关思路正被探索应用到更多粮食作物中。

根据美国农业部数据，2023年美国农民在化肥上的支出接近360亿美元，而全美谷物种植面积约为5亿英亩。Blumwald保守估算，如果借助这类自我“助肥”作物将氮肥用量减少10%，在美国单一市场每年就可能节省逾10亿美元成本，同时附带减排与环境治理收益。

目前，相关研究获得拜耳作物科学以及加州大学戴维斯分校Will Lester基金的资助，后续团队还计划进一步评估该小麦在田间大面积种植时的表现及环境影响。科研界也普遍关注，这一基于促进土壤微生物固氮的思路能否成为主粮作物减肥增效的新路径，并在全球范围内助力粮食安全与绿色农业转型。

编译自/ScitechDaily