工业氮肥的生产消耗了大量不可再生的化石燃料，排放的废水、废气污染土壤、水体和空气。在农业生产上，过量的施用氮肥，导致土壤板结、酸化、重金属离子释放，水体富营养化，增加空气中氮氧化物的含量。因此，工业氮肥的大量生产和过量施用，造成了严重的环境污染，对农业的持续发展和国家的粮食安全构成重要威胁。如何才能从根本上解决工业氮肥生产和施用造成的一系列问题？

在氮素缺乏的条件下，根瘤菌侵染宿主豆科植物，形成固氮根瘤或者茎瘤，将空气中的氮气同化为氨，供植物吸收、利用，即共生固氮作用。它是自然界效率最高的一种生物固氮形式。但是共生固氮体系的建立受到根瘤菌宿主专一性的限制。如何突破根瘤菌的宿主专一性，是共生固氮研究领域的一个重大科学问题。

依据共生互作的免疫抑制假说⁽¹⁾、生物固氮作用的基本原理和细胞器形成的内共生学说，我们提出了：以根瘤菌的必需基因组为基础（包含固氮必需基因簇），加装人工优化的免疫调节或者内共生元件，构建可以侵染非豆科植物的超级根瘤菌或者在植物细胞中稳定存在的固氮细胞器。

应用Tn-seq技术确定根瘤菌共生必需的基因、启动子和非编码区域组成。通过建立结瘤因子、细菌三型分泌系统（T3SS）、胞外多糖、脂多糖和环葡聚糖等免疫调节因子合成相关基因元件库，人工组装优化的细菌免疫调节基因簇，装载至人工合成的必需基因组上，获得超级根瘤菌。再向非豆科植物的根部皮层细胞引入特异表达的豆血红蛋白基因，在超级根瘤菌侵染之后，形成固氮酶可以工作的微氧环境，建立超级根瘤菌-非豆科植物共生固氮体系。

从进化上讲，线粒体起源于变形杆菌，叶绿体起源于蓝细菌，固氮共生体由固氮细菌（如根瘤菌）分化形成，三者均来自细菌，作为植物细胞器，在物质和能量代谢方面发挥关健作用。不同的是，三者的分布范围、在植物细胞中的稳定性以及与核基因组的关系差别极大。从这个角度看，固氮共生体是一种尚未进化完全的植物细胞器。那么，我们能否通过人工进化，获得一种可以广泛存在于植物特定组织的固氮细胞器（Nitrofixasome）呢？

为此，我们尝试着建立根瘤菌-植物细胞互作模型，在单细胞水平研究根瘤菌与植物互作的分子系统生物学规律。应用诱导植物细胞胞吞技术，将超级根瘤菌导入受体植物细胞，通过荧光显微观察根瘤菌在植物细胞中的动态变化，同时检测超级根瘤菌和受体植物细胞的基因表达以及生理生化状态变化。通过连续修饰受体植物细胞的基因组，改变互作相关基因的表达，直到超级根瘤菌可以在其中生存和固氮，即成为固氮细胞器为止。将遗传修饰的受体植物细胞，培育成完整植株，通过杂交等方法，获得可以共生固氮的非豆科作物。

参考文献：

(1) Luo L, Lu D. Immunosuppression during Rhizobium-legume symbiosis. Plant Signaling & Behavior 2014; 9:e28197; PMID: 24556951; http://dx.doi.org/10.4161/psb.28197