进入4月份后，全国各大豆产区陆续迎来播种期。近日，农业农村部种植业管理司、全国农业技术推广服务中心等部门发布的2024年大豆春季科学施肥指导建议指出，应尽可能采用拌种、包衣、喷施等方式促进生物固氮，减少氮肥用量。

    植物生长离不开氮元素，尽管空气中氮气占据了78%，但生物圈中活性氮的总量相当有限，包括动植物在内的真核生物主要依赖原核微生物获取氮源，这就导致氮素一度成为农业生产的瓶颈。

    直到20世纪中期绿色革命，工业固氮制造的氮肥在农业生产中广泛应用，大大提高了农作物的产量。然而，氮肥大规模制造和施用，加剧了能源和环境问题。在当今保障国家粮食安全和推动农业绿色发展背景下，亟需新的替代措施。这次春季科学施肥指导建议中提到的生物固氮，就是工业固氮之外的最佳选择。

    所谓生物固氮，就是固氮微生物利用其独特的固氮酶系统，将从光合作用产物或其他碳水化合物得到的电子和能量传递给氮气，从而将氮气转化为植物可以利用的形式。与工业固氮相比，生物固氮能够在常温常压下进行，是一种生态友好型固氮方法。生物固氮对于解决土壤氮素缺乏问题、节约化肥开支，以及减少使用化肥带来的生态问题具有重要意义。

    不过，生物固氮仅限于少数“固氮类群”植物。自然界最高效的生物固氮体系存在于豆科植物中，固氮量是工业固氮的三倍。其中，共生固氮是生物固氮中最重要的固氮形式，固氮量占整个生物固氮一半以上。如何将生物固氮能力转移到其他农作物中，一直是科研人员孜孜不倦探索的一个世界级难题。

    在过去20多年里，科研人员在生物固氮机制研究中取得了巨大进步。以共生生物固氮为例，他们详细解析了豆科植物与根瘤菌之间的共生信号通路，揭示了信号分子传递的机制和关键调控因子，还深入探讨了根瘤菌侵染和定殖对宿主植物细胞内部的影响，以及这些变化对固氮效率的影响。此外，在根瘤和共生体发育方面也取得了重要进展，包括对根皮层细胞分裂调控模块研究、结瘤自调控途径的阐明，以及从单细胞层面对调控共生固氮的转录网络进行了精细分析。最近，相关研究报道了首个固氮真核生物，为设计能在作物中自主进行固氮的新途径提供了思路。

    目前，生物固氮研究处于研究成果应用于生物育种的新阶段，未来会有几个优先发展方向：首先是研究基因组调控元件，设计和构建高效固氮基因回路，提高固氮效率并探索非豆科固氮途径。其次是利用现有微生物固氮底盘，开展人工合成生物固氮研究和应用。此外，还应充分利用高效根际联合固氮体系，打造适用于现代化农业发展的新型固氮产品。

    随着基因编辑技术、高通量检测平台、合成生物学和人工智能等颠覆性前沿技术不断突破，生物固氮必将成为农业绿色发展的关键环节，为保障国家粮食安全和促进生态农业建设贡献力量。

    （作者杨维才系中国科学院院士，杨莉系杨维才院士生物固氮研究团队科研主管）