根瘤菌（蓝色）在植物的根中。棕色结构是植物蛋白（彩色电子显微镜图像）。
植物要生长就需要铵态氮。对于很多栽培植物，农民不得不将其作为肥料撒在田间。生产铵盐是一种能源密集且昂贵的过程-今天的生产方法还释放出大量的CO2。
但是，少数农作物补充了自己的铵盐供应。豆，豌豆，三叶草和其他豆类的根部带有细菌（根瘤菌），可以将空气中的氮转化为铵。迄今为止，科学家们一直认为这种共生关系相对简单明了，从而使植物和根瘤菌都受益。作为回报，植物向他们提供了碳质羧酸分子。
令人惊讶的复杂交互
在实验系统生物学教授Beat Beaten和分子系统生物学研究所科学家Matthias Christen的领导下，ETH研究人员现在已经成功地证明了植物与细菌之间的相互作用实际上是令人惊讶的复杂。除碳外，植物还为细菌提供了富含氮的氨基酸精氨酸。
Beat Christen说：“尽管根瘤菌中的固氮技术已经研究了很多年，但我们的知识仍然存在差距。”“我们的新发现将有可能减少农民对铵肥的依赖，从而使农业更具可持续性。”
研究人员使用系统生物学方法研究并阐明了与三叶草和大豆同居的根瘤菌的代谢途径。他们与ETH教授Uwe Sauer联手，在实验室对植物和细菌的生长实验中验证了结果。科学家怀疑，他们的新发现不仅适用于三叶草和大豆，而且其他豆类的代谢途径也受到类似的调控。
皇室之战，不是自愿共生
这一发现为植物和根瘤菌的共存提供了新的思路。“这种共生常常被误认为是自愿的奉献。实际上，这两个伙伴尽了最大的努力去相互利用。”
正如科学家能够证明的那样，大豆和三叶草并没有为它们的根瘤菌确切地铺开红地毯，而是将它们视为病原体。这些植物试图切断细菌的氧气供应，并将其暴露在酸性条件下。同时，细菌在这种不利的环境中不断劳作生存。他们使用植物中存在的精氨酸，因为它使他们能够转换为不需要太多氧气的新陈代谢。
为了中和酸性环境，微生物将酸化质子转移到从空气中吸收的氮分子上。这会产生铵，他们将铵从细菌细胞中传导出去并传递到植物中，从而消除了铵。Beat Christen说：“因此，对植物至关重要的铵盐只是细菌生存斗争中的一种废物。”
将分子氮转化为铵不仅对工业而且对根瘤菌都是耗能的过程。新近鉴定的机制解释了细菌为何在过程中耗费如此多的能量：它确保了它们的生存。
生物技术：为可持续农业铺平道路
农业和生物技术将能够利用这一新见解将细菌固氮过程转移到非豆类作物上，例如小麦，玉米或水稻。科学家们进行了许多尝试来实现这种转移，但是由于缺少代谢难题的重要组成部分，因此总是取得了有限的成功。Beat Christen说：“现在，我们已经将机制映射到了最后一个细节，这很可能会增加我们取得满意结果的机会。”
一种可能的方法是使用生物技术方法将代谢途径所需的所有基因直接插入农作物。另一个作用是将这些基因转移到与小麦或玉米根部相互作用的细菌中。这些细菌目前尚不能将空气中的氮转化为铵，但生物技术可以实现这一目标-现在，ETH研究人员将继续采用这种方法。
参考：Carlos Eduardo Flores-Tinoco，Flavia Tschan，Tobias Fuhrer，CélineMargot，Uwe Sauer，Matthias Christen和Beat Christen的“精氨酸和琥珀酸的共分解代谢将促进共生固氮”，分子系统生物学，2020年6月。
10.15252 / msb.20199419
