研究人员促成了固氮根瘤菌到包括稻子在内的非豆科植物的根际安家结瘸。

固氮根瘤菌是一种极其特别的细菌。除个别例外，它们只能在豆科植物例如大豆，苜蓿和刺槐的根部结瘤固氮。这种细菌，摄取在空气中无用的氮气，并将其转化成氨和植物的其他营养成分。实际上，细菌是为其所住的豆科植物营建了氮肥厂。

因此，研究人员很想诱促对条件要求苛刻的根瘤菌也能感染非草科植物并为其固氮 · 目前的形势是，自过去一二年以来，英国、中国以及澳大利亚的一些研究小组，都在通往实现这种“长期寻求目标”的征途中前进了一步。他们业已成功诱使细菌在一些重要作物的根部结瘤。这些作物，包括稻子，小麦和油菜在内。

在芝加哥大学工作的固氮专家罗伯特 · 哈兹尔科恩（Robert Haselkorn）说：“非豆科植物结瘤的证实非常令人鼓舞”。但同时他也看到，仍存在着不宜乐观的现象。因为尚无一个小组能够证实这些瘤内的细菌可以固氮。哈兹尔科恩强调指出：“真正的技术，在于显示这类根瘤确能为植物提供营养。”如果确能提供营养的话，那么就可以不用或少用昂贵的人造氮肥，而照样获得作物的高产；由此一举双得，既降低了农业投入，又可减少因所施肥料的流散所造成的污染。

这就是研究人员自70年代开始探索固氮的分子基础以来，始终把赋给主要农作物的自身的固氮能力作为“神圣职责”的真实原因。开始时努力做了遗传方面的一些工作，在卽年代初期和中期，许多研究人员在实验室内，尝试了直接把根瘤菌和其他固氮菌中负责固氮的一套约20个基因转入植物内。但事实说明，如果说把所需的一组基因转化进新种内是相对容易的话，那么创造植物体内适于这些基因发挥作用的生理条件，就是更难办的了。

摆在研究人员面前的难题之一是需要固氮酶，这是固氮过程中的一种关键酶，它需要和氧隔绝，因为氧会使其失活。正常情况下，根瘤提供一种保护固氮酶的厌氧环境，但植物细胞却无此本领；此外，固氮过程中需要消耗大量能量，而多数非豆科植物却不能提供。只因为固氮面临着这种种困难，如果说并非不可克服的话，至少也是极其难办。所以迫使研究人员放弃了转化基因到非豆科植物中的努力，并转而开辟了实现目标的其他路线。

在英国诺丁汉大学爱德华 · 科金（E. Cocking）所领导的小组，在目前诱促根瘤菌到非豆科植物中结瘤的研究方面，处于领先地位。科金与他的许多同行的不同之处在于、他把研究对策建立在这样一个前提之下，即：如果细菌能够感染植物根并形成根瘤的话，那么，助长关系根瘤菌的共生协作能力，应在非豆科植物中获得遗传。但是，他认为那是不会出现的事情，因为根端的某些表面性质，阻碍细菌的进入。

科金说，他开始认为有可能实现非豆科植物的结瘤，是在看了植物学文献上的一个题目以后。该题目显示了澳大利亚的一种亚热带灌木parasponia，带有固氮根瘤。这种发现，约在20年前，当时，只有科学研究的价值。科学家们如果不是认识到了它，掌握了显然深奥一点的有关知识，就推翻不了普遍流行的关于唯有豆科植物才能结瘤的观点；这些知识也说服了科金同事当中的许多人，认为寻找发展非豆科植物固氮并非无望。

影响科金对策的另外因素，是过去12 ~ 15年里所累积的有关证据，表明了触发根瘤菌的感染，需要细菌和根尖之间的相互作用。这些结果使科金认识到，非豆科植物的结瘤障碍，是集中在根尖表面。

目前，科金及其同事，利用了他们的新方法，已使稻子和油菜获得了结瘤能力。他们首先用一种能分解根细胞周围纤维素壁的酶处理籽苗植物的根，然后把根暴露进存有聚乙二醇的根瘤菌中。聚乙二醇是一种可使根细胞膜溶解成小洞，从而加速细菌吸收的化合物，结果，所结的瘤子和豆科植物的根瘤很类似。科金方法的一种缺点，在于籽苗需要特别处理，因为植物并没有发生遗传改变；在种植以前，每年都将必须处理籽苗。虽然这不是实质性的致命障碍，但要把实验室成果转化到实践中去，无疑将是向生物学家和农业工程人员提出了挑战；虽然该项工作证实根瘤菌能使非豆科植物结瘤。科金说。

与此同时，其他研究人员，也已创造出了获得非豆科植物结瘤的另外方法，而并不必要对根进行特别处理。例如北京植物研究所的Yuxiany Jing所领导的一个小组，已研究出了一个细菌菌株，可使水稻结瘤；这种田菁根瘤菌（Rhizobium Sesbania），一般是感染一种叫做大麻田菁的亚洲灌木，产生一种致变化学物质，Jing说，稻子根部的瘤子和在田菁根部发现的瘤子很相似，并且含有少量固氮酶。在马迪逊威斯康星大学里的一位经验丰富的固氮专家罗伯特 · 伯里斯（Robert Burris），对这一结果极感兴趣，他已接受了Jing的邀请，将去北京参观实验室。

在堪培拉澳大利亚国家实验室里的巴里 · 罗尔夫（Barry Rolfe）也得到证据，突变的根瘤菌在水稻上形成小的根瘤；去年9月在意大利的佛罗伦萨举行的国际非豆科植物固氮研讨会上，悉尼大学的Y. T. Chan报告了他所领导的小组，获得了小麦根部如根瘤的结构。

尽管非豆科植物的结瘤实验已取得了大有希望的进展，但尚无人能够证实，这些植物中的实际固氮能力。固氮专家们清楚，即使出现了健康的根瘤，仍存有令这些系统失败的诸多机会；在新瘤中空气间隙的存在，可有毒害于对氧敏感的固氮酶；或者是已结瘤的植物，并不具备供有效固氮所需要的能量。

就目前讲，研究者们用于测定非豆科植物固氮酶活力的唯一办法，是乙炔还原测定法，这只不过是一种间接的测试方法。最灵敏的分析固氮的办法，是利用稀少但稳定的同位素氮15，先把它放入实验物质里面，然后寻探蛋白质中的伯里斯说：“这是令人信服的检验办法。”他还说，在最近兴起的关于根瘤菌在非豆科植物中结瘤的浓厚兴趣驱使下，将在今后6个月内开始这种重要实验。

就科金来说是同意这种实验的，他所领导的小组，现正在计划设法提高产瘤的效率。按豆科植物的标准衡量，油菜和稻子植物的结瘤数量仍是相当稀少的。但如果一切进行顺利的话，研究者们将在今后一或两年内，通过利用¹⁵N方法，对固氮作出更确切的评估。那时，对于设计自身施肥非豆科植物的总方案，他们将会对自己是否接近了设计的难以确定的目标，产生更好的认识。

[Science，1990年11月16日]