時下正值大豆收獲季節，很多人都見過生長在田間的大豆，卻幾乎不會把它拔出來看看根部。其實，仔細觀察就能發現，大豆根系上會長“瘤子”。這是根瘤菌進入大豆的根系內并形成根瘤，與大豆共生固氮，供給大豆氮素營養需求，促進其生長和蛋白含量提高。

近日，國家重點基礎研究發展計劃“作物—固氮根瘤菌特異與廣譜共生的分子機理與設計”年度檢查暨大豆根瘤菌田間應用示范咨詢論證會在鄭州召開。與會專家表示，精準選育優良根瘤菌、在氮素相對貧瘠的土壤中使用好根瘤菌菌劑，才能最大限度地發揮出共生固氮效果，實現根瘤菌對大豆氮素需求的“精準扶貧”。

根瘤：生產天然氮肥

過去幾十年，農業越發達，過量施用化學氮肥的問題也越嚴重。生物固氮和化學氮肥同樣是轉化大氣中的氮氣（N2）成氨，卻沒有化學氮肥合成與應用過程中的那些副作用。共生固氮占整個生物固氮量的65%以上，利用好共生固氮，可以降低對化學氮肥的依賴，減少給環境帶來的負面影響。

項目主持人、中國科學院上海植物生理生態研究所研究員王二濤表示，“共生固氮是傳統套種和輪作的科學依據所在。”

“共生固氮可為大豆提供50%~80%所需氮素，促進大豆增產5%以上、蛋白提高0.5%；為后茬作物提供30~100公斤 氮/公頃/年，起到肥田作用。”中國農業大學根瘤菌研究中心副教授陳文峰用數據進行了解說，根瘤菌與大豆共生固氮，大豆根瘤就是天然的氮肥生產場所。

怎么讓根瘤菌更好地發揮共生固氮作用？這也是科研人員要回答的問題。在基礎研究上，王二濤表示，其關鍵步驟在于解析根瘤菌廣譜高效共生固氮的分子機制、豆科寄主廣譜高效共生固氮的分子識別與信號體系兩個問題。

他們發現，菌根共生是植物與菌根真菌建立的互惠互利的“同盟軍”，雖然菌根共生本身并不固氮，但可以促進根對氮、磷的吸收，進而促進根瘤菌的結瘤固氮。二者信號途徑有共同之處，可以共存于豆科植物中，而且菌根真菌也會被根瘤菌“招募”過來。

更為重要的是，王二濤項目組于2017年通過穩定同位素標定試驗，在國際上首次揭示了在叢枝菌根真菌與植物的共生過程中，脂肪酸是植物傳遞給菌根真菌的主要碳源形式，而非傳統理論認為的糖。這開拓了共生研究的新領域。

建立非豆科植物—根瘤菌共生固氮體系，是項目組一直以來努力的方向。目前，他們已為探討非豆科作物如水稻結瘤固氮的可行性做了很多探索工作，有望使作物通過共生養分吸收提高自身的生產力。

在農業生產中，讓共生固氮更好地發揮作用，陳文峰表示，“可以采取豆科作物接種高效根瘤菌劑、非豆科作物與接種根瘤菌劑的豆科植物間套輪作的技術途徑”。

“在化學氮肥相對貧瘠的土壤里使用根瘤菌，效果最好。土壤過肥、氮肥含量高，根瘤菌就不工作了。”他說，這是因為所有固氮生物均有一個特性，即環境中如果有化學氮肥存在，將不再自身固氮。對根瘤菌來說，也不再結瘤，即使結瘤但固氮效率也差。

越精準 越高效

為豆科植物接種根瘤菌并不復雜，陳文峰介紹，“要接種的根瘤菌菌劑既可以拌種處理，使其吸附到大豆、花生等種皮表面，也可以把液體根瘤菌菌劑直接噴施到土壤內。成本也不是很高，農民把產品拿到手，每畝只需10元”。

但是，他強調必須精準使用。“正確認識根瘤菌的生物學特性，從廣泛的資源中篩選與豆科作物相匹配的菌株，采用正確的根瘤菌接種技術、規范的種植措施和施肥方式，才能更好地發揮豆科作物與根瘤菌的共生固氮作用。”陳文峰說。

近年來，中國農業大學根瘤菌研究中心對根瘤菌的應用基礎和實踐研究有了很大進展，目前建立世界上最大的根瘤菌種質資源庫，保藏根瘤菌2萬余株，其中大豆根瘤菌約2000株，花生根瘤菌約1000株。

這并不是說，隨便拿出一個菌株來就可以使用了。大豆根瘤菌的田間應用，要針對不同生態區、不同大豆品種，選擇高效結瘤固氮的根瘤菌。

科研人員明確了大豆根瘤菌的屬、種地理分布規律。如我國東北、熱帶及亞熱帶酸性土壤內的大豆根瘤菌是慢生根瘤菌屬的菌種，而新疆和華北地區的堿性土壤內則是以中華根瘤菌屬為優勢的快生根瘤菌，須針對相應的生態區找到合適的根瘤菌。

“基因組分析表明，中華根瘤菌屬的根瘤菌包含多個與耐鹽堿相關的基因簇，這是影響與大豆共生的中華根瘤菌屬菌種分布規律的內存原因。”中國農業大學根瘤菌研究中心教授田長富說。

與品種相匹配方面，如在山東臨沂，與大豆品種“徐豆18”“黑河43”“南圣270”相匹配的優勢根瘤菌種群是埃氏慢生根瘤菌（Bradyrhizobium elkanii），但因品種不同，埃氏慢生根瘤菌在各自根瘤中所占比例也不同，分別為81.08%、60%、70.27%，說明該菌株與品種間存在著一定的共生匹配性。

為解決土壤中微量元素不足而影響共生固氮效率的問題，中國農業大學根瘤菌研究中心研制出了雙聯袋菌劑及中試生產線：袋子一側加入促進固氮的如鉬、硼、鐵等微量元素，以及有助于根瘤菌黏合到種子和根系上的黏合劑；另一側則加入經過優選的適合某一地區的高活力根瘤菌。

在國家“雙減”項目的支持下，目前針對東北和黃淮海地區的不同土壤特征和大豆品種，生產出相應的雙聯袋菌劑，在示范推廣中顯著促進了大豆的結瘤固氮作用，大豆增產5%以上。

利用豐富的根瘤菌種質資源、成熟的根瘤菌篩選理論和技術，在北京、河北、山東、內蒙古、河南等地進行多年田間試驗與示范推廣，陳文峰總結說，“接種根瘤菌的大豆產量與完全施肥處理（底肥和追肥）的大豆產量相當，說明接菌可代替施肥；但當底肥不足時，施用一定量的底肥，再接種根瘤菌和應用微量元素，用好雙聯袋菌劑，大豆產量可達到最高水平”。