香港文匯報訊（記者 史柳藝）化學氮肥養活全球近半人口，但生產耗能巨大，且造成水污染與溫室氣體排放。大豆、豌豆等豆科植物雖能與根瘤菌共生自行固氮，但水稻、小麥和玉米等主要糧食作物不具此能力，長期依賴外加氮肥。香港中文大學與法國國家永續發展研究所合作研究發現，作為豆科植物常見固氮夥伴的慢生根瘤菌（Bradyrhizobium），早在與豆科植物建立共生關係之前，就已具備在土壤中獨立固氮的能力，推翻學界長期認為其固氮能力主要是在根瘤內演化而來的觀點。這項發現有望為研發水稻、小麥和玉米等主要糧食作物的天然生物肥料帶來新方向，減少化肥造成的環境污染。研究成果已發表於《美國國家科學院院刊》（PNAS）。
中大生命科學學院副教授羅海偉率領研究團隊展開研究，團隊成員包括凌露，她曾是羅海偉的博士生，這項研究為其博士論文的核心內容。團隊在香港和內地多個稻田、森林和濕地採集非豆科植物的根系和土壤樣本，從中鑑定出88株不同的慢生根瘤菌。這些細菌不但能在土壤中自由生活，更可定殖於非豆科植物根部表面，並在沒有根瘤保護的情況下進行固氮作用。
團隊進一步利用先進的基因組分析技術，重建慢生根瘤菌固氮基因的演化歷史。結果顯示，這些細菌的祖先早已具備在土壤中固氮的能力，而與豆科植物形成共生關係則是在其後多次獨立演化而成。
研究團隊同時發現，能自由固氮的慢生根瘤菌普遍帶有glbO基因，它能產生蛋白質保護固氮酶免受氧氣破壞，如同為細菌穿上「保護衣」；而生活在根瘤內、受植物保護的共生菌株，則於演化中失去此基因。為驗證此機制，團隊與法國團隊合作研究兼具兩種固氮能力的ORS285菌株，結果顯示：關閉其glbO基因會大幅削弱土壤中的固氮能力，但根瘤內固氮不受影響；反之，將該基因重新導入已失去它的共生菌株，則能顯著提升其土壤固氮能力。
羅海偉表示：「過去大部分研究集中在豆科植物根瘤內部的固氮機制，然而我們證明了細菌自由生活於土壤中的狀態，才是固氮能力演化的真正起點。若能深入了解它們如何在土壤中保護固氮系統，未來便有機會改造或篩選出適用於水稻、小麥等非豆科作物的固氮菌株，協助作物減少對化學肥料的依賴。」
研究第一作者凌露表示：「化學肥料不但成本高昂，亦會對環境造成負擔。事實上，大自然早已演化出能免費為植物提供氮肥的細菌，我們需要做的，就是學會如何善用這些天然資源。」
研究進一步證明，具備獨立固氮能力的慢生根瘤菌在自然界中數量龐大，且具高度多樣性。未來，科學家有望透過基因工程或篩選技術，將這些自帶「保護衣」的細菌應用於水稻與小麥等重要糧食作物的農田，為提升糧食安全及減少環境污染提供可持續發展的方案。
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