近日，甘肃农业大学紫花苜蓿固氮研究传来一个振奋人心的好消息，由全国黄大年式教师团队负责人、草业生态系统教育部重点实验室主任师尚礼教授领衔的科研团队经过长达十几年的不懈努力，突破了苜蓿与根瘤菌两类物种共生育种技术，成功构建了“共体种子”模式的高效固氮系统，培育出了高效固氮紫花苜蓿新品系。这项技术也是蛋白型饲草产业绿色发展的关键核心技术。
这项技术的突破，解决了豆科饲草高效固氮组合优良性状代际稳定传播的技术难题，并将其变为“苜蓿品种”产品，为我国豆科饲用作物固氮技术的发展注入了强大的动力。
粮食安全是国之大计。我国农业经过几十年的持续性发展，人的口粮已基本保障。但随着人们生活水平的快速提高，食物结构发生重大改变，畜产品消费量激增，家畜养殖数量越来越多，饲草饲料需求缺口大，粮食安全的短板已由过去的口粮安全转变到饲料粮安全上来，尤其饲料蛋白缺口较大。围绕大食物观、种业振兴等战略部署，锚定“饲料强国”核心目标，助力节粮降耗，应对饲料蛋白资源约束挑战，以技术变革赋能，以替代蛋白研发筑牢供给安全防线成为必然。被称为“牧草之王”的紫花苜蓿以其饲草产量高、蛋白含量高、优质饲用纤维含量高的“三高”特质，首当其冲成为市场的主角，培育高产优质品种和提高蛋白质产量也成为攻克的主题。
过去很长一段时间，提高豆科作物固氮效率，长期处于为宿主选择匹配型根瘤菌，在田间环境下通过接种后的竞争结瘤，提高目的菌结瘤率，构建临时性竞争结瘤高效固氮系统来提高固氮效率。但随着化肥减施和化学氮替代时代的到来，传统根瘤菌剂接种固氮模式建立临时性高效固氮系统的模式与现代高质量可持续农业的要求显得不相适应。我们需要深度挖掘豆科植物共生固氮这一天然“供氮池”资源潜力，建立长效性高效固氮系统，为现代农业高质量发展服务。
为了让豆科植物固氮效率更高，全世界的科学家都在探寻较传统固氮模式更优秀的固氮技术。师尚礼教授在2006年发现了苜蓿种子内生根瘤菌资源，经过内生根瘤菌资源固氮特性的鉴定研究，一种苜蓿种子人工内生目标根瘤菌创制共生组合“共体种子”的想法油然而生。这一想法一旦实现，它在固氮方面的效能非常出色，用“共体种子”固定苜蓿与根瘤菌优良组合培育高效固氮品种，固氮效能和促进生长能力较传统接种菌剂的固氮效率提高好几个量级。然而，这种通过“共体种子”固定优良固氮组合的固氮系统构建技术，研究基础纯属一片空白。这个难题就像一道技术壁垒，阻碍了优良固氮组合固氮效应性状的“遗传”和广泛应用，成为一个生物固氮应用“瓶颈”问题。师尚礼教授团队从2008年开始向这个世界级难题发起了挑战，将苜蓿固氮研究方向锁定在了苜蓿优良品种内生投缘型目的根瘤菌和创制“共体种子”上。
面对这块“硬骨头”，团队另辟蹊径，巧妙地转换思路，创新性地提出了一种方案：通过外部接种目的根瘤菌，利用根瘤菌侵染根系和侵入根系的通道，实现根瘤菌随植株发育，在植株体内迁移到达种子器官定植，产生“共体种子”。这个想法非常新颖，其精妙之处在于根瘤菌侵染根系和侵入根系的特性是自然属性，非常容易，这样的根瘤菌可以顺畅地进入根系，技术障碍几乎没有，技术攻关难题就转移到根瘤菌突破第一茎节屏障，从根系进入植株体内并定植到种子这一过程。这样一来，既利用了苜蓿与根瘤菌共生的自然性能，又利用植株发育过程中的体液流动搭载根瘤菌，解决了植株体内“运移”和器官“定植”难的问题。这个“遇山凿洞，遇河搭桥”的思路，为解决内生途径构建“共体种子”固氮系统难题开辟了一条全新的思路。
当然，将一个想法变成现实可行的技术和实现产品，中间的过程充满了艰辛。团队面临的第一个挑战，就是如何让目的根瘤菌突破苜蓿第一茎节屏障，进入苜蓿植株体内，并在植株体内共生、增殖、运移。为了攻克这个难关，团队成员们年复一年、夜以继日地待在实验室里，从文献中寻找能够促进根瘤菌增殖和传播的促进物质，如稀有元素、胞外多糖、生长素类等物质，反复进行试验和调整参数。深夜的实验室灯火通明成为常态，经过无数次的失败和尝试，团队在2014年终于迎来了第一个关键性的突破，成功筛选出了植株体内根瘤菌运移促进物质6-苄氨基嘌呤、硼等，并研制出了植株内生根瘤菌运移、定植、增殖促进剂，以及“抑制土著菌的根瘤菌剂”等配套辅助技术。2016年成功研发获得了“共体种子”，距离梦想越来越近了，2017—2018年研发了“共体种子”的特殊保藏技术。回忆起当时的情景，仍然十分激动，10年的坚持和汗水，终于换来了技术的突破。
之后，进行了一系列“共体种子”固氮系统内生根瘤菌垂直传代和优先结瘤以及固氮性状的测定、选择优化，以及性状特异性、稳定性鉴定， 2020、2022和2024年分别获得了自然种植繁育的第二代、第三代和第四代“共体种子”，且“共体种子”次代植株饲草产量分别较对照提高31%～34%、45%～66%、31%～35%，固氮促生增产率稳定在30%以上。期间同步进行了投缘性共生机制、相合性共生机理和“共体种子”构建机制优化研究。至今，通过构建“共体种子”的苜蓿优良固氮组合固定技术已经成熟，创制出了数十个固氮性能各异的投缘型“共体种子”苜蓿新种质。
一项先进的科研成果，如果仅仅停留在实验室里，写在学术论文里，那么它的价值是有限的。师尚礼教授说，科学的生命力是满足产业和社会需求，实现服务国家的核心使命。科研成果的科学性、先进性在落地的产业实践中进行检验和实现价值，其落脚点是解决农业发展中的实际问题，让实验室成果转化为应用场景用得上的技术。
因此，为了让这项先进的固氮技术真正服务于社会，团队积极推动落地，致力于将实验室成果变成大田可以应用的品种。这个过程同样不容易，一般研究人员更关注固氮效率、固氮量、生物量增量等技术性能指标，而生产者则更关心技术成本、性状稳定性、增产性能和经济效益等实际应用问题。
在创制获得的数十个性状各异的“共体种子”新种质中，经过近十年四个代际的共生稳定性测验和第五代固氮促生性能比较试验，培育出了2个“共体种子”固氮系统的紫花苜蓿新品系，饲草产量性能较对照提高了49.4%～52.5%。“这是什么概念？它相当于将土地当量比从1提高到了1.5，即苜蓿干草产量在902公斤/亩的基础上，新技术赋能多产出干草446～474公斤/亩。若按粗蛋白含量20%计算，苜蓿蛋白产量由180公斤/亩提高到270～275公斤/亩，多产出苜蓿蛋白89～95公斤/亩，这样的产出性能足以显著提升紫花苜蓿蛋白对豆粕蛋白的替代率。”师尚礼教授说。
师尚礼教授团队基于干旱生态系统逆境胁迫驱动苜蓿内共生根瘤菌，以及基因转移协同进化形成高度适应的生物学特征，提出了干旱逆境苜蓿与根瘤菌投缘型调控的相合性共生增强理论，研发出了两类生物共生育种技术——豆科植物种子内生目的根瘤菌“共体种子”构建与固氮性状选育技术，其核心内容：①选择优秀资源（优良苜蓿品种和高效固氮根瘤菌株）；②选择投缘型组合（促生效应显著的苜蓿品种与根瘤菌株共生组合）；③构建相合性共生体（基于投缘型组合构建稳定传代的共体种子）；④共体种子贮藏条件筛选；⑤共体种子传代能力和固氮促生能力稳定性检验。实现了两类生物优良固氮组合长效性固氮系统构建和促生效应的突破性提升，也创建了苜蓿与根瘤菌共生育种新学科。（甘肃农业大学草业学院供稿）
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责任编辑：王琦
