摘要：植物生长最需要的 “氮肥”，其实藏在我们每天呼吸的空气里 —— 大气中 78% 是氮气（N₂）。但遗憾的是，绝大多数植物没法直接 “吃” 氮气，必须靠一种叫 “固氮菌” 的微生物帮忙：它们能通过 “生物固氮（BNF）”，把氮气转化成植物能吸收的氨，就像给植物
植物生长最需要的 “氮肥”，其实藏在我们每天呼吸的空气里 —— 大气中 78% 是氮气（N₂）。但遗憾的是，绝大多数植物没法直接 “吃” 氮气，必须靠一种叫 “固氮菌” 的微生物帮忙：它们能通过 “生物固氮（BNF）”，把氮气转化成植物能吸收的氨，就像给植物 “私人定制化肥”。过去，人们一直认为：陆地上，豆科植物（比如大豆、豌豆）和根瘤菌是 “最佳固氮搭档”—— 根瘤菌在植物根部形成 “小房子”（根瘤），一边住得舒服，一边帮植物固氮；海洋里，固氮的 “主力” 是蓝细菌（比如束毛藻），而其他非蓝细菌固氮菌（NCDs）虽然分布广，却因为难培养、研究少，一直是 “谜一样的存在”。
最近，法国南特大学、蒙彼利埃植物健康研究所、日本琉球大学等机构联合在Nature Microbiology（自然子刊，微生物领域顶刊）发表论文“从海洋硅藻中分离的慢生根瘤菌可诱导陆地豆科植物形成固氮根瘤”，直接打破了 “海洋” 和 “陆地” 的生态界限 —— 海里的细菌，居然能帮陆地上的植物固氮！
海洋细菌也能与豆科植物共生固氮
随着近年研究发现，海洋里的非蓝细菌固氮菌（NCDs）其实比想象中多，但它们的作用和进化 origin 一直没搞清楚：
这些海洋 NCDs 和陆地固氮菌有关系吗？是 “远亲” 还是 “近亲”？海洋里的细菌，能像陆地根瘤菌一样，和陆地豆科植物合作固氮吗？如果能，这种 “跨环境共生” 是偶然，还是隐藏着地球氮循环的重要秘密？团队先从 2016 年采集自东海的一种海洋硅藻（三角褐指藻，Phaeodactylum tricornutum）中，分离出了一种慢生根瘤菌，给它起了个好记的名字 ——Bradyrhizobium sp. phaeo 1521（简称 “phaeo 1521”）。这种硅藻特别厉害：在没有氮肥的海水里也能活，科学家怀疑是它身边的固氮菌在 “帮忙”。
用 PacBio 高精度测序技术，团队 “读” 完了 phaeo 1521 的全基因组（约 8.42Mb，完整性 99.69%），还做了两项关键分析：
系统发育分析：发现它居然和陆地上的 “光合慢生根瘤菌” 是 “近亲”，属于同一进化分支；ANI 分析：通过对比基因相似度，确认它是一个全新的物种（和已知菌株的基因相似度低于 95%，这是细菌新物种的 “金标准”）。团队发现，phaeo 1521 自带 “双 buff”：
有完整的固氮基因（nifHDK），能高效固氮；有全套光合基因（比如 bacteriochlorophyll 基因），能进行 “不产氧光合作用”—— 既不用抢氧气，还能自己 “造能量”，完美适应海洋低氧环境。最关键的一步来了：团队把 phaeo 1521 接种到陆地豆科植物田菁（Aeschynomene indica） 的根部，观察结果：
14 天后，田菁根部居然长出了粉红色的根瘤！颜色来自 “豆血红蛋白”—— 这是保护固氮酶不被氧气破坏的 “关键武器”，和陆地根瘤菌形成的根瘤一模一样；接种了 phaeo 1521 的田菁，叶子更绿、长得更壮，固氮活性和陆地根瘤菌接种组几乎没差别；而没接种或接种其他非光合菌株的田菁，要么没根瘤，要么长得蔫蔫的。这次研究得出了 3 个让人眼前一亮的结论，每一个都刷新了我们对固氮菌的理解：
海洋里藏着 “陆地菌近亲”：phaeo 1521 虽然来自海洋，却和陆地光合慢生根瘤菌基因更像，说明慢生根瘤菌可能在海洋和陆地之间 “迁徙” 过 —— 比如通过河流、土壤侵蚀，从陆地 “搬家” 到海洋，或反过来。“跨生态共生” 真的存在：海洋细菌能在陆地植物上形成固氮根瘤，而且效率不低，打破了 “海洋菌只住海洋，陆地菌只住陆地” 的刻板印象。新物种自带 “全能技能”：phaeo 1521 既能固氮，又能光合作用，还是新物种 —— 这种 “全能菌” 为研究固氮和光合的协同进化，提供了绝佳的 “活样本”。目前农业上的氮肥大多是化学合成的，又耗能又污染环境。如果能利用 phaeo 1521 这类 “海陆通” 细菌，让豆科作物（比如大豆、紫云英）自己固氮，就能减少化学化肥的使用 —— 既降低成本，又保护土壤和水源。
过去我们总把海洋氮循环和陆地氮循环分开看，这次发现说明两者可能通过固氮菌 “连通”。比如，河流可能把陆地固氮菌带到海洋，帮助海洋生物获取氮；而海洋中的固氮菌也可能通过某种方式回到陆地，参与陆地氮循环。理解这种联系，能让我们更准确地预测气候变化对全球氮循环的影响。
phaeo 1521 既能光合又能固氮，还能和硅藻、豆科植物共生 —— 未来可能用于生态修复：比如在贫瘠的土壤或污染水域中，用它帮助植物生长，同时净化环境。
除了 phaeo 1521，还有没有其他海洋 NCDs 也能 “跨界固氮”？这是偶然还是普遍现象？phaeo 1521 是怎么 “认识” 硅藻和豆科植物的？背后的分子机制是什么？它的祖先到底是来自海洋还是陆地？“迁徙” 的具体路径是什么？如何优化 phaeo 1521 的培养条件，让它更好地服务农业和生态？从东海的硅藻到陆地的豆科植物，从海洋到陆地，phaeo 1521 这个 “小细菌”，连接起了两个看似遥远的生态系统。它不仅告诉我们，地球的生命网络比想象中更紧密，也为解决农业化肥依赖、理解全球氮循环，提供了新的思路。
未来，随着更多 “隐形固氮菌” 被发现，我们或许能找到更多 “自然化肥” 的秘密，让农业更环保，让地球的氮循环更平衡 —— 这就是科学探索的魅力：看似微小的发现，可能藏着改变世界的力量。
来源：农科最前线一点号
