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香港中文大學（中大）與法國國家永續發展研究所（French National Research Institute for Sustainable Development ）合作研究發現，作為豆科植物常見的固氮細菌夥伴，慢生根瘤菌（Bradyrhizobium）在與豆科植物建立共生關係之前，早已具備在土壤中獨立固氮的能力。這項發現推翻了學界長期以來的觀點，即這類常見於大豆、豌豆等豆科植物的細菌盟友，其固氮能力主要是在根瘤內演化而來。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。研究成果已發表於國際頂尖學術期刊《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS）。

目前，全球近半人口的糧食依賴化學氮肥生產。然而，化肥生產過程不僅消耗大量能源，亦會造成水污染和溫室氣體排放。雖然豆科植物能與根瘤菌共生，自行製造所需氮肥，但稻米、小麥和玉米等主要糧食作物並不具備這種能力，因此長期依賴外加氮肥。

發現細菌可「自製肥料」

中大生命科學學院副教授羅海偉教授率領研究團隊展開研究，團隊成員包括凌露博士，她曾是羅教授的博士生，這項研究為其博士論文的核心內容。他們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。研究人員從中鑑定出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，即自行製造天然氮肥。

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。研究結果顯示，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。

關鍵基因為細菌穿上「保護衣」

研究團隊同時發現，能夠在土壤中自由固氮的慢生根瘤菌普遍帶有一個名為 glbO的關鍵基因。該基因能製造一種蛋白質，保護負責固氮的酶免受氧氣損害，猶如替細菌穿上「保護衣」。相反，生活於豆科植物根瘤內的細菌因受植物保護，經長期演化後就失去這個基因。

為驗證此機制，研究團隊與法國國家永續發展研究所 Eric Giraud 博士團隊合作，深入研究一種名為 ORS285 的慢生根瘤菌菌株。這種菌株兼具在豆科植物根瘤內及自由生活狀態下固氮的能力。研究發現，當研究人員關閉其 glbO 基因後，細菌在土壤中的固氮能力大幅下降，但在豆科植物根瘤內則能維持正常；反之，當研究人員將該基因重新導入已失去相關基因的共生菌株後，其土壤固氮能力就明顯提升。

為開發天然生物肥料帶來新契機

羅教授表示：「我們的研究顯示，慢生根瘤菌在與豆科植物建立共生關係之前，早已懂得在土壤中自行固氮，其後才多次獨立演化出進入豆科植物根瘤進行共生固氮的能力。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。」

研究第一作者凌博士表示：「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，而且具高度多樣性。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。

瀏覽完整論文：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2604918123