自從德國(guó)化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了從空氣中提取氮肥的方法后，人類就開(kāi)始利用化肥這種產(chǎn)品幫助作物生長(zhǎng)。化肥雖然能夠幫助農(nóng)作物生長(zhǎng)，隨著科學(xué)的進(jìn)步，其不良影響也越來(lái)越小，但是這種方法仍然存在一些缺點(diǎn)：化肥的生產(chǎn)每年消耗全球3%的天然氣；會(huì)排放大量溫室氣體；造成水資源污染?？梢哉f(shuō)這種依賴化石燃料生產(chǎn)化肥的方式并不符合可持續(xù)發(fā)展的要求。但目前要想解決全球90億人口的溫飽問(wèn)題，化肥又非用不可。
研究人員設(shè)計(jì)了不少解決這一問(wèn)題的方法，其中是在人類的飲食結(jié)構(gòu)中添加大量豆科植物。豆科植物有個(gè)特點(diǎn)，他們可以為自身制造化肥，這一過(guò)程不會(huì)對(duì)氣候造成破壞。
豆科植物可以為一種能給將氮素固定的細(xì)菌提供寄宿。這種細(xì)菌進(jìn)入植物的根毛并形成點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，就開(kāi)始將土壤中的氮元素合稱為氨。氨是植物進(jìn)行光合作用的重要養(yǎng)料，而大多數(shù)主要農(nóng)作物（大麥、水稻、玉米）都不能為氮素固定細(xì)菌提供寄宿，所以這些作物都需要人造化肥。
其實(shí)除了施肥，還有另一種方法：培養(yǎng)出不僅具有強(qiáng)大氮素固定能力，還能在任何植物根部生長(zhǎng)的細(xì)菌。這樣的話，只要將它們涂抹在種子上，就可以省去種植中的大量化肥。以往的科技水平不足直接研制這種細(xì)菌，但隨著生物科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)在人們又希望通過(guò)基因工程直接“設(shè)計(jì)”出這樣的細(xì)菌。
專家表示目前離成功還有很遠(yuǎn)的距離，首先要確認(rèn)那些基因?qū)潭ǖ赜杏绊憽＿@一步會(huì)就比較困難，因?yàn)槟壳盀橹梗芯咳藛T并沒(méi)有土壤中細(xì)菌的染色體圖譜作參考，不過(guò)一旦這種篩查完成了，研究人員就可以利用這些基因來(lái)設(shè)計(jì)并合成新的細(xì)菌進(jìn)行進(jìn)一步探索。
如果一切順利，最終研究人員將研發(fā)出一種能夠結(jié)合氮素固定能力與擁有種子表面吸附能力的細(xì)菌。這種細(xì)菌會(huì)有很多特點(diǎn)：能夠離水存活很久，并能在重新接觸水時(shí)再次充滿活力；能夠在培養(yǎng)皿中成長(zhǎng)；還能被批量生產(chǎn)。
不過(guò)雖然計(jì)劃是美好的，但是完成最后一步前需要面對(duì)很多的困難。氮素固定并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程，再將氮素轉(zhuǎn)化成氨的過(guò)程中，至少有20個(gè)基因與這個(gè)過(guò)程利用的蛋白質(zhì)直接相關(guān)，而其中的新陳代謝過(guò)程相關(guān)的蛋白質(zhì)還會(huì)牽扯到更多的基因。就算搞清楚這一過(guò)程，細(xì)菌如何與植物及周圍土壤相互作用也將使得下一步變得困難重重。最不好的結(jié)果是，豆科植物與寄生的氮素固定者細(xì)菌是經(jīng)過(guò)百萬(wàn)年進(jìn)化的結(jié)果，而這一關(guān)系有可能根本無(wú)法在其他農(nóng)作物上重現(xiàn)。
所以完全確定與氮素固定相關(guān)的基因，并在設(shè)計(jì)的細(xì)菌上重建這一過(guò)程并非易事。所幸的是，如果能設(shè)計(jì)出適合所設(shè)計(jì)的細(xì)菌成長(zhǎng)的環(huán)境，生物的進(jìn)化趨勢(shì)就會(huì)幫助研究人員實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。
