自從進入農(nóng)耕時代，農(nóng)民就通過播撒肥料來灌輸更多的氮到農(nóng)田里。雖然在大氣中也有大量的氮資源，但卻不是植物能夠直接使用的形式。大氣中的氮必須被固定住，或轉(zhuǎn)化成可供植物使用的氮化合物。

　　來自美國圣路易斯華盛頓大學(xué)的一項研究成果或?qū)⒔o農(nóng)業(yè)帶來一場徹底的變革。研究人員的想法是，把作為固氮作用的化學(xué)儀器小型化、自動化，并在植物內(nèi)重新定位，將該固氮裝置安置到植物細胞中，植物無論何時何地需要氮肥，都可以在陽光下為自身提供。

　　如今，許多現(xiàn)代農(nóng)業(yè)均依賴于通過工業(yè)生產(chǎn)的方法提供的含氮化合物，但這卻需要消耗大量能源，并且活性氮作為從農(nóng)田中排出的廢棄物，排放到大氣和水中后，還會導(dǎo)致人類患呼吸系統(tǒng)疾病、癌癥和心臟病。

　　研究人員Pakrasi認為，將固氮系統(tǒng)植入到農(nóng)作物中是很有可能的。他和同事計劃通過合成生物學(xué)工具切除一種藻青菌的固氮系統(tǒng)，并將其轉(zhuǎn)移到另一種不能固氮的藻青菌中。

　　“由于固氮需要能量，所以我們將系統(tǒng)放進葉綠體中，因為葉綠體能夠產(chǎn)生儲能的ATP分子。”Pakrasi介紹說，但他們遇到的最大障礙卻是固氮作用與光合作用是不相容的。光合作用產(chǎn)生的副產(chǎn)品氧氣對于固氮酶是一種有毒物質(zhì)。這也是為什么大多數(shù)固氮生物體都是在厭氧環(huán)境下工作的原因。

　　為此，科研人員經(jīng)過對藻青菌長達十年的研究，最終發(fā)現(xiàn)其中的藍桿菌51142有一個生物鐘，它能夠在白天進行光合作用，晚上進行固氮作用。進行光合作用和固氮作用的藍藻細菌使這兩個活動在空間或時間上分離開來。

　　白天，這些細胞盡可能快地進行光合作用，以顆粒形式儲存碳分子。晚上，它們再盡可能快地燃燒這些碳分子。這樣耗盡所有在細胞中的氧，形成了進行固氮作用所需的厭氧條件。

　　Pakrasi介紹說，藍桿菌51142作為一個項目部分來源是特別有吸引力的，因為它擁有最大的、連續(xù)的關(guān)于藻青菌固氮作用的基因簇。在單一操作信號的控制下，大約30個基因是具有相同的功能單元。

　　科學(xué)家們希望這些基因簇在一個大型轉(zhuǎn)移壓力下可以被移動到另一個藍藻中。他們已經(jīng)挑選出藍藻細菌中的最好的菌株集胞藻屬。它們的基因組已經(jīng)被測序，并且能夠整合外來DNA到其基因組中。

　　不過，之后的工作仍然會面臨更大挑戰(zhàn)，科學(xué)家們還需要弄明白如何連接移植的固氮基因簇到集胞藻屬生物鐘去。

　　“像所有藻青菌一樣，集胞藻屬也有晝夜節(jié)律。但如何利用這種節(jié)律，我們現(xiàn)在還不知道。我們有一些將要去測試的想法，但這就是挑戰(zhàn)的所在。”Pakrasi說，科學(xué)家們還將非常仔細地選擇他們的概念驗證項目，使研究工作盡可能的最大化。

　　“我們的目標是將固氮裝置植入所有的作物，而不僅是將豆類植物變成固氮植物。”Pakrasi說，不過，要想應(yīng)對全球可持續(xù)性糧食生產(chǎn)的挑戰(zhàn)，同時減少污染和溫室氣體排放，需要的不僅僅是運氣。