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World File Search System固氮作用
___________________________________________________________________________________________________ ++ 助理教授; # 博士研究生院
豆科作物对全球粮食安全和可持续农业至关重要，它们提供必需的植物蛋白质和氨基酸，同时通过共生固氮作用提高土壤肥力。尽管豆科作物具有营养和生态意义，但它们的生产仍面临诸多挑战，包括产量低、易受生物和非生物胁迫以及气候变化对水和土地资源的影响。解决这些问题需要创新的解决方案，将传统育种与尖端生物技术方法相结合。豆科作物改良的最新进展是通过现代育种和基因组编辑技术实现的，例如 CRISPR/Cas9、TALEN 和 ZFN，这些技术可以进行精确修改，以提高农艺性状的适用性和遗传潜力。尤其是 CRISPR/Cas9，它已成为豆科育种的有力工具，可促进靶向突变、基因敲除和基因表达调控。该综述讨论了其在包括大豆、豇豆、鹰嘴豆和花生在内的各种豆科植物中的应用，以改善性状，例如，CRISPR/Cas9 已被用于增加花生中的油酸含量并改善大豆的光周期开花。农杆菌介导方法和基因枪技术等转化方案的进步以及组织培养和表型分析技术的改进正在帮助克服这些挑战。尽管取得了重大进展，但豆科植物转化和再生方面的挑战仍然存在，但组织培养方案和高通量表型分析的最新改进提高了这些基因组编辑技术的效率。它还探讨了将基因组编辑技术与传统育种计划相结合以加速遗传增益和开发生物强化、气候适应性强的豆科植物品种的潜力。通过利用豆科植物中广泛的遗传多样性并采用先进的基因组学工具，研究人员可以创造不仅产量高而且营养丰富且环境可持续的作物。将基因组编辑技术与传统育种相结合，为开发高产、营养丰富、气候适应性强的豆科植物品种铺平了道路。关键词：豆科植物；生物技术；基因组编辑；CRISPR/Cas9；农杆菌介导
增强生物固氮的纳米策略
氮是限制植物生长的最重要必需元素。尽管空气中 78% 是氮，但陆生植物物种尚未进化出直接获取和利用氮来生长的途径。然而，豆科植物，如大豆 (Glycine max)、豌豆 (Pisum sativum) 和豆类 (Phaseolus、Vigna 和 Cajanus 物种) 与某些细菌形成共生关系，这些细菌可以将环境中普遍存在的氮固定为氨，从而使它们能够利用它。这个过程称为生物固氮 (BNF)。在通过能源密集型的哈伯-博施法生产合成氮肥之前，BNF 是补充农业用地生物可利用氮的主要来源 1 。然而，尽管合成氮肥的输送效率和作物利用效率较低，但如今仍被广泛用于补充土壤肥力。这最终会显著增加温室气体 (GHG) 排放、氨挥发和活性氮从陆地流失到水中。氮肥施用量的持续增加将通过过度释放强效温室气体（包括 N 2 O，其效力在 100 年内是 CO 2 的 300 倍）和大量消耗化石燃料 2 ，进一步危及气候稳定。N 2 O 也是 21 世纪臭氧消耗的主要原因。因此，减少氮肥施用是缓解粮食不安全和全球变暖的关键策略。提高大豆的 BNF 含量为减少氮肥使用和提高作物产量提供了无与伦比的机会。大豆是四大主要粮食作物之一，2018 年固定了 25 Tg 氮，占豆科作物产量的 70% 3 。大豆的生物固氮作用也可用于间作策略（即在邻近种植两种或两种以上的作物），以提高土壤肥力并提高产量 4 。此外，大豆是人类饮食中经济且优质的植物蛋白来源。此外，它还含有必需的营养素，例如不饱和脂肪酸、磷脂、B 族维生素和矿物质，这些营养素对改善人类饮食质量具有巨大潜力 5 。植物性蛋白质饮食有望将全球活性氮使用量减少一半 6 。然而，天然的BNF系统受到几个缺点的困扰，包括固氮酶的环境敏感性（O 2 和应激诱导的活性氧 ROS 对固氮酶的损害）、BNF 过程的高能耗、缺乏必需的矿物质