樹葉固氮不是夢細菌固氮新說挑戰傳統理論

　　 在熱帶雨林之外生長最快的樹木是白楊。這種樹高而細長，在不到10年的時間里就可以長到30米高，即便是生長在它們似乎并不適宜的環境里，如焚燒的土地以及多沙的河岸。

　　Sharon Doty說，這樣的生長速度得益于其葉片和其他組織中的微生物。當白楊的葉子細胞忙著把日光轉化為能量時，葉子細胞中的細菌會把空氣中的氮轉化成一種維持樹木快速生長所需要的氮。

　　這是個有些激進的觀點，因為固氮作用普遍認為主要發生在豆科植物與其他少數植物根部含有大量細菌的根瘤上。“我們完全是在挑戰教條主義。”美國華盛頓大學微生物學家Doty說。

　　在5月初的第五屆約塞米蒂國家公園（位于加州中部）共生研討會上，Doty對她的觀點進行了佐證。她報道了白楊從某種微生物中獲取氮的首個直接例證，她的觀點得到了加州大學環境微生物學家Carolin Frank的支持，Frank研究的是不同種類的樹木在貧瘠土地上如何生存，她在報告中表示，固氮作用還可能出現在柔枝松的針葉中，這種松樹主要生長在美國西部多石、海拔較高的坡地上。

　　Frank和Doty推測，具有固氮作用的葉子細菌可能十分廣泛，如果把它們轉移到農作物上，可能有助于提高貧瘠土壤的作物產量。Doty發現，一些莊稼在接種過這種微生物后生長得更好。她在約塞米蒂年會上舉了一個例子：大米。盡管其他植物學家不太相信這種觀點，但是同樣對此表現出強烈興趣。“如果大量（樹木）物種中都有一種尚未識別的氮固定生物，那會是個大發現。”加州大學戴維斯分校植物和微生物學家Douglas Cook說。

　　從上世紀90年代起，固氮作用僅在富含微生物的植物根瘤上存在的觀點受到了挑戰，彼時研究人員在沒有根瘤的甘蔗中發現了固氮作用。自那時起，研究人員不時有成果指出，植物組織內生長著一種叫作內生真菌的細菌，可以為宿主提供生長所需的氮。但是Cook認為：“尚未作過恰當的研究，因此這樣的觀點并非舉足輕重。”

　　他和一些研究人員主張，這一過程中非常關鍵的固氮酶刺激反應過于敏感，不能讓氧氣在葉子內工作。而且即便有微生物在轉化空氣中的氮，“也并不能意味著，它們在為宿主提供益處”。斯坦福大學研究氮儲存的專家Sharon Long說。

　　Doty試圖回答所有的反對意見。她在約15年前就開始懷疑固氮作用可能存在于根瘤之外，當時她發現白楊細胞培養皿中充滿了和已知固氮微生物株相關的細菌，她把細菌放在沒有氮氣的媒介中，然而一些微生物卻存活下來，它們很明顯從空氣中獲得了氮。

　　此后，她記錄了數十種來自白楊的菌株促進白楊之外的其他植物生長的例證，包括黑麥、草坪草、玉米、楊木、番茄以及此次的大米等。她的溫室氣體研究表明，在一種含有白楊內生菌的發酵液中浸泡了4小時的稻秧，最終整個植物體遍及這種微生物，而且比沒有浸泡過該發酵液的稻秧長得更高、產量更多，而且會產生更多分蘗。

　　如果Doty是正確的，一個劑量的這種生物菌可能確實會對農民有益。“氮是個巨大的約束因子，對非洲農業尤其如此。”植物生物學家、西雅圖比爾及梅琳達·蓋茨基金會的一名項目官員Katherine Kahn說。目前確實存在補償措施有限的問題：花費不僅昂貴，而且會污染環境，向土壤中加入固氮細菌也不能很好見效，而且給農作物植入需要形成根瘤的基因或是讓它們自身進行固氮都是非常遙遠的夢想。

　　一些研究人員懷疑，Doty分離出的一些葉子寄生細菌會產生促進生長的植物荷爾蒙。但因為Doty是在缺乏氮的人工土壤中進行的實驗，她認為，由這種細菌提供的氮一定在促進植物生長。在會議上，Doty原來的技術員Andrew Sher則說明了自己認為最強有力的證據。Sher把來自野生白楊的切片放入燒杯中，并讓它們接觸比空氣中氮濃度更高的氮。隨后，植物體內呈現出同樣的同位素，這表明細菌已經捕獲到氮并把它轉化為可用的營養，Doty說。

　　盡管如此，一些研究人員仍對這一觀點持謹慎態度。“現在科學家的看法正在逐漸發生改變，不是從懷疑變為信任，而是從懷疑變為謹慎的提問。”田納西州橡樹嶺國家實驗室植物遺傳學家Gerald Tuska說。Tuskan和同事已經從白楊中分離出約3000個微生物，其中許多配有固氮酶。其中一些微生物被生物膜隔離在氧限制隔間中，在那里固氮酶甚至在葉子富養環境中也能發揮作用。

　　樹木固氮作用的觀點在一步步逐漸確立，Frank說：“我覺得我們在逐漸改變人們的觀點，也包括我們自己的觀點。”