华盛顿州立大学的研究人员将一组与生物固氮相关的基因从共生根瘤菌转移到此前不具备结瘤能力的细菌菌株中。该研究通过概念验证试验，证明了非结瘤细菌可以转化为能够定殖于宿主植物的内共生菌。这项研究为理解并未来探索能够减少农作物对氮肥依赖的微生物指明了方向。
研究团队对从美国西部自然环境中采集的根瘤菌属（Mesorhizobium）细菌进行了评估。这些细菌生活在土壤中。有些根瘤菌会在豆科植物的根部形成根瘤并固定氮，而另一些则不具备这种功能。
共生岛
研究人员将分析重点放在一种名为共生岛的可移动遗传元件上。该元件携带根瘤形成和固氮作用所需的基因。科学家们在供体菌株中标记了共生岛，并促进其与缺乏共生岛的受体菌株进行杂交。然后，他们筛选出转化后的细菌，并在宿主植物中测试了它们的共生功能。
结果表明，80%的测试样本中发生了传播。传播发生在多种基因型中。供体岛基因型解释了转化细菌数量变异的48%。受体基因型解释了25%。供体-受体相互作用解释了26%。
共生岛的获得使得所有受试转化菌株都能形成根瘤。在转移之前，这些菌株均不形成根瘤。在测试的15个菌株中，研究人员从13个菌株的根瘤中回收了菌落形成单位。这一结果表明细菌在共生结构内发生了增殖。
功能性固定
并非所有根瘤形成都能实现功能性固氮。三分之一的转化菌株开始与植物形成互利共生关系，提高了植物的氮含量。三分之二的转化菌株则形成了偏利共生关系，且未对宿主植物造成可检测到的损害。该研究未发现所评估的新内共生体对宿主造成可测量的损害。
供体和受体之间的遗传接近程度会影响转化体的性能。亲缘关系更近的谱系产生的转化体具有更高的固氮能力、更大的地上部分生物量、更大的根瘤直径和更多的固氮根瘤。来自相同土壤类型（蛇纹岩或非蛇纹岩）的供体和受体也产生了具有更佳共生性能的转化体。
该遗传元件的转移并未表现出与其功能相同的系统发育限制。研究表明，共生岛在不同的基因组之间移动。在某些情况下，它会取代与苯丙氨酸转移RNA基因相关的插入位点上的其他基因组元件。在少数转化体中，发生了该共生岛的部分转移，导致与高效固氮相关的基因丢失。
固氮
华盛顿州立大学温哥华分校生物科学副教授斯蒂芬妮·波特表示，人们对更天然的作物氮肥施用方式很感兴趣。据她介绍，她的团队开发了一种方法，可以将大量能够促进固氮和植物定殖的基因转移到缺乏这些功能的细菌中。
长期目标是将固氮能力转移给与依赖化肥作物相关的微生物。小麦和玉米是需氮量高的作物。波特还提到，与玉米或大豆相关的微生物也可能是未来转移这种能力的潜在目标。
科学家们仍在努力鉴定对转移成功贡献最大的基因和变异体。农业应用取决于这一步骤。该研究显示出生物技术潜力，但仍处于概念验证阶段，目前以根瘤菌和寄主植物为实验模型进行试验。
更多信息请参见 DOI 10.1016/j.cub.2026.04.071
