近日，加州大学戴维斯分校传来农业科技重大突破：由植物科学系杰出教授爱德华多·布鲁姆瓦尔德(Eduardo Blumwald)领衔的团队，利用基因编辑工具CRISPR培育出能刺激自身产生肥料的小麦植物，为减少全球空气和水污染、降低农民成本及保障粮食安全开辟新路径。相关研究发表于《植物生物技术杂志》。

该团队借助CRISPR技术，让小麦植株产生更多自身天然存在的化学物质。当小麦将过量化学物质释放到土壤中，会刺激土壤中的某些细菌将空气中的氮转化为植物生长所需的氮，这一转化过程即固氮。

研究小组先研究了植物自然产生的2800种化学物质，发现其中20种除对植物有益外，还能刺激细菌产生生物膜。生物膜包裹细菌形成低氧环境，使固氮酶发挥作用。科学家确定植物产生这些化学物质的机制及控制基因后，利用CRISPR改造小麦植株，使其产生更多名为芹菜素的黄酮类化合物。小麦将多余芹菜素通过根部释放到土壤，刺激细菌形成保护性生物膜，实现固氮，小麦植株得以吸收氮。实验表明，氮肥浓度极低时，这种小麦产量也高于对照植物。

这一突破对发展中国家意义重大。以非洲为例，当地农民因没钱且农场规模小(不超过六到八英亩)，很少使用化肥。布鲁姆瓦尔德表示，若作物能刺激土壤细菌自然产肥，将极大改善当地农业生产状况，对保障粮食安全大有裨益。该小麦研究突破建立在团队早期水稻研究基础之上，目前技术应用研究正在推进。

在全球农业中，小麦是产量第二大的谷物作物，也是氮肥消耗“大户”，约占氮肥总量的18%。联合国粮食及农业组织数据显示，2020年全球生产化肥超8亿吨。但植物仅吸收肥料中30%至50%的氮，未利用的大部分氮流入水道，形成缺氧“死区”，导致鱼类等水生生物窒息;土壤中过量氮会产生强效气候变暖气体一氧化二氮。

此前，科学家几十年尝试培育能产生活性根瘤的谷物作物或在谷物中定植固氮细菌，效果不佳。布鲁姆瓦尔德团队另辟蹊径，认为只要固定的氮能到达植物并被利用，固氮细菌位置不重要。

美国农业部估计，2023年美国农民化肥支出近360亿美元，美国近5亿英亩土地种植谷物。布鲁姆瓦尔德保守估算，若能节省这片土地上10%的化肥用量，每年可省下10亿美元。

此次小麦“自产肥”技术的突破，为全球农业可持续发展带来新曙光，后续其大规模应用及生态影响等值得持续关注。

更多信息： Hiromi Tajima 等，《DNA 编辑的六倍体小麦中芹菜素的增加促进了土壤细菌固氮，并在限氮施肥条件下提高了谷物产量》，《植物生物技术杂志》 (2025)。