基本介紹
固氮形式,自生固氮,共生固氮,聯合固氮,微生物,固氮菌,根瘤菌,氮循環,分子氮,研究動態,非豆科,展望,農業套用,簡介,拌種,做綠肥,意義,
固氮形式
自生固氮
自生固氮微生物在土壤或培養基中生活時，可以自行固定空氣中的分子態氮，對植物沒有依存關係。常見的自生固氮微生物包括以圓褐固氮菌為代表的好氧性自生固氮菌，以梭菌為代表的厭氧性自生固氮菌，以及以魚腥藻、念珠藻和顫藻為代表的具有異形胞的固氮藍藻（異形胞內含有固氮酶，可以進行生物固氮）。
根瘤
根瘤共生固氮
共生固氮微生物只有和植物互利共生時，才能固定空氣中的分子態氮，共生固氮微生物可以分為兩類：一類是與豆科植物互利共生的根瘤菌，以及與榿木屬、楊梅屬和沙棘屬等非豆科植物共生的弗蘭克氏放線菌；另一類是與紅萍（又叫做滿江紅）等水生蕨類植物或羅漢松等裸子植物共生的藍藻。由藍藻和某些真菌形成的地衣也屬於這一類。
聯合固氮
有些固氮微生物如固氮螺菌、雀稗固氮菌等。能夠生活在玉米、雀稗、水稻和甘蔗等植物根內的皮層細胞之間。這些固氮微生物和共生的植物之間具有一定的專一性，但是不形成根瘤那樣的特殊結構。這些微生物還能夠自行固氮，它們的固氮特點介於自生固氮和共生固氮之間，這種固氮形式叫做聯合固氮。
微生物
在自然界中，有很多原核微生物，包括細菌和放線菌，它們可以在特定條件下把氮氣還原為氨，因而被稱為固氮微生物。固氮微生物的固氮過程完全是生物和微生物自發進行的，無須提供任何能源和設備，因而它減少了能源的消耗。由於全部固氮過程都是生物活動，無污染物排放，有利於保護生態環境。同時，由於減少和免除了化學氮素的投入，使農產品中硝酸和亞硝酸物質大幅度降低，提高了農產品的品質，減少致癌物質對人類的危害。
固氮菌
自生固氮微生物是指在土壤中能夠獨立進行固氮的微生物，其中，多數是一類叫做自生固氮菌的細菌。自生固氮菌大多是桿菌或短桿菌，單生或對生。經過兩三天的培養，成對的菌體呈“8”字形排列，並且外面有一層厚厚的莢膜。自生固氮菌中，人們套用得最多的是圓褐固氮菌(Azotobocter chroococcum）。圓褐固氮菌具有較強的固氮能力，並且能夠分泌生長素，促進植株的生長和果實的發育，因此，將圓褐固氮菌製成菌劑，施用到土壤中，可以提高農作物的產量。
圓褐固氮菌
圓褐固氮菌根瘤菌
根瘤菌(root nodule bacteria）是與豆科植物共生，形成根瘤並固定空氣中的氮氣供植物營養的一類桿狀細菌。這種共生體系具有很強的固氮能力。已知全世界豆科植物近兩萬種。根瘤菌是通過豆科植物根毛、側根杈口（如花生）或其他部位侵入，形成侵入線，進到根的皮層，刺激宿主皮層細胞分裂，形成根瘤，根瘤菌從侵入線進到根瘤細胞，繼續繁殖，根瘤中含有根瘤菌的細胞群構成含菌組織。
根瘤菌
根瘤菌氮循環
植物吸收土壤中的銨鹽和硝酸鹽，進而將這些無機氮同化成植物體內的蛋白質等有機氮。動物直接或間接以植物為食物，將植物體內的有機氮同化成動物體內的有機氮。這一過程叫做生物體內有機氮的合成。動植物的遺體、排出物和殘落物中的有機氮被微生物分解後形成氨，這一過程叫做氨化作用。在有氧的條件下，土壤中的氨或銨鹽在硝化細菌的作用下最終氧化成硝酸鹽，這一過程叫做硝化作用。氨化作用和硝化作用產生的無機氮，都能被植物吸收利用。在氧氣不足的條件下，土壤中的硝酸鹽被反硝化細菌等多種微生物還原成亞硝酸鹽，並且進一步還原成分子態氮，分子態氮則返回到大氣中，這一過程叫做反硝化作用。
氮循環
氮循環大氣中的分子態氮被還原成氨，這一過程叫做固氮作用。沒有固氮作用，大氣中的分子態氮就不能被植物吸收利用。地球上固氮作用的途徑有三種：生物固氮、工業固氮（用高溫、高壓和化學催化的方法，將氮轉化成氨）和高能固氮（如閃電等高空瞬間放電所產生的高能，可以使空氣中的氮與水中的氫結合，形成氨和硝酸，氨和硝酸則由雨水帶到地面）。據科學家估算，每年生物固氮的總量占地球上固氮總量的90%左右，可見，生物固氮在地球的氮循環中具有十分重要的作用。
分子氮
生物固氮是固氮微生物特有的一種生理功能，這種功能是在固氮酶的催化作用下進行的。固氮酶是一種能夠將分子氮還原成氨的酶。固氮酶是由兩種蛋白質組成的：一種含有鐵，叫做鐵蛋白，另一種含有鐵和鉬，叫做鉬鐵蛋白。只有鐵蛋白和鉬鐵蛋白同時存在，固氮酶才具有固氮的作用。生物固氮過程可以用下面的反應式概括表示。
N2 + 6H+ + nMg-ATP +6e-（酶）→2NH3+nMg-ADP+nPi
分析上面的反應式可以看出，分子氮的還原過程是在固氮酶的催化作用下進行的。有三點需要說明：第一，ATP一定要與鎂（Mg）結合，形成Mg-ATP複合物後才能起作用；第二，固氮酶具有底物多樣性的特點，除了能夠催化N2還原成NH3以外，還能催化乙炔還原成乙烯（固氮酶催化乙炔還原成乙烯的化學反應，常被科學家用來測定固氮酶的活性）等；第三，生物固氮過程中實際上還需要黃素氧還蛋白或鐵氧還蛋白參與，這兩種物質作為電子載體能夠起到傳遞電子的作用。
鐵蛋白與Mg-ATP結合以後，被黃素氧還蛋白或鐵氧還蛋白還原，並與鉬鐵蛋白暫時結合以傳遞電子。鐵蛋白每傳遞一個e-給鉬鐵蛋白， 同時伴隨有兩個Mg-ATP的水解。在這一催化反應中，鐵蛋白反覆氧化和還原，只有這樣，e-和H+才能依次通過鐵蛋白和鉬鐵蛋白，最終傳遞給N2和乙炔，使它們分別還原成NH3和乙烯。
1886年在第59屆德國科學家和醫生學術討論會上，德國學者赫爾利格爾(Hermann Hellriegel）首次提出令人驚奇的試驗結果，即當大豆生長在缺氮的土壤中時，大豆的根瘤也能使其良好生長，其機理在於其根瘤具有固氮功能。在當時稱之為根生桿菌，現在稱之為大豆根瘤菌的細菌對豆科植物根部的根瘤形成具有特殊的刺激作用。在根瘤菌內，根瘤菌將大氣中的氮還原為能被植物吸收利用的氨，豆科宿主在吸收了這些氨之後又能將其轉變為含氮有機化合物，以供其生長發育之需。通過對根瘤菌進行接種培養後於1895年就獲得了具有很強固氮能力的根瘤菌菌種。通過添加滅菌草木灰等吸附劑之後，大批根瘤菌被施用到三葉草、豌豆和小扁豆等豆科作物的種植地中以提高其產量。
現在已經知道，在自然界具有固氮功能的生物種類很多，其中有自養固氮生物和異養固氮生物這兩大類型。在異養固氮生物中因宿主植物的差異而被劃分為豆科植物共生固氮菌和非豆科植物共生固氮菌。儘管固氮生物多種多樣，但在其固氮過程中都需要共同的固氮基因（nif）的參與。在共生固氮生物中固氮體系非常複雜，除了nif基因在固氮過程中起關鍵性作用之外，其它基因的協同作用也非常重要。
由於根瘤菌具有的特殊功能，大批熱心的研究者對其特徵特性，對寄主的侵染方式、固氮機制和商業價值等進行了系統的研究。本世紀80年代以來，學者們一方面從分子水平進一步研究根瘤菌在豆科植物上的固氮機理和改造根瘤菌，試圖培育出活性更強的根瘤菌；另一方面利用人工誘導方式誘發非豆科作物根部結瘤，試圖利用根瘤菌的特殊功能使非豆科作物也能共生固氮，以便減少農田中氮肥的施用量，降低農作物的生產成本。除此之外，在70年代末，由於在放線菌中發現了弗蘭克氏菌（Frankia）與多種非豆科樹木能共生結瘤並具有固氮效應，因而在生物固氮研究中又產生了一個新的分支，即以研究弗蘭克氏菌的分類、功能、分布和套用前景為主要內容的新領域。從現有的研究結果來看，與豆科植物的根瘤菌的固氮體系相比，利用弗蘭克氏菌具有廣譜侵染的特性，對建立新的固氮技術體系可能具有更大的意義，套用前景更廣闊。
研究動態
現在已經知道，生物固氮作用只限於原核類微生物（細菌和放線菌）；所有不同種類的固氮微生物都由共同的固氮基因（nif）控制著固氮特性遺傳，nif基因和固氮酶只存在於固氮菌體中；具有共生固氮特性的高等植物僅僅提供宿主條件，以便固氮菌的固氮效能得到充分表達；通過遺傳操作實現了nif基因在不同種細菌之間相互轉移，由此對nif基因的位置、數目、結構和功能等方面有了更深入的了解。
通過對自身固氮生物的nif基因進行分子生物學研究知道，在克氏肺炎桿菌Kp中存在著17～18個nif基因，這些基因都位於其染色體上，其中有固氮酶結構基因nifKDH、調節基因nifAL和固氮酶合成後的加工基因nifB以及其它與電子傳遞相關的基因。在同一固氮生物的個體中所有nif基因均連鎖在一起，其中不存在非nif基因的插入成分；在nif基因群中存在著7個操縱子，其中有6個操縱子具有向同一方向進行轉錄的功能（Puhler,1984）；在nifF基因和nifH基因之間還存在著一段反向閱讀框架。
豆科植物固氮研究的發展趨勢主要在兩個方面，即套用研究和基礎理論研究。在套用研究方面，試圖培育出具有更強的固氮能力和具有吸氫酶基因的根瘤菌已經成為該領域的重要研究方向之一。霍爾斯特(Holster）等（1970）報導，根瘤菌可以與豆科植物在體外建立起共生關係，根瘤菌從細胞間隙進入大豆細胞內，但這種體外共生體系的固氮酶活性比較低，只相當於正常大豆根瘤的1%。通過研究工程化根瘤菌，篩選出新的固氮菌和根瘤菌接種劑，使豆科植物的結瘤數增加，固氮能力增強。已知固氮作用要消耗植物製造的光合產物的15～30%，在固氮過程中的放氫反應實際上是一種能量浪費。現在已經證實，在少數根瘤菌中存在著吸氫酶基因，其產物能回收在固氮作用過程中所放出的氫，由此形成ATP，節省能量，提高固氫效率。目前對這種吸氫酶基因已經進行了定位和克隆，如果能將這種基因轉化到不具有吸氫酶基因的大多數根瘤菌中，則由此培育的新根瘤菌將具有更大的固氮活性和固氮效率。在基礎理論研究方面，需要探明在根瘤菌與豆科植物共生固氮過程中雙方有多少基因參與結瘤固氮作用，以便為建立人工模擬固氮體系提供理論依據；闡明根瘤菌對豆科植物專一性識別的機制，以便利用人工方法更精確地打破識別的專一性，擴大宿主範圍；研究根瘤菌侵染宿主根毛之後，誘導宿主根內豆血紅蛋白基因和結瘤素基因表達的機理，從而控制固氮根瘤菌的有效性。
非豆科
在非豆科植物生物固氮的研究中主要包括兩個研究方向。其一是採用適當的技術路線和切實可行的研究方法將根瘤菌導入非豆科作物中，在非豆科作物與根瘤菌之間形成共生關係，由此形成根瘤，擴大根瘤菌的宿主範圍和提高其固氮效應。其二是採用先進的生物技術進一步對固氮放線菌Frankia的生物學特性及其套用價值進行探討，以便挖掘Frankia菌在非豆科植物上的固氮潛力，由此形成生物固氮的新技術體系。
1.在非豆科植物與根瘤菌之間形成共生關係的探討
德國植物學家拜爾（1888）首次在半寄生性草本植物草山蘿和大豬鼻花（屬於非豆科植物）的根部發現了根瘤，但這一奇特的現象並沒有引起人們的關注。特里尼克（Trinick)（1973）首次證實，豇豆屬植物根系中所存在的根瘤菌能與榆科植物共生結瘤固氮。帕甘（Pagan）等（1975）在試驗中發現，在沒有宿主植物細胞的情況下，豇豆根瘤菌能在人工培養基上獨立生活和自行固氮，否定了長期以來一直認為根瘤脫離宿主植物就不能固氮的傳統觀念。如今已經知道，在殘留的根部形成根瘤的非豆科植物的數量並不少，僅在俄羅斯的西伯利亞就有75個物種，分屬於21個科，其中在進化史中最為年青的菊科植物中，其根系形成根瘤是一種最常見的現象。在紐幾內亞，在榆科的狗兒屎屬植物Parasporiarogosa通常生長在茶葉樹的行間，在其根部很容易發現與熱帶豆科植物相類似的結瘤現象。
在自然條件下植物體與微生物相結合後形成固氮體系的現象在70年代就已經引起了人們的關注。除了根瘤菌與豆科植物之間的共生固氮關係之外，還存在著蘭綠藻與植物固氮；微生物與植物葉面結合固氮；土壤微生物與植物結合固氮；含脂剛螺菌與高等植物結合固氮。除此之外，對固氮稻的研究有了新的進展。在稻的根際嫌氣性細菌和好氣性細菌呈鑲嵌狀態，有著保護氧的作用，故稻的根際是最適於固氮菌存在的地方；現代栽培稻的固氮能力及各品種在固氮能力上所存在的差異是由其遺傳性所支配，旱稻幾乎沒有固氮能力；在稻根際與固氮菌之間存在著鬆弛的共生關係。有關專家預測，通過尋找稻根際固氮基因和支配其固氮能力的基因，有可能利用具有更強固氮能力的基因或基因組，通過基因工程培育出固氮稻新品系。在80年代中期，將含有固氮調控基因nifA的質粒pMC78A引進到水稻根際固氮菌——催娩克氏菌（klebsiellaoxytocaNG18）中之後，篩選到耐氨菌株。將耐氨固氮菌接種到水稻根系之後，其根際固氮活性提高3～5倍，植株含氮總量提高20～30%，植株乾重增加10～20%（日該國立遺傳學研究所，1985～1986）。
自從聶延富（1983）利用植物生長素2，4-D處理根系，誘導根瘤菌侵入小麥根部形成根瘤的試驗獲得成功之後，中國在利用根瘤菌侵染非豆科植物形成根瘤方面開展了多方面的探索性研究，試圖通過人工方法促使非豆科植物與根瘤菌形成共生關係，以便擴大生物固氮的範圍。目前關於利用2，4-D誘導非豆科作物根系與固氮菌共生結瘤，國內外已在小麥、油菜、水稻和胡蘿蔔等作物上取得了成功。阿勒馬拉（Al-Mallah）等（1989）利用纖維素酶yc、果膠酶Y23和甘露醇的細胞壁降解酶混合物處理幼苗根系，在有聚乙二醇存在的條件下將根瘤菌接種在水稻根繫上，結果，在水稻根繫上結出了根瘤。自80年代以來，中國相繼對水稻、玉米、小麥和高梁等非豆科作物的聯合結瘤固氮進行了深入的研究，成功地分離出一批具有高效固氮功能的聯合固氮菌株，如糞產鹼菌、稻黃桿菌和固氮螺菌等等。中國學者提出的“共生固氮體系中最佳結瘤固氮控制模型的研究”的探索性項目被列入國家的“攀登計畫”。然而，總的來看，作為基礎性研究，國內外在非豆科作物固氮方面雖不斷取得新進展，但離農業生產的實際套用還有相當長的一段距離。
2.引導固氮生物侵入非豆科植物的方法
豆科植物的根瘤是一個非常複雜的共生體系，根瘤菌與豆科植物根系的相互結合依賴於特異的遺傳機制。為了打破根瘤菌與豆科植物根系共生結瘤固氮的特異性，將豆科植物的共生固氮特性擴大到不具有共生固氮特性的非豆科植物中，研究者們從許多途徑進行了有益的嘗試，獲得了一些有效方法，其中包括如下6種常用的方法。
第二，利用植物裸露的原生質體吸收固氮微生物，以此建立起新的固氮體系。已經證實，裸露的原生質體比較容易吸收外源遺傳物質，不但豆科植物的原生質體具有吸收固氮微生物的功能，而且非豆科植物的原生質體也具有吸收固氮微生物的功能。曾經利用玉米的原生質體吸收棕色固氮菌後，玉米原生質體表現出固氮活性，這樣的原生質體可以培養成愈傷組織，由此分化出的胚在完全缺氮源的培養基上能夠進一步生長發育。
第三，通過植物愈傷組織與固氮微生物進行聯合培養，建立新的共生固氮體系。將豆科根瘤菌分別放入半支蓮、胡蘿蔔、矮牽牛和囊龍面花等非豆科植物的愈傷組織中，經過聯合培養後根瘤菌與愈傷組織形成新的共生關係，表現出固氮活性。
第四，利用酶處理打破根瘤菌侵染根毛的障礙。已知根瘤菌對宿主根毛區的侵染表現出很強的專一性，即特定的根瘤菌侵染特定的宿主。在玉米、水稻和小麥等作物上的試驗結果表明，利用纖維素酶和果膠酶處理作物的根部後，其根毛細胞的細胞壁會發生局部破壞，這有助於根瘤菌的侵染和共生結瘤。
3.在非豆科植物與Frankia菌之間形成共生關係的探討
佩克洛(Peklo)（1910）首次提出從非豆科樹木的根瘤中分離內生菌的構想，但他一直沒有達到預期目的。在本世紀60年代，通過超顯微觀察後證實，在非豆科樹木根瘤內所存在的固氮菌是原核生物，其絲狀體有分枝。貝金（Becking)（1970）將非豆科樹木根瘤內所存在的內生菌歸屬於原核生物界，厚壁菌門，放線菌綱，放線菌目，弗蘭克氏菌科，弗蘭克氏菌屬。直到70年代末，卡拉哈姆（Callaham）等（1978）在香蕨木植物的根系中找到了共生根瘤並從共生根瘤中首次分離出內生放線菌。已經證實，在木麻黃、榿木、胡頹子、沙棘、楊梅、馬桑、懸鉤子、仙女木和赤楊等非豆科根瘤中所存在的內生固氮菌屬於弗蘭克氏（Frankia）菌屬的微生物。近年的研究主要集中在對該菌的特徵特性進行研究。由此發現，Frankia菌宿主範圍比較寬，在非豆科樹木的一些科、屬、種間不僅存在交叉感染現象，而且由同一種樹木的根瘤內可以獲得在特徵特性上存在著明顯不同的Frankia菌株。Frankia菌是生長緩慢型微好氣性放線菌，能形成特徵性孢子囊，在孢子囊內含有通過縱橫分裂所形成的不遊動孢囊孢子。
在被子植物中能與Ftsnkia菌共生結瘤固氮的非豆科植物皆為喬木或灌木等木本植物，它們不僅具有強大的固氮能力，而且，通常還具有耐乾旱（如沙棘）、耐鹽鹼（如木麻黃）、耐酸性（如楊梅）和耐水濕（如赤楊）等特性。據阿克曼(Akkermans）等人（1984）統計，已經發現21屬200種非豆科植物能與Frankia菌共生結瘤固氮。隨後，黃家彬等（1985）在中國又發現20種新記載樹種具有與Frankia菌共生結瘤固氮的特性。最近，李志真等（1998）在福建省林區內發現5種能與Frankia菌共生結瘤固氮的非豆科樹種。因此，目前已發現8科25屬225種非豆科植物能與Frankia菌共生結瘤固氮。
中國於70年代末期開始研究放線菌結瘤植物，在資源調查、內生菌分離和Frankia菌的生物學特徵特性等方面做了大量的研究工作。目前中國已經成為國際上擁有Frankia菌株資源最多的基地之一。除此之外，在利用細胞融合技術改進Frankia菌的特徵特性方面已有新的苗頭，利用鏈黴菌和Frankia菌融合後已經成功地構建成新型的共生固氮放線菌，它具有雙親本性能，即生長快、結瘤固氮活性強。
Frankia菌具有跨越科、屬植物進行侵染結瘤固氮的特性，因而被認為是研究擴大寄主範圍、結瘤機制、固氮基因轉移和構建新的固氮物種的理想材料。隨著對Frankia菌的特徵特性的不斷認識，人們試圖將此共生體系的固氮功能由木本植物轉到禾本科作物上，以解決農田氮肥自給問題，減少農作物對氮素化肥的依賴。隨著研究的不斷深入，人類將進一步揭示Frankia菌共生固氮的奧秘，闡明其遺傳機制。利用生物工程技術和方法構建高效的Frankia工程菌和構建新的固氮共生體系將成為今後生物固氮研究領域中的發展方向和追求目標。
展望
通過適當方式固定大氣中的游離氮素，將其轉變為能參與生物體新陳代謝的氨態氮是地球上維持生產力的一個重要的生態反應。從戰略上來考慮，正確的農業生產政策應該是既要增加糧食生產，又不要損害土地的持久生產力，而生物固氮正好能同時滿足這兩個目的。套用現代科學技術建立和完善生物固氮體系已經成為解決人類目前所面臨的人口、糧食、能源和環境等問題的重要技術措施。
近20年來生物固氮已經成為一個多學科的綜合性研究項目，分別在分子、細胞、個體和生態等多層次水平上，從微觀到巨觀不斷地展開著探索性研究。從目前的研究現狀來看，試圖通過基因工程將nif基因從豆科植物轉移到非豆科農作物中難度比較大，在短期內很難實現，而採用細胞工程方法將根瘤菌導入非宿主農作物細胞內則切實可行。除此之外，由於Frankia菌具有對宿主的侵染範圍寬、固氮活性比較強和對氧氣不敏感等特性，在生物固氮研究中對Frankia菌的研究將更為重要，有可能由此會找到新的突破口。在Frankia菌與農作物之間建立起新的共生固氮體系將具有更大的可能性。這項研究已呈現出新的苗頭，值得進一步探索。
生物固氮研究已經引起越來越多的人的關注。在這方面的研究今後主要包括基礎理論和套用基礎這兩個方面。在基礎理論研究中主要圍繞著誘發非豆科作物結瘤的最佳條件和提高共生固氮效能，其中包括誘導根瘤菌侵入主要農作物共生結瘤的有效方法；提高非豆科農作物共生結瘤固氮的效能；根瘤菌導入非豆科宿主細胞的途徑、共生部位和共生機理；採用適當的技術措施誘導Frankia菌與主要農作物結瘤固氮；Frankia菌共生結瘤固氮的機理等等。在套用基礎研究中主要圍繞著培育新的固氮植物，其中包括通過生物技術改造固氮微生物和現有的農作物，使新的固氮菌與新的農作物更容易形成共生固氮關係。可以肯定，生物固氮工程的研究已經進入一個新的歷史階段，擴大生物間共生固氮範圍和將豆科植物的固氮能力轉移到非豆科植物中的研究已呈現出希望之光。隨著生物固氮研究的不斷深入，將逐步實現禾本科農作物與固氮微生物共生結瘤固氮的美好願望。
農業套用
簡介
生物固氮在農業生產中具有十分重要的作用。氮素是農作物從土壤中吸收的一種大量元素，土壤每年因此要失去大量的氮素。如果土壤每年得不到足夠的氮素以彌補損失，土壤的含氮量就會下降。土壤可以通過兩條途徑獲得氮素：一條是含氮肥料（包括氮素化肥和各種農家肥料）的施用；另一條是生物固氮。科學家在20世紀80年代推算過，全世界每年施用的氮素化肥中的氮素大約有8*10^7t，而自然界每年通過生物固氮所提供的氮素，則高達4*10^8t。
拌種
對豆科作物進行根瘤菌拌種，是提高豆科作物產量的一項有效措施。播種前，將豆科作物的種子沾上與該種豆科作物相適應的根瘤菌，這顯然有利於該種豆科作物結瘤固氮。特別是新開墾的農田和未種植過豆科作物的土壤中，根瘤菌很少，並且常常不能使豆科作物結瘤固氮，更需要進行根瘤菌拌種。對比實驗表明，在其他條件相同的情況下，經過根瘤菌拌種的豆科作物，可以增產10%～20%。
做綠肥
本世紀初以來全球農作物單位面積產量不斷增長，在一定程度上依賴於氮素化肥的施用量不斷增加。農作物依賴於施用氮素化肥所獲得的增產實際上是以消耗能源和污染環境為代價所取得的。在大氣中氮氣含量接近80%，但這種氮氣並不能直接為高等植物吸收利用。人類自從發現豆科植物與根瘤菌共生結瘤固氮現象以來對生物固氮研究已有112年之久，中國對生物的共生固氮現象也進行了長達62年的探索性研究。然而，關於生物固氮，特別是非豆科農作物的生物固氮，還有許多問題有待於進一步研究。目前，生物固氮研究已經被列為“國際生物學計畫”中的重點研究內容，各國政府都將其視為重點科技攻關項目。通過適當方式將生物固氮機制引入到非豆科農作物中，進而建立起非豆科農作物固氮新體系，這是農業科學研究中一項富有挑戰性的研究課題。這不僅引起了農業科學家的極大興趣，而且也受到了全社會各階層有識之士的廣泛關注。
