全球首次揭开氮肥的秘密！中研院特聘研究员蔡宜芳，找出植物吸收硝酸盐关键基因

氮、磷、钾是肥料三要素，其中以氮肥为首。你知道农民施下去的氮肥，究竟是如何被植物吸收的？植物若缺氮会病恹恹，那为什么氮肥施多了，反而没效？到底怎样才是最有效率、最精准的施肥法？

这些问题的终极答案，必须回到分子生物学的领域来解答，而国内研究植物吸收氮肥分子机制的第一把交椅，就是中央研究院分子生物研究所的特聘研究员蔡宜芳。

温煦谦和、思路明晰的蔡宜芳老师，投入这个领域的研究已将近三十年，深知氮肥的“美丽与哀愁”。美丽是，氮源是植物健康生长之绝对必须，营养充足的作物才会好吃；而哀愁是，农民往往过度施肥，导致大量氮肥遗留在土壤中被冲刷流失，造成严重的环境污染和能源耗竭。

施肥过量就是浪费能源，氮肥制造耗能占全球1%

“我们施下去的氮肥，真正被植物吸收只有30-50%，这样多浪费！”蔡宜芳开门见山道，“有人估说一块钱的肥料，要用四块钱去clean up（清理）环境的问题。”

蔡宜芳解释，氮肥的来源，最早是鸟粪，来自秘鲁的钦察群岛。再来是开采天然硝石，主要来自智利。最后由德国科学家哈柏（Fritz Haber）和工程家博施（Carl Bosch）将氮气和氢气混合，透过高温高压加上以铁作为催化剂，合成了氨气，进而制造氮肥，这就是有名的“哈柏法”。绿色革命后，肥料需求暴增，硝石很快就被开采光了，幸亏有哈柏法可以人工合成，解决了氮肥短缺的大问题，两人并因而获得诺贝尔化学奖。

氮气在空气中占了78%，氮肥的原料看似源源不绝、从此无缺，然而高压高温的制程，却需要耗费大量能源。蔡宜芳说，“全球有1%的能源都花费在制造氮肥上！”但是农夫施肥时，很少人会想到自己正在“耗能”。

蔡宜芳指出危机，“能源越来越珍贵，但是氮肥需求一直增加，每年超过一亿吨，预估将来还会上升。”未来能源愈加昂贵，氮肥的价格也会跟着逐年上涨，而肥料占农业支出的比重恐会与日俱增。

氮肥浪费，导致水域优养化又增加温室气体

“钱的问题、能源的问题都还可以解决，最不能解决的是环境的问题，”蔡宜芳强调，大部分的氮肥没办法被植物利用，还会产生一氧化二氮，是比二氧化碳更强烈三百倍的温室气体。

而且残留在土壤中的氮肥，很快就被雨水冲刷流失，经地下水、河川流到海洋，造成沿海优养化，即养分过多、藻类大量增生，使得水域缺氧，鱼虾全部死亡。全球许多海岸的“死区”（Dead Zone），即由此而生。

农委会长年在推“合理化施肥”，不过绝大多数的农夫还是觉得“有氮有保庇”，养成了“宁滥勿缺”的施肥习惯。然而氮肥施用会有“报酬渐减”的效应，却经常被忽略。

“一开始加氮，确实产量有增加，可是到了某个程度，再增加氮，产量并不会继续增加。这是农委会一直要告诉农夫的，但是农夫不愿意产量差那么一点，一定要加到最满。”

蔡宜芳钻研植物吸收氮肥的分子生物机制，即是为了探究：如何让植物的利用效率达到最高？是不是就此可以减少氮肥的浪费？

植物到底如何吸收硝酸盐？揭开迷团：神奇的转运蛋白

除了少数植物可以与固氮菌共生，大部分植物利用氮是透过硝酸盐和铵盐，也就是氮肥主要的两种形式。而铵盐在土壤中大都会被细菌转为硝酸盐，所以硝酸盐就是植物最主要的氮源。

但是硝酸盐带负电，土壤粒子也是带负电，互相排斥，因此硝酸盐在土壤中其实很不好保存，植物来不及吸收时，一下雨就会被冲刷掉。

植物到底如何吸收硝酸盐？蔡宜芳的研究团队发现，关键就在于植物根部的表皮细胞和根毛，其细胞膜上面有一个转运蛋白，称为CHL1。

“细胞膜是超级材质，像一层薄薄的油把细胞包起来，但是细胞又不能太宅，要跟外界做物质交换，所以膜上面有洞，就是蛋白质，”而负责把硝酸盐从细胞外面送到细胞内部的，就是这个CHL1转运蛋白。

蔡宜芳解释，植物对于氮肥有两套吸收系统：低亲和性和高亲和性。当外面硝酸盐浓度高，就启动“低亲和性”系统，大量把硝酸盐吸收进来储存，有需

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2019-09-23 14:21:00