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导语
氮素作为四大生命元素之一，是构成氨基酸和蛋白质，核酸（DNA和RNA）等生命必需物质的主要组成成分。氮素是植物生长发育的必需营养元素；氮素缺乏是限制植物生长和产量形成的首要因素。以氮肥为主的化学合成肥料作为工业革命的伟大成果极大促进了农作物产量的提高，为解决世界粮食安全做出了不可磨灭的贡献。但不可忽视的是，化肥生产能耗极高，并且化肥大量施用严重破坏了土壤的涵养能力，加速了地球生态系统的失衡。地球大气中以氮气形式存在的氮元素含量最为丰富，但植物不能直接利用空气中游离的氮气而获取氮素营养。有趣的是，少数拥有活性固氮酶的细菌（根瘤菌、放线菌或蓝细菌等）能将空气中的氮气转化成可被植物吸收和利用的铵盐。
图1豆科植物与根瘤菌共生结瘤
（左一蒺藜苜蓿，中间蒺藜苜蓿根瘤，右一大豆根瘤）
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豆科植物与根瘤菌共生固氮
更为神奇的是，年德国科学家发现了豆科植物与根瘤菌存在美好的互惠共生关系：豆科植物会在根部形成根瘤，筑起爱巢让根瘤菌生活其中，共同谱写他们的爱情故事：豆科植物为根瘤菌提供其生长所必需的碳水化合物；根瘤菌将空气中的氮气转变成铵盐，供豆科植物吸收利用，满足其生长发育所需。豆科植物与根瘤菌建立的互惠共生关系是自然界固氮效率最高、固氮量最大的生物固氮系统。据研究推测，这种共生固氮体系大约是在一亿年前建立起来的。上亿年来，豆科植物与根瘤菌通过这种高效的互惠共生体系，美美与共、生生不息，在地球生态系统的氮循环中发挥着举足轻重的作用。
那么豆科植物和根瘤菌到底是如何共生固氮的呢？因为许多原核生物拥有一种特殊的工具—固氮酶，能够将大气中的氮气和氢气通过固氮酶转化成为氨态氮（图2），作为原核生物之一的根瘤菌也有这一项特殊的固氮技能。
图2固氮酶参与的固氮反应
（图来自