9月5日，日本国立研究法人农业与食品产业技术综合研究机构（简称“农研机构”）生物机能利用研究部门作物生长机制研究领域的今泉（安乐）温子团队负责人和西田帆那研究员的研究团队，与日本东北大学、带广畜产大学、国立研究开发法人理化学研究所联合宣布，开发出了一种分解温室气体N₂O能力较强的根瘤菌（以下称“N₂O减排根瘤菌”）以较高优势品种占比共生的大豆-根瘤菌共生系统。在田间栽培该共生系统后，确认大豆收获后释放的N₂O排放量可降至对照区的约26%。该研究成果有望推动环境负荷较低的大豆栽培，研究成果已发表在期刊《Nature Communications》的9月4日刊上。

图1 接种产生效应子的N₂O减排根瘤菌（左）及所制作的不亲和性回避型N₂O减排根瘤菌（右）后，不亲和性基因聚合大豆的根瘤形成情况（供图：农研机构）

N₂O是一种温室效应约为CO₂ 265倍的温室气体，为遏制全球变暖，其减排已成为迫切需求。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告已经指出，农业来源的N₂O占人为N₂O排放总量的约60%。

大豆与土壤中的根瘤菌共生，根瘤菌共生于其根部形成的根瘤内部，将大气中的氮气固定并供给大豆。借助根瘤共生，大豆能够获得大气中的氮作为营养来源，因此其对氮肥的依赖程度低于其他作物。然而，已知大豆收获后，根瘤老化崩解的过程中会释放N₂O。

根瘤菌中存在一部分携带N₂O还原酶基因，拥有将N₂O分解为氮气能力的类型。为此，研究人员一直尝试通过向大豆接种具有高N₂O分解能力的N₂O减排根瘤菌、使其与大豆共生，来减少大豆收获后根瘤崩解过程中释放的N₂O。然而，田间土壤中存在着大量不具备或仅具备微弱N₂O分解能力的土著根瘤菌。因此，在田间种植大豆并接种N₂O减排根瘤菌时，会引发与土著根瘤菌的感染竞争，大多数根瘤由土著根瘤菌共生，导致N₂O减排根瘤菌共生根瘤的比例降低，无法充分发挥N₂O减排能力。为此，该合作研究团队利用可见于根瘤共生中的“共生不亲和性现象”，开发了一种提高N₂O减排根瘤菌共生比例的大豆共生系统。

不亲和性现象是指，携带特定“不亲和性基因”的大豆会识别特定根瘤菌分泌的称为“效应子”的蛋白质，从而阻断该根瘤菌的感染并阻止根瘤形成。此前，已知大豆的Rj2基因会阻断携带效应子NopP122的根瘤菌感染，而GmNNL1基因会阻断携带效应子NopP6、NopP110的根瘤菌感染。研究团队制作出同时携带Rj2和GmNNL1两种不亲和性基因的大豆，并利用自然变异筛选出不再产生被这些不亲和性基因识别的效应子NopP的N₂O减排根瘤菌。由于多数土著根瘤菌携带NopP6、110、122型效应子，它们无法感染聚合了不亲和性基因的大豆，而不产生NopP效应子的N₂O减排根瘤菌则被认为可作为优势品种与携带不亲和性基因的大豆共生（图2）。

研究团队验证了不亲和性基因聚合大豆与不产生NopP效应子的N₂O减排根瘤菌组合的效果。他们将产生效应子的竞争性根瘤菌与不产生效应子的N₂O减排根瘤菌等量混合后，分别接种到不亲和性基因聚合大豆及不携带不亲和性基因的大豆品系中。结果显示，在携带不亲和性基因的大豆中，N₂O减排根瘤菌的根瘤占有率超过90%，土壤释放的N₂O量降至不携带不亲和性基因大豆的15%。此外，在田间试验中，不亲和性基因聚合大豆中N₂O减排根瘤菌的根瘤占有率达到64%，N₂O释放量降至未接种N₂O减排根瘤菌试验区的26%。

大豆作为粮食、饲料和油料作物在全球广泛种植。与其他作物相比，大豆栽培本就是温室气体排放较少的粮食生产系统，但通过本研究开发的技术，减少大豆田间的N₂O释放量，据信可以实现环境负荷更低的大豆生产，为抑制全球变暖作出贡献。

农研机构的今泉（安乐）温子团队负责人（右）与西田帆那研究员（供图：农研机构）

今泉团队负责人表示：“在思考不亲和性基因与效应子的关系时，我想到‘要是能够让其占据优势的根瘤菌不携带效应子就好了’，这成为了这项研究的起点。”

西田研究员表示：“大豆在全球范围内广泛种植，随着需求的增长，其播种面积也在不断扩大。我认为，未来通过应用本研究的成果，有望减少大豆田间的温室气体排放量，为抑制全球变暖作出贡献。”

原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部

【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Genetic design of soybean hosts and bradyrhizobial endosymbionts reduces N₂O emissions from soybean rhizosphere
DOI：10.1038/s41467-025-63223-6.