廣西農業科學院第二批青年拔尖人才系列報道之二十六

李長寧：甘蔗生產氮肥科學減施，促進甘蔗產業高質量發展

2012年9月獲得廣西大學農學博士學位后，同年12月進入廣西農業科學院甘蔗研究所，加入甘蔗生物固氮研究團隊，李長寧繼續著他與甘蔗生物固氮與遺傳改良研究的不解之緣。

甘蔗是我國最主要的糖料作物，目前每年種植面積約140萬公頃，年產糖料蔗約1.08億噸，位居世界第三。但我國傳統觀點認為甘蔗生長周期長，需肥量大，因此生產中肥料特別是氮肥用量非常大，一般每公頃施氮肥450-750公斤，約是巴西氮肥用量的8-10倍，世界平均施氮量的2倍以上，且傳統的“三攻一補” 施肥法耗工費時，是我國甘蔗生產成本高，缺乏競爭力的重要原因之一。

經過對比，李長寧所在團隊研究發現，在甘蔗生產強國巴西，施少量氮肥的同時，卻能保持連年高產且土壤肥力不減，究其原因，是對甘蔗聯合固氮的充分利用，一些廣泛種植甘蔗品種的生長得益于生物固氮而大大減少對化學氮肥的需求。

“我國甘蔗是否普遍存在生物固氮，表現如何？有哪些固氮菌起作用，及其多樣性如何？其作用機制和效果如何？都不清楚。研究闡明這些科學問題，在生產上利用其特性，把甘蔗生產的氮肥用量減下來，并改進施肥技術，降低用工成本，是我們團隊研究的出發點和落腳點?！崩铋L寧說道。

針對上述問題，在導師李楊瑞教授的帶領下，聯合浙江大學安千里、廣西大學楊麗濤教授，甘蔗生物固氮研究團隊經過近20年的攻關，已取得了較大的進展。

一是運用多技術手段發現并確證我國甘蔗主產區生態條件下普遍存在甘蔗聯合固氮特性，探明了甘蔗全生長期的固氮規律，苗期適量施氮肥顯著促進甘蔗生長，伸長期不施氮可誘導甘蔗高效聯合固氮，超量施氮則嚴重抑制聯合固氮作用。二是分離獲得1500多株固氮菌并進行鑒定分類，建立我國唯一的甘蔗聯合固氮菌資源庫，探明不同氮水平、溫度、pH值等顯著影響固氮菌生長和固氮酶活性，發現土壤生態條件顯著影響甘蔗內生固氮菌多樣性，發現固氮菌還具有分泌生長素、抗生素，溶磷、解鉀、拮抗病原微生物、降解農藥等促植物生長功能。三是探明了內生固氮菌定殖甘蔗的方式，發現甘蔗優勢固氮菌的聯合固氮和促甘蔗生長作用，揭示了固氮菌促進甘蔗生長的生理機制和生化基礎。

基于研究發現的甘蔗聯合固氮規律及固氮菌作用特點等，李長寧所在團隊主要從四個方面對甘蔗生產進行氮肥科學減施。一是充分利用甘蔗聯合固氮特性，改進甘蔗施肥方法。目前已經創建了誘導甘蔗增強聯合固氮的栽培新技術，該方法只在甘蔗生長早期一次性施用適量氮肥，并加強水肥管理，攻苗、攻蘗促長，以快速形成合理群體；中期保水控氮，誘導甘蔗聯合固氮，可大幅降低化學氮肥的施用和用工成本。通過在不同甘蔗產區設置示范點和示范區，開展多層次的技術培訓，誘導甘蔗聯合固氮的方法得到了普及應用。二是甘蔗氮高效利用品種（種質）的篩選利用?；诓煌收峄蛐偷穆摵瞎痰匦圆町?，應用葉片死亡數，功能葉數、葉色，植株拔節比率，株高等形態性狀指標，建立低氮脅迫選擇指數，進行耐低氮脅迫種質篩選，先后得到了40多個聯合固氮能力較強的甘蔗品種（種質）。通過種植固氮能力強的優良品種，應用誘導甘蔗聯合固氮的栽培方法，試驗表明，在保證高產穩產的基礎上，最高可降低氮肥使用量75%，并提高蔗糖分0.58%（絕對值）。三是優勢固氮菌的資源化利用。通過解析廣西甘蔗體內固氮菌和功能固氮菌的多樣性，獲得核心功能固氮菌，建立研究核心功能固氮菌與甘蔗聯合固氮的新模式系統，為甘蔗接種內生固氮菌讓甘蔗受益于生物固氮而節省氮肥施用，降低甘蔗種植成本。四是甘蔗氮高效利用基因的遺傳改良。通過高通量測序和基因克隆，近些年已獲得甘蔗氮代謝關鍵酶基因（NR、NRT、NiR、GS1-1、GS1-2、GS2、AlaAT、Gln、Fd-GOGAT、NADH-GOGAT等）的相關序列及其時空表達信息，為甘蔗“減肥增效”的遺傳改良提供了重要的基因資源。

經過近20年的研究與探索，李長寧所在團隊已成為國內開展甘蔗生物固氮研究時間最早、持續時間最長的研究團隊，團隊先后獲得14項國家自然科學基金，還有廣西八桂學者、創新團隊、特聘專家等一大批科研項目的支持，團隊先后發表論文104篇（其中SCI收錄28篇），授權國內發明專利5項，美國發明專利1項，實用新型專利36，軟件著作權48項，部分研究成果已榮獲2022年度廣西自然科學獎二等獎。

“即便獲得了豐碩的研究成果，但我們還有許多需要解決的科學問題。如田間甘蔗聯合固氮是甘蔗與多種固氮菌聯合進行的，但甘蔗聯合固氮核心菌群的組成及其變化還有待我們進一步研究揭示；除聯合固氮作用外，如何進一步資源化利用甘蔗固氮菌的其他促植物生長功能還有待進一步研究；更新‘施肥越多越好’等傳統栽培觀念還有很多工作等著我們去做?？傊?，我們希望能為甘蔗生產氮肥科學減施這條路不斷添磚加瓦，促進甘蔗產業高質量發展?！币殉砷L為團隊負責人的李長寧說道。

李長寧在進行固氮菌促生作用調查

李長寧在進行固氮菌株形態觀察

院辦公室  薛臣藝供稿/李長寧供圖

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