氮、磷、鉀是肥料三要素,其中以氮肥為首。你知道農民施下去的氮肥,究竟是如何被植物吸收的?植物若缺氮會病懨懨,那為什麼氮肥施多了,反而沒效?到底怎樣才是最有效率、最精準的施肥法?

這些問題的終極答案,必須回到分子生物學的領域來解答,而國內研究植物吸收氮肥分子機制的第一把交椅,就是中央研究院分子生物研究所的特聘研究員蔡宜芳。

溫煦謙和、思路明晰的蔡宜芳老師,投入這個領域的研究已將近三十年,深知氮肥的「美麗與哀愁」。美麗是,氮源是植物健康生長之絕對必須,營養充足的作物才會好吃;而哀愁是,農民往往過度施肥,導致大量氮肥遺留在土壤中被沖刷流失,造成嚴重的環境污染和能源耗竭。

中研院特聘研究員蔡宜芳,解開植物吸收氮肥的分子機制之謎(攝影/蔡佳珊)

施肥過量就是浪費能源,氮肥製造耗能占全球1%

「我們施下去的氮肥,真正被植物吸收只有30-50%,這樣多浪費!」蔡宜芳開門見山道,「有人估說一塊錢的肥料,要用四塊錢去clean up(清理)環境的問題。」

蔡宜芳解釋,氮肥的來源,最早是鳥糞,來自秘魯的欽察群島。再來是開採天然硝石,主要來自智利。最後由德國科學家哈柏(Fritz Haber)和工程家博施(Carl Bosch)將氮氣和氫氣混合,透過高溫高壓加上以鐵作為催化劑,合成了氨氣,進而製造氮肥,這就是有名的「哈柏法」。綠色革命後,肥料需求暴增,硝石很快就被開採光了,幸虧有哈柏法可以人工合成,解決了氮肥短缺的大問題,兩人並因而獲得諾貝爾化學獎。

氮氣在空氣中佔了78%,氮肥的原料看似源源不絕、從此無缺,然而高壓高溫的製程,卻需要耗費大量能源。蔡宜芳說,「全球有1%的能源都花費在製造氮肥上!」但是農夫施肥時,很少人會想到自己正在「耗能」。

蔡宜芳指出危機,「能源越來越珍貴,但是氮肥需求一直增加,每年超過一億噸,預估將來還會上升。」未來能源愈加昂貴,氮肥的價格也會跟著逐年上漲,而肥料佔農業支出的比重恐會與日俱增。

氮肥浪費,導致水域優養化又增加溫室氣體

「錢的問題、能源的問題都還可以解決,最不能解決的是環境的問題,」蔡宜芳強調,大部分的氮肥沒辦法被植物利用,還會產生一氧化二氮,是比二氧化碳更強烈三百倍的溫室氣體。

而且殘留在土壤中的氮肥,很快就被雨水沖刷流失,經地下水、河川流到海洋,造成沿海優養化,即養分過多、藻類大量增生,使得水域缺氧,魚蝦全部死亡。全球許多海岸的「死區」(Dead Zone),即由此而生。

全球缺氧海岸地圖(圖片來源/WRI)

農委會長年在推「合理化施肥」,不過絕大多數的農夫還是覺得「有氮有保庇」,養成了「寧濫勿缺」的施肥習慣。然而氮肥施用會有「報酬漸減」的效應,卻經常被忽略。

「一開始加氮,確實產量有增加,可是到了某個程度,再增加氮,產量並不會繼續增加。這是農委會一直要告訴農夫的,但是農夫不願意產量差那麼一點,一定要加到最滿。」

蔡宜芳鑽研植物吸收氮肥的分子生物機制,即是為了探究:如何讓植物的利用效率達到最高?是不是就此可以減少氮肥的浪費?

植物到底如何吸收硝酸鹽?揭開謎團:神奇的轉運蛋白

除了少數植物可以與固氮菌共生,大部分植物利用氮是透過硝酸鹽和銨鹽,也就是氮肥主要的兩種形式。而銨鹽在土壤中大都會被細菌轉為硝酸鹽,所以硝酸鹽就是植物最主要的氮源。

但是硝酸鹽帶負電,土壤粒子也是帶負電,互相排斥,因此硝酸鹽在土壤中其實很不好保存,植物來不及吸收時,一下雨就會被沖刷掉。

植物到底如何吸收硝酸鹽?蔡宜芳的研究團隊發現,關鍵就在於植物根部的表皮細胞和根毛,其細胞膜上面有一個轉運蛋白,稱為CHL1。

「細胞膜是超級材質,像一層薄薄的油把細胞包起來,但是細胞又不能太宅,要跟外界做物質交換,所以膜上面有洞,就是蛋白質,」而負責把硝酸鹽從細胞外面送到細胞內部的,就是這個CHL1轉運蛋白。

蔡宜芳解釋,植物對於氮肥有兩套吸收系統:低親和性和高親和性。當外面硝酸鹽濃度高,就啟動「低親和性」系統,大量把硝酸鹽吸收進來儲存,有需要再用。若遇硝酸鹽含量低時,譬如雨水沖刷過後,植物就啟動「高親和性」系統,很努力把殘存的任何一點硝酸鹽都吸進來。CHL1轉運蛋白很厲害,會自動轉換親和性高低,把硝酸鹽運送到植物當中。

植物的兩套硝酸鹽吸收系統(圖片提供/蔡宜芳,重新繪圖/上下游)

但是誰來負責偵測外面硝酸鹽的濃度高低呢?蔡宜芳的研究團隊找了好久,最後驀然回首才發現,竟然也是這個CHL1!她生動譬喻,「CHL1就像舌頭一樣,幫植物偵測土壤中的晚餐好不好吃。」

原來CHL1身兼數職,既是搬運工(運送硝酸鹽),也是守門員(偵測),還是傳令兵(把硝酸鹽含量訊息傳到細胞核)。蔡宜芳解說,「根的生長、種子的休眠、氣孔的開關、葉子的生長,都受到硝酸鹽的調控。」

短期大量施肥NG,少量多餐才是王道

那麼,氮肥到底要怎麼給,最有利於植物的生長?「少量多餐、細水長流」,是蔡宜芳給農民的懇切建議。

因為實驗發現,給予高劑量的硝酸鹽,植物的基因表現量很快飆高,但是也很快就降下來,而且持續低迷,但給它低劑量的硝酸鹽,基因表現量也會升高,接著略略下降後,會再持續升高,而且一直上升!

硝酸鹽的濃度在短期和長期有相反的效果(圖片提供/蔡宜芳,重新繪圖/上下游)

這個發現符合氮肥的報酬漸減律。蔡宜芳解釋,這就是植物的調節機制,當硝酸鹽濃度持續很高,植物會承受不了,就會把接收的功能關掉。換句話說,把時間拉長來看,持續提供植物少量的硝酸鹽,吸收的效率反而比一次投入高量硝酸鹽要來得好。

因此蔡宜芳認為,台灣農地面積小,農民若時間和能力許可,應以「少量多餐」的方式來施氮肥,避免植物一下子無法吸收而浪費。此外也可以多使用有機質肥料,「有機肥的好處就是慢慢釋放,比較不會迅速流失。」不過她也提醒,使用有機肥,土壤的菌相要夠健康,因為是靠菌來把有機肥轉換成植物可以用的東西。

掌握環境與作物條件,聰明「減肥」不是夢

蔡宜芳表示,因為氮肥有50-70%都流失,「要農民少施30%的肥,是絕對有空間的。」她也指出,政府對農民的補貼有一部分是化肥,肥料便宜就會多用,其實對環境「很傷」。

農民要精準施肥,必須要很清楚自己田區的天候、光照、土壤、作物種類等條件。譬如氮肥有分硝態氮和銨態氮兩種形式,哪一種的吸收效率高,要看土壤的酸鹼值而定。蔡宜芳說,土壤酸鹼值中性的時候就1:1,鹼性就銨態氮高,酸性就硝態氮高,不過這還要看作物,不同作物的需求又不一樣,農民必須要綜合判斷,決定兩種肥料的最佳比例。

蔡宜芳的研究找出關鍵的硝酸鹽轉運蛋白和基因組後,讓其他國家的學者得以藉此延伸。譬如中國的研究就發現:秈稻的氮肥利用率比稉稻來得好,其中差異就是這個CHL1轉運蛋白,在秈稻和稉稻上有一個胺基酸的序列不同。

領先群倫找到關鍵基因,改寫教科書

「其實在我十歲的時候,這個突變株就已經存在了,」蔡宜芳笑談自己畢生投入植物與氮肥研究的因緣,原來荷蘭的研究團隊早就發現了無法吸收硝酸鹽的阿拉伯芥(生物學常用的模式植物)突變株,但是當初的科學技術,無法找出是哪個基因出問題。直到她念研究所時,分子生物技術剛出來,「我開始想用這個技術找出基因。」

但研究過程並非一帆風順,「有一天我老闆跟我講說,你這個題目可能要停下來,因為他聽到這個技術不是這麼成熟,害怕我做不出來,好在我那時候沒有停。」蔡宜芳心裡雖然惶恐,仍堅持繼續做下去,花了三年時間,終於成為全球第一個找出植物吸收硝酸鹽關鍵基因的研究者。

蔡宜芳的研究還改寫了教科書。以前的教科書都說硝酸鹽只在木質部輸送,但是她的實驗證明,植物會把老葉的細胞所儲存的硝酸鹽,利用篩管輸送給年輕的新葉,就像阿嬤餵孫子一樣。「這種局部的硝酸鹽重新分布是靠篩管,也就是韌皮部在輸送。」她回憶,因為這研究結果顛覆了過去教科書內容,剛開始並不被學界認同而吃盡苦頭,「所以我們比別人做了多兩倍的實驗,證明我們的理論是對的。」

蔡宜芳介紹實驗室裡的阿拉伯芥(攝影/蔡佳珊)

植物是最勇敢面對問題的人,深藏大智慧

「其實研究人員都有一點賭性,押寶押押看 ,科學這條路的競爭其實是非常激烈的,怕題目被別人做掉,這種恐懼感隨時存在,所以抓到一個題目就要趕快衝,才有辦法搶第一。」在去年榮獲台灣傑出女科學獎的蔡宜芳,侃侃說起三十年研究歷程的酸甜苦辣。

原來在嚴謹的學術訓練下,是滿腔求知的熱血,「我喜歡去挑戰,找一個新的東西,然後你發現了,那種回饋和成就感是很難形容的,就很開心再去找下一個問題在哪裡。」她正色道,「研究人員要熱愛真理,否則很容易走偏,被利益沖昏頭。」

支持她的力量,還有對於植物由衷的喜愛。蔡宜芳從小就很喜歡走入森林的感覺,「其實是很浪漫的想法,一點都不科學。」而且她越研究,就越發現植物的可敬之處。

「植物不會動 ,它要把所有錦囊妙計想清楚,什麼環境要拿出什麼牌來。」蔡宜芳說,植物跟動物不一樣,動物的策略是誰跑得最快,就可以活下來,「植物跑不掉,所以它是最勇敢面對問題的人,永遠不逃避問題,面對它、處理它,所以植物要有勇氣,還要有智慧。」

而從動物的角度出發,也要好好感謝植物,因為我們身體蛋白質中有一半的氮,都是從植物而來。動物只能利用有機氮,而只有植物能夠將環境中無機的氮源轉變成有機的氮源,提供給動物。

在蔡宜芳看來,植物也有感覺,譬如它一旦受傷,「鈣的訊號就在浮動,好像說痛死了痛死了!」常言道:萬物皆有靈,在這位實事求是的科學家眼中,浮現的可是分子生物層次的獨到詮釋。

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