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陈文新:因为专注 “微小”里才有了“大发现”

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2009年05月24日 09:00 农博网

  陈文新,中国科学院院士,土壤微生物学家、细菌分类学家,中国农业大学生物学院教授。1926年出生于湖南省浏阳市。1952年毕业于武汉大学农学院土化系。1958年在苏联季米里亚捷夫农学院获副博士学位。回国后一直在北京农业大学(现在的中国农业大学)从事微生物学教学和科学研究。2001年当选为中国科学院院士。

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  陈文新的娓娓解说和她随手画出的图解及用几支笔摆出的示意图,是那样清晰、明了、易懂,让记者如饥似渴地把那些关于豆科植物、根瘤菌和土壤的普通常识及专业知识全部都记在了脑子里;她所描述的诸多研究成果和田间实验结果,让记者惊讶而欣喜地发现,那小得连我们的眼睛都看不见的根瘤菌,竟然可以有那样大的作为。

  30年专注基础研究

  “真正把该项研究系统地做起来,是在1980年,至今将近30年。”

  “大部分豆科植物都可以结根瘤。为什么?因为土壤中有根瘤菌。”像给学生讲课,陈文新这样开始了与记者的谈话。

  土壤中的根瘤菌遇到合适的豆科植物,通过信息传导,植物的根毛将菌卷起来,细菌进入根的内皮后形成根瘤,并在瘤中生长繁殖,变成类菌体,将大气中的游离氮还原成氨,供宿主植物作氮素营养,剩余部分还可以通过根部分泌到土壤中,供其他的植物吸收使用。这就是根瘤菌的固氮作用的重要所在,也是自从19世纪人类发现了根瘤菌以来,对它已经进行了100多年的研究,至今仍热情不减的原因————那是纯天然的氮肥,没有任何污染,是帮助我们解决因化肥越施越多而造成的土壤问题和由此带来的环境恶化等问题时可采取的有效措施之一。

  虽然当时的人们认识并没有这么清晰,但陈院士考虑其重要性,还是选择了根瘤菌作为自己的研究方向。

  那是1972年,结束了“下放”,时为北京农业大学教授的陈文新和同事们一起回到北京。“"文革"当中,一切都被搁置起来。学校里没有学生,校舍全部被外单位占用,但幸运的是给我们系的老院士俞大绂留有一个实验室。”陈文新说。闲不住的教授们聚在一起商量,没有学生教,我们可以搞些实验,做些研究呀!于是,大家又商量决定做生物固氮研究,每人可选择一个与自己教学内容相近的题目做。“我因为是学土壤微生物专业出身,所以就选了"根瘤菌资源与分类"这个题。但是真正把这个项目系统地研究起来,是在1980年,至今将近30年。

  此前,国际上对根瘤菌仅以其宿主植物的名称命名,刚开始做了少量分类研究。而陈文新在确定以做根瘤菌资源和分类为研究方向伊始,就决定采用当时国际上最先进的细菌分类技术————数值分类及分子生物学分析等,努力从基因水平上去了解细菌之间的亲缘关系,从而获得自然分类的结果。“科学研究,尤其是自然科学研究,一定要找到一个好方法,"工欲善其事,必先利其器"!”陈文新说。

  根瘤菌研究做起来相当烦琐而枯燥。首先要大量采集根瘤菌资源,然后对样本进行100多个性状的统计分析,再找出与其他根瘤菌样本之间的相互关系。

  30年来,陈文新联合全国20多个单位的同行,并领着同事和学生们走遍祖国的山山水水,对各省区市的不同生态条件下的各种豆科植物结瘤情况进行挖掘调查,共调查了600多种豆科植物,其中300多种是过去未见结瘤报道的。在此过程中他们建立起两个库:一是目前世界上最大的根瘤菌库,保存有8000多株经分离、纯化并回接原宿主结瘤确认后的根瘤菌;另一个是世界上菌株数量最大、菌株性状信息最丰富的根瘤菌资源数据库。

  与此同时,陈文新课题组还描述并发表了两个根瘤菌新属和华癸中慢生根瘤菌等25个新种,占1984年以来国际上所发表根瘤菌新属的1/2,新种的近1/2,对建立根瘤菌系统发育树作出了重要贡献。她还从根本上修正了根瘤菌“宿主专一性”的传统观点,确证了豆科植物根瘤菌“共生多样性”的概念。即一种植物不只与一种根瘤菌共生,而是在不同生态条件下能与多种根瘤菌共生固氮。进而提出,在新区种植豆科植物进行根瘤菌接种时必须针对生态环境及宿主植物品种两者,选择最佳匹配的根瘤菌,而不是只考虑与宿主某个种的匹配即可。

  陈文新课题组的成就在国际根瘤菌研究领域占据了很重要的位置。他们的论文有50多篇被权威的国际科技文献检索系统SCI收录,被引用达400多次;1996年,她被国际同行推选为国际根瘤菌/土壤杆菌分类分委员会委员;1998年,她受邀撰写了《伯杰系统细菌学手册》第二版的根瘤菌部分内容。

  转向实际应用

  “我一辈子都在研究根瘤菌。但前30年是在做基础研究,今后要在继续基础研究的同时,开展应用研究,希望把豆科植物接种根瘤菌的事业在国内推广。”

  1999年,国家提出西部大开发战略后,陈院士觉得自己多年的研究成果有了用武之地。她和其他两位院士与专家联合提出书面建议,倡议在西部扩种豆科植物,接种根瘤菌,让根瘤菌生产规模化、产业化。“西部土地贫瘠、干旱,要退耕还林还草,一定要多种固氮的树与草。这样既可以增强土壤肥力,又可以减少化肥使用,不会破坏环境。”她说,“我前30年都是在做基础研究,今后要在应用方面多投入一些精力了。”

  正是基于这样的认识,陈文新开始格外关注研究成果的实际应用和推广问题。

  在最近几年的实践中,陈文新偶然发现,不仅豆科植物可以通过固氮作用为与之间作的禾本科植物提供养分,反过来,禾本科植物还可以帮助豆科植物排除所有固氮生物都会遇到的“氨阻遏”的障碍,并促进其更多地固氮和生长。

  这个发现让陈文新很是兴奋,因为几十年来国内外不少科学家试图解决“氨阻遏”问题,但一直未能取得可用于生产的成果。陈文新这个豆科与禾本科间作可排除“氨阻遏”障碍的看法,已经学校的同行用15N标定的氮肥实验所证实。更让她兴奋的是,在她课题组所做的豆科苜蓿与禾本科无芒雀麦间作的田间实验中,苜蓿的产量高出单种的一倍,而无芒雀麦的产量则高出单种的70%。“也就是说,原先的1亩地现在可以当作1.85亩地使用!”这对于我们这样一个农业和人口大国,无疑有着非常重大的意义。

  兴奋之余,陈文新依然保持着一个科学家惯有的冷静和求实态度:“这显然不只是突破了"氨阻遏"障碍,可能是禾本科植物的分泌物帮助了豆科植物,促使其更多地固氮。”但到底是怎么回事?现在,陈文新正积极组织力量,从分子分析入手对此进行研究,希望能早日了解这个分子机制。她感慨地说,“我已经82岁了,还能干几年?我现在最迫切要做的,一是搞清楚禾本科植物是如何帮助豆科植物更多固氮的;一是希望把豆科植物接种根瘤菌在国内推广。”

  陈文新说,现在人们对根瘤菌的资源优势转化为生产优势还缺乏充分认识。为此,她已经向上级提出建议:充分利用豆科植物根瘤菌共生固氮作用,优化我国农牧业种植系统,以减少化肥用量,改善土壤性状,减少环境污染,促进我国农业的可持续健康发展。

  土壤改良的解决之道

  “恢复使用有机肥,无机有机结合施用;积极发展生物肥;发展豆科、禾本科间、套、轮作,优化种植制度。”

  尽管此前的谈话中已经不止一次涉及土壤问题,但记者还是希望陈文新能够为当前我国因过量施用化肥而造成的土壤问题给出一个总的解决之道。

  对此,陈文新的思路理智而清晰。

  “首先,要恢复使用有机肥,比如植物秸秆、牲畜粪尿等。现在有些地方采用"秸秆覆盖免耕"的方法,这个办法很好,不仅可以养土、保墒,还可使土层加厚,使土壤肥力提高。这里要注意的一个问题是:减少施用化肥,并不是不施用化肥————光施有机肥,养分不够,且可能造成土壤微生物与作物争肥,故必须与化肥适量结合,充分调动土壤微生物活性,加强其对养分转化与保存的作用。”

  陈文新说,化肥太多了,植物用不了,就会流失,渗入地下水,进入江河湖海,同时挥发至大气中,从而造成环境面源污染。此外,化肥太多,强迫植物过多吸收,沉淀在其中,也会对人、畜健康产生危害。

  “第二,积极发展生物肥。比如,种植豆科作物就不用施用化肥,只接种根瘤菌就够了。”陈文新说,目前美国种植的4大作物中就有大豆(资讯,行情)、苜蓿两种属于豆科,根瘤菌接种达50%以上。所以从上世纪90年代起美国化学氮肥施用量逐年递减。很多发达国家及一些发展中国家都大幅度增种豆科作物并接种根瘤菌,氮肥施用量都在不断减少,只有中国仍在大量增加。

  据估计,全球总固定氮量中仅有25%是人类工业生产的氮肥,多达70%的化合氮由固氮生物提供,其中根瘤菌与豆科植物共生固定的氮占到65%。“充分利用豆科植物的固氮作用,接种根瘤菌,减少氮肥使用量,便可以减少化肥的生产。我们都知道化肥生产是一个高耗能、高污染的产业,减少化肥生产既节能又减排,而农作物的产量也不会因此而降低,何乐而不为?”

  “第三,发展间、套、轮作,优化种植制度。”陈文新说,间、套、轮作的种植方式实际上是中国农民在几千年种植实践中发展起来的,但现在国外采用非常普遍,我国采用的反而少了。目前我国农业生产过程中存在的一大问题就是“单一种植”。单一种植的最大问题是病虫危害,因为单一作物分泌的物质相同,土壤里的微生物多样性降低,有利于某些病菌发展,因此病虫危害日益严重。

  解决这一问题的有效方法,就是采取轮作、间作的种植方式,同时在其中多增加一些豆科植物的比例。这样,土壤里的微生物区系变化了,病虫害发生的几率就减少了,而豆科植物通过固氮作用可为作物提供氮素养分,化肥的使用量也可大大降低,并且,间、套、轮作可以增加单位面积产量,粮食安全更可得到保障。这也是被发达国家的实践证明了的。因此,陈文新正在组织学生做田间种植实验,并多点重复。她说,“通过大量的栽培实验,让大家亲眼看到间作、轮作的良好效果,这样大家眼见为实,自然就会跟着学了。这就是科技的引领作用。”

  “我们使用农药也很多,那农药污染问题怎么解决?”记者追问。

  “病虫害少了,农药使用量自然就会减少。另外,我们已有科学家研究、使用一些能降解农药的微生物,可以降解由长期积累的剧毒农药。”

  “真的?!”记者感慨自然界的神奇。

  陈文新微笑道,“别小看微生物,它的作用巨大!它可以分解大量的废异物,也可把没用的转化为有用的。”

  兴趣和坚持最重要

  “兴趣和坚持最重要。有兴趣才能坚持下去。我对发现新事物总是有兴趣;而一旦认定了方向,就必须坚持下去。”

  在陈文新的书房一角,摆放着一块黑色花岗岩石板,背面刻着她多年来的研究成果:根瘤菌系统发育树状图,也就是根瘤菌的“族谱”。正面刻着一张中国地图,上面点满了密密麻麻的小点。陈文新说这是几年前学生们送给她的,“那些小点都是我们去采集过根瘤菌标本的地方所在的县。现在当然又增多了———这几年又去过一些地方,还在不断地有针对性地收集资源。”陈文新说,“我们搞自然科学研究的,就得不停地做。”她的表情很轻松。

  陈文新的一位学生说,根瘤菌分类工作可以用10个字来概括———“采集很辛苦,实验很枯燥”。相较于在实验室里分离、培养、观察、分析数据等工作的烦琐和单调,在野外甚至人迹罕至的荒山僻岭之中采集标本,无疑充满艰辛甚至危险。

  就是这样的工作,陈文新毫无怨言、乐此不疲地一干就是30年。她说,“兴趣和坚持最重要。有兴趣才能坚持下去。我对发现新事物总是有兴趣;而一旦认定了方向,就必须坚持下去,不能半途而废。”我国国土辽阔,地形复杂、资源丰富,几乎占有了所有的气候带,各地的生态环境、土壤条件不同,植被异常丰富,豆科植物也不少,全世界共有豆科植物1.9万余种,我国就有1400种至1500种。“资源丰富,做的越多,发现就多,每每令人惊喜。而发现越多,兴趣也就越大,越能激发起发现更多的欲望。”

  另一个鼓舞陈文新献身科学的巨大动力,是毛泽东主席的鼓励和嘱托。她说,“毛主席很重视农业,也很了解农业。他知道我是学农的,很是高兴。他鼓励我要为人民和国家做一些有益的事。”毛主席的鼓励和教诲,以及自己对他老人家做过的保证,已经成为陈院士一生的工作动力,一直鼓舞着她将自己的一生献给祖国的农业科学事业。

  即将和陈院士告别的时候,她欣然问记者,“我是退休以后才当选为院士的,你知道我为什么愿意当院士吗?”不等记者说话,她莞尔一笑————“就是为了能继续搞我的研究!”

(文章来源:中国经济网)

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