文／葉綠舒　圖／柯欽耀

科學家發現，有根瘤的豌豆可以成長茁壯。

　人類開始種田以後，慢慢發現：雖然同一塊田地連續種幾年，收穫就一年不如一年，可是如果前一年種的是豆子，不管是綠豆、紅豆還是黃豆，接下來那一年的收穫反而會增加。雖然不知道到底為什麼，但當時的農人記錄下這個現象，並告訴大家，可以一年種豆子，一年種小米或小麥，也就是所謂的「輪作」。

是誰發現固氮作用？

　追溯起來，在中國古書《戰國策》中就提到，六國中的韓國將大豆與冬麥輪作；到了西漢晚年的《氾勝之書》，更提到大豆不宜連作，還提到「豆有膏」，說大豆有肥田作用。宋元之間的《農桑要旨》也提到，桑樹中間種大豆，「明年增葉二、三分」。第一個記錄豆科植物根瘤的人，可能是清代的王筠，他在《說文釋例》中提到大豆的根瘤：「細根之上，生豆累累，凶年則虛浮，豐年則堅好。」

　但真正研究出根瘤是固氮構造的，則是一九八八年後，德國的農業化學家赫爾曼·海里格與赫爾曼·威爾法斯。他們發現，把豌豆種在燒過的土壤中，如果提供土壤沖出液（內含許多細菌），豌豆就會長出根瘤，且成長茁壯；不提供土壤沖出液的豌豆則會死掉。同一年，荷蘭的微生物與植物學家馬丁努斯·威廉·拜耶林克，也在根瘤中發現根瘤菌。

　現在我們知道，根瘤菌生活在土壤裡，也在豆科植物的根瘤中，但根瘤菌怎麼跑到植物的根內，又是怎麼長出來的呢？

固氮作用需大量能量

　首先來看看「固氮作用」是什麼。固氮作用，是把空氣中的氮氣（N2）轉為氨（NH3）的過程。氮氣是非常穩定的氣體，在自然界中，只有閃電的能量夠大，可以打開氮氣中兩個氮原子之間的連結。根瘤菌卻有辦法將氮原子之間的連結打斷，產生氨（阿摩尼亞）。

　不過，因為需要大量能量，所以固氮反應不能在有氧氣的狀況下進行，因為氧氣太活潑，會摧毀負責固氮的酵素。

　根瘤菌生活在土壤中時，因為土壤中有氧氣，所以不進行固氮反應，只有在它們被豆科植物「召喚」後，才會開始進行固氮作用。豆科植物（包括黃豆、綠豆、豌豆等）也不是任何時候都會召喚根瘤菌的。只有在土壤中的氮素不夠時，才會開始分泌一些類黃酮化合物，用來召喚根瘤菌。

　根瘤菌收到類黃酮信號後，會合成一些由碳水化合物構成的結瘤因子；這些結瘤因子被植物根毛上的接受器收到，就啟動一連串變化：使根瘤菌緊密貼在根毛細胞上，根毛細胞開始捲曲，而後根毛細胞的細胞壁溶解，讓根瘤菌可以直接接觸植物的細胞膜。

　接著，根毛細胞內的高基氏體會開始分泌一個個小泡泡，這些小泡泡連接起來就形成感染絲，將根瘤菌導入植物細胞中。

　這時，根部的皮層細胞也產生變化。這些皮層細胞開始加速分裂，而根瘤菌也開始感染這些皮層細胞；等到受感染的皮層細胞外圍出現一層不透氣的外皮與維管束（運輸水分與養分的管線），落戶在皮層細胞的根瘤菌，也變身成完全不同的「類細菌」（失去鞭毛），根瘤就發育完成了。

氮儲存於豆科植物中

　由於根瘤不透氣，所以根瘤菌可以在裡面進行固氮作用；合成的氨，則會被根瘤內部的維管束送走，提供給植物，用來合成胺基酸、核酸與碳水化合物。

　住在根瘤裡的根瘤菌則被植物小心供養，與植物組成一個各取所需的小社會。根據估計，豆科植物每年抓下來超過兩千萬噸的氮，這些氮都被植物小心儲存起來，不會從土壤中流失，也不會造成死亡海域的問題呵！

出處：https://www.mdnkids.com/content.asp?sn=1785