找「好話題」，落實核心素養
《普通高中課程方案和語文等學科課程標準（2017年版）》已正式頒布，對於如何在課堂中實現對學生的核心素養的培養將是未來幾年需要解決的重要課題。
而找到「好話題」，在現實的問題情境中讓學生學習運用科學思維、開展科學探究、明確社會責任並逐步建立成體系的生命觀念是一個值得嘗試的途徑。
今天的內容就給大家介紹一個的「好話題」!
限制作物產量的各種營養元素中，氮是對人工添加依賴程度比較高的。化學合成的肥料（化肥）是供給農作物氮元素的主要來源。
在發達國家，化肥在農業中的廣泛使用具有極大的經濟和環境成本。而在一些發展中國家，不能施用足夠的化肥則導致作物產量低下，進一步導致饑荒和營養不良等問題。
一些豆類植物根系中具有共生的根瘤菌能幫助植物獲取珍貴的氮元素，但大多數植物卻不具備這樣的好同伴。
個別植物生活在極其貧瘠的環境中會演化出捕捉昆蟲以獲取氮元素的能力，比如捕蠅草。（《愛神陷阱》最佳主角：捕蠅草！）但要讓農作物採取捕昆蟲補氮顯然是不合理的做法。
因此，如果可以將植物通過基因工程的方法設計成能直接從空氣中固定氮氣，那所有上述的問題都能迎刃而解！
昨天出版的《Science》雜誌上就有一篇文章探討了獲得轉基因固氮作物已有的工作基礎、存在的問題與障礙以及其未來的前景。
文章中不單提到了當前與生物固氮有關的科學發現，還提到了要成功得到轉基因固氮植物所有待解決的幾個重要的生物學難題，以及在實驗室中得到相應植物與農業上推廣之間存在的問題。
文章還對化肥使用所帶來的的經濟、環境成本與轉基因固氮植物的研發投入進行了比較，提出如果科學共同體能確立共同研究的有價值模式生物，開展集中的科研攻關，政府提供足夠的支持，在未來將有望獲得真正安全且有推廣價值的轉基因固氮作物，而這將帶來巨大的經濟和環境效益。
下面分別介紹一下幾個相關的內容。
首先是「轉什麼？」和「轉給誰？」
上圖是文章中提到的得到轉基因固氮作物的基本思路，基本思路就是找到細菌中進行固氮的酶，並研究清楚固氮活性所必須的基因序列，通過將相關基因導入到煙草、油料作物或者水稻小麥等主要的糧食作物中，以找到有實際應用價值的作物。
當前被研究的最充分的固氮酶是molybdenum (Mo) nitrogenase（鉬固氮酶），在大腸桿菌中要獲得有生物活性的鉬固氮酶需要以下幾段基因序列：分別是編碼Fe和MoFe蛋白的三個基因nifH，D和K，幫助組件正確摺疊的伴侶蛋白基因nIfM，電子轉移蛋白基因nifF和J，以及輔酶裝配蛋白的基因。
「為什麼要轉？」
前文已經提到化肥使用所帶來的問題，這裡再列舉幾個數字。
全球每年使用的化肥直接經濟成本約為1000億美元，而環境成本更高。
單在美國，農業相關的氮污染導致的環境成本高達1570億美元，而氮化肥的使用還會加重溫室效應，每年約有1%的氮化肥會以氮氧化合物氣體形式被釋放到大氣中，效果相當於釋放了3億噸二氧化碳到大氣中。
成功推廣轉基因固氮作物，由此減少氮化肥的使用，將帶來極大的經濟與環境效益。
「離成功，我們還缺些什麼？」
讓固氮酶相關基因在有經濟價值的作物中成功發揮作用還有若干問題要解決。比如前面的原理圖中提及的固氮的直接產物是銨離子，對於植物而言，高濃度的銨離子是有毒性的，讓植物能有效地轉運銨離子並順利合成低毒無毒的並能用於其他重要化合物合成的含氮物質是當前要克服的一個重要難關。
在植物細胞內正確定位固氮基因及其產物發揮作用的場所也十分重要，到底是該把基因整合到核基因組讓相關蛋白質在細胞質基質中發揮作用，還是定位到線粒體或者葉綠體中更好，這也是值得研究的問題。
科學界儘快對模式植物的選擇達成共識也很重要，這樣便於全球科研共同體研究結果的整合和相互借鑒。前文提到的煙草、一些本身不能生物固氮的油料作物以及水稻和小麥都是合適的候選者。
而政府對研究經費的增加則是更為關鍵的一個環節。與化肥的經濟和環境成本相比，全球用於轉基因固氮作物研究的5百萬到1千萬美元之間的經費實在是少的可憐。
當然，轉基因作物廣泛種植的安全性問題也要進行充分地評估以及制定相應的風險控制機制。
最後，就算技術層面的問題得到解決，社會公眾對轉基因植物的接受也是一個一直有待解決的問題。
通過完整地思考與想辦法解決上述問題，無論是教師還是學生，都能感受到在當今社會提升生物學素養的重要意義，以及體會到如何才能提升生物學素養。
期待您的實踐！
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