自從德國化學家發現了從空氣中提取氮肥的方法后，人類就開始利用化肥這種產品幫助作物生長。化肥雖然能夠幫助農作物生長，隨著科學的進步，其不良影響也越來越小，但是這種方法仍然存在一些缺點：化肥的生產每年消耗全球3%的天然氣;會排放大量溫室氣體;造成水資源污染。可以說這種依賴化石燃料生產化肥的方式并不符合可持續發展的要求。但目前要想解決全球90億人口的溫飽問題，化肥又非用不可。

了解到研究人員設計了不少解決這一問題的方法，其中是在人類的飲食結構中添加大量豆科植物。豆科植物有個特點，他們可以為自身制造化肥，這一過程不會對氣候造成破壞。

豆科植物可以為一種能給將氮素固定的細菌提供寄宿。這種細菌進入植物的根毛并形成點狀結構，就開始將土壤中的氮元素合稱為氨。氨是植物進行光合作用的重要養料，而大多數主要農作物(大麥、水稻、玉米)都不能為氮素固定細菌提供寄宿，所以這些作物都需要人造化肥。

其實除了施肥，還有另一種方法：培養出不僅具有強大氮素固定能力，還能在任何植物根部生長的細菌。這樣的話，只要將它們涂抹在種子上，就可以省去種植中的大量化肥。以往的科技水平不足直接研制這種細菌，但隨著生物科技的不斷發展，現在人們又希望通過基因工程直接“設計”出這樣的細菌。

專家表示目前離成功還有很遠的距離，首先要確認那些基因對固定氮元素有影響。這一步會就比較困難，因為目前為止，研究人員并沒有土壤中細菌的染色體圖譜作參考，不過一旦這種篩查完成了，研究人員就可以利用這些基因來設計并合成新的細菌進行進一步探索。

如果一切順利，最終研究人員將研發出一種能夠結合氮素固定能力與擁有種子表面吸附能力的細菌。這種細菌會有很多特點：能夠離水存活很久，并能在重新接觸水時再次充滿活力;能夠在培養皿中成長;還能被批量生產。

不過雖然計劃是美好的，但是完成最后一步前需要面對很多的困難。氮素固定并不是一個簡單的過程，再將氮素轉化成氨的過程中，至少有20個基因與這個過程利用的蛋白質直接相關，而其中的新陳代謝過程相關的蛋白質還會牽扯到更多的基因。就算搞清楚這一過程，細菌如何與植物及周圍土壤相互作用也將使得下一步變得困難重重。最不好的結果是，豆科植物與寄生的氮素固定者細菌是經過百萬年進化的結果，而這一關系有可能根本無法在其他農作物上重現。

所以完全確定與氮素固定相關的基因，并在設計的細菌上重建這一過程并非易事。所幸的是，如果能設計出適合所設計的細菌成長的環境，生物的進化趨勢就會幫助研究人員實現目標。