在自然界中，某些原核微生物通过自身编码的固氮酶系统在常温常压下将空气中的氮素转化为铵，这一过程被称为生物固氮。据联合国粮农组织统计，地球上结合态氮总量有70%来源于生物固氮，每年全球微生物固定的氮素量可达2亿吨，约占全球作物需氮量的3/4，相当于工业生产氮肥的3倍多。通过生物固氮为农作物提供氮源、提高产量、降低化肥用量、减少生产成本，是最节能、环保、生态友好的氮素供应方式。

根据固氮菌与宿主之间的互作关系，生物固氮系统可分为自生固氮、共生结瘤固氮和联合（内生）固氮。共生结瘤固氮体系效率最高，固定的氮素100%提供给植物使用，但存在宿主范围窄的缺陷，自然界中仅与豆科植物建立共生关系；联合（内生）固氮菌没有严格的宿主专一性，不需要形成特异的组织结构，可定殖到植物根表或侵入内根际进行生物固氮，在改善禾本科植物，特别是水稻、小麦和玉米等粮食作物的氮素营养方面具有重要的价值，但是其固氮活性极易受外部环境的影响，特别是环境中有机氮的含量（氮阻遏）、氧气的浓度（固氮酶氧失活）以及能量的供应（能量抑制），导致固氮效率不稳定。以上因素严重制约了固氮微生物在农业生产中的应用。

生物固氮是一个世界性的战略研究课题，至今已有130多年历史。自1886年首次发现豆科植物根瘤的固氮功能开始，生物固氮逐渐成为生物学和农业科学的重要研究对象，并成为植物-微生物互作研究的理想模型。我国生物固氮研究始于20世纪30年代，起步较晚，但是发展迅速。特别是近20年来，在国家科技部、国家自然科学基金委等机构的大力支持下，我国的生物固氮研究取得一系列具有国际先进水平的成果，在固氮微生物资源收集鉴定、基因组解析、基因网络调控、固氮菌与宿主互作、固氮合成生物学等方面取得重要进展。国际生物固氮大会先后于2004年和2019年在中国举办，国际非豆科生物固氮会议2014年在中国举办，亚洲植物微生物共生及生物固氮会议2014年在中国举办，彰显了我国生物固氮领域的国际影响力。

合成生物技术被誉为将改变世界的十大颠覆性前沿技术之一，生物固氮等重大农业科学难题的最终解决，必需依靠合成生物学这样的战略高新技术。自2011年起，比尔盖茨基金会资助欧洲的研究团队，开展扩大共生结瘤固氮范围，人工构建非豆科作物结瘤固氮体系的探索性研究工作，其终极目标是实现非豆科C4作物玉米结瘤固氮。我国科学家在固氮合成生物学领域开展了大量探索性工作，在最小固氮酶基因簇构建、固氮元器件功能解析、联合固氮模块设计、共生信号转导和根瘤发育基因回路、结瘤固氮基因回路、广谱结瘤模块水平转移机制等方面取得重要进展。在接下来的研究中，将重点针对共生结瘤寄主范围狭窄、联合固氮效率低下等瓶颈问题，围绕简化固氮酶系统、提高联合固氮效率、扩大结瘤固氮宿主范围以及探索非豆科结瘤固氮体系等方面开展研究，突破固氮菌田间应用效果不稳定的技术瓶颈，建立新型联合及共生固氮体系，提高固氮菌对宿主氮素的贡献率，在田间条件下实现氮肥减施，促进我国农业绿色可持续发展。

在此背景下，《生物技术通报》邀请了国内一批以年轻人为主的科研团队，就生物固氮主题撰写综述7篇，形成了本专题。内容包括固氮菌基因网络调控、固氮菌环境适应与进化、固氮菌-宿主植物互作、固氮合成生物学及固氮菌的农业应用等5个研究方向。

值此主题专刊出版之际，谨向所有提供稿件的同行及审稿专家致谢；向《生物技术通报》编辑部致谢，感谢他们为我国固氮生物技术研究的成果展示和交流作出的贡献。