自从德国化学家发现了从空气中提取氮肥的方法后，人类就开始利用化肥这种产品帮助作物生长。化肥虽然能够帮助农作物生长，随着科学的进步，其不良影响也越来越小，但是这种方法仍然存在一些缺点：化肥的生产每年消耗全球3%的天然气；会排放大量温室气体；造成水资源污染。可以说这种依赖化石燃料生产化肥的方式并不符合可持续发展的要求。但目前要想解决全球90亿人口的温饱问题，化肥又非用不可。
研究人员设计了不少解决这一问题的方法，其中是在人类的饮食结构中添加大量豆科植物。豆科植物有个特点，他们可以为自身制造化肥，这一过程不会对气候造成破坏。
豆科植物可以为一种能给将氮素固定的细菌提供寄宿。这种细菌进入植物的根毛并形成点状结构，就开始将土壤中的氮元素合称为氨。氨是植物进行光合作用的重要养料，而大多数主要农作物（大麦、水稻、玉米）都不能为氮素固定细菌提供寄宿，所以这些作物都需要人造化肥。
其实除了施肥，还有另一种方法：培养出不仅具有强大氮素固定能力，还能在任何植物根部生长的细菌。这样的话，只要将它们涂抹在种子上，就可以省去种植中的大量化肥。以往的科技水平不足直接研制这种细菌，但随着生物科技的不断发展，现在人们又希望通过基因工程直接“设计”出这样的细菌。
专家表示目前离成功还有很远的距离，首先要确认那些基因对固定氮元素有影响。这一步会就比较困难，因为目前为止，研究人员并没有土壤中细菌的染色体图谱作参考，不过一旦这种筛查完成了，研究人员就可以利用这些基因来设计并合成新的细菌进行进一步探索。
如果一切顺利，最终研究人员将研发出一种能够结合氮素固定能力与拥有种子表面吸附能力的细菌。这种细菌会有很多特点：能够离水存活很久，并能在重新接触水时再次充满活力；能够在培养皿中成长；还能被批量生产。
不过虽然计划是美好的，但是完成最后一步前需要面对很多的困难。氮素固定并不是一个简单的过程，再将氮素转化成氨的过程中，至少有20个基因与这个过程利用的蛋白质直接相关，而其中的新陈代谢过程相关的蛋白质还会牵扯到更多的基因。就算搞清楚这一过程，细菌如何与植物及周围土壤相互作用也将使得下一步变得困难重重。最不好的结果是，豆科植物与寄生的氮素固定者细菌是经过百万年进化的结果，而这一关系有可能根本无法在其他农作物上重现。
所以完全确定与氮素固定相关的基因，并在设计的细菌上重建这一过程并非易事。所幸的是，如果能设计出适合所设计的细菌成长的环境，生物的进化趋势就会帮助研究人员实现目标。
