氮素是促进作物增产的最关键因素之一。据统计，全球每年施用氮肥超过1.2亿吨，其中我国氮肥用量占全球氮肥总产量的35％。中国是世界最大的氮肥生产和使用国，但是氮肥利用率只有35％。由于氮肥的过度使用而利用率又很低，不仅增加农业生产成本，更导致土壤酸化、水体富营养化等环境问题。

不合理的氮肥施用带来了严重的土壤退化、环境污染和食品安全等问题，已成为我国保障粮食安全和生态安全、实现可持续发展的重大障碍，利用生物固氮替代化学氮肥是针对我国农业重大需求亟待攻关突破的科研难题。项目牵头人生物所林敏研究员介绍说，生物固氮研究有上百年的历史，迄今为止未能在农业生产中广泛应用。生物固氮技术研发一直处于发展瓶颈期，而合成生物学为其农业应用提供了革命性的解决途径。项目科研攻关目标是：在重大理论创新方面，实现联合固氮、结瘤固氮和自主固氮等热点领域的基础理论突破；在关键技术方面，加强上中下游联合攻关和技术集成创新，突破混合菌株高密度发酵、固氮菌微胶囊、种子包衣等技术瓶颈；在生产应用示范方面，研制新一代生物固氮产品，开展田间示范应用，为农业微生物产业和绿色农业发展提供重要技术支撑。