联合固氮菌研究进展田颖1,陈萍2　(1.陕西科技大学,陕西西安710016;2.陕西省仪祉农业学校,陕西咸阳712000)摘要　过量施用化学肥料,对维持生态平衡和保护环境不利,微生物肥料具有长效、无毒、无污染、节约能源、成本低等特点,可弥补化学肥料的不足,因此,生物固氮引起各国科学家的关注。

通过阐述联合固氮菌的研究现状、进展及相关技术,为研究者提供相关的参考。

关键词　联合固氮菌;联合固氮作用;进展中图分类号　Q936 文献标识码　A 文章编号　0517-6611(2005)11-2131-03R esearch on the Improvem ent of Associative N itrogen Fixation B acteriaTIAN Ying et al　(Shanxi University of Science&T echn ology,X ian,Shanxi710016)Abstract　It is n ot g ood to retain ecologic balance and protect environm ent under over use of chem ical fertilizer.T he m icrobiological fertilizer,which has s o m any advances,such as the long effectiveness,n o toxic and n o pollution etc,can give support to chem ical fertilizer.S o biological fixation of nitrogen has been paid attention to by scientists.K ey w ords　Ass ociative nitrogen fixation bacteria;Research progress 人类当前面临的最紧迫的问题是:粮食短缺、环境污染、能源枯竭。

对生物固氮各环节的了解有助于解决上述问题。

联合固氮作用在自然界广泛存在,对该体系的深入研究和探讨对于开发非豆科植物的固氮潜力具有重要意义。

1　联合固氮菌的概念及研究意义20世纪70年代,巴西学者D bereiner从热带禾本科牧草雀稗根际分离获得雀稗固氮菌(Azotobacter paspali),并提出根际联合固氮的概念,认为根际中存在一类自由生活的能固氮的细菌,定殖于植物根表或近根土壤,部分则能侵入植物根的皮层组织或微管中,靠根系分泌物生存繁殖,与植物根系有密切关系,但不与宿主形成特异分化结构,并将植物与细菌之间的这种共生关系称为联合共生固氮(Ass ociative symbi2 otic nitrogen fixation),现称为联合固氮作用[1]。

这种固氮作用在自然界广泛存在,是介于根际自生固氮和结瘤固氮之间的过渡类型。

继D bereiner等人的发现之后,又发现许多具有重要经济价值的非豆科作物如:甘蔗、水稻、玉米、棉花、牧草等存在明显的生物固氮现象,这引起人们对非豆科植物生物固氮的极大关注。

进入21世纪,人类社会普遍面临粮食、人口、环境、能源、资源等问题的困扰,加之目前化肥用量不断增加,土壤肥力日趋下降,如何保持农业生态环境的良好循环已成为当今世界现代农业的一个重大课题,在此背景下根际联合固氮作用逐渐显出其特殊的意义。

2　联合固氮菌种类联合固氮的种类和分布非常广泛,从禾本科作物到木本植物以及竹子的根际中都有发现。

其中研究的较为普遍和深入的有:雀稗固氮菌(Azolobacter paspali)、粪产碱菌(Alcali2 gens f accalis)、肺炎克雷伯氏菌(K oeb siella pneumonia)、印度拜叶林克氏菌(Beijerinckia india)、德氏拜叶林克氏菌(Bderxii)、弗李明拜叶林克氏菌(Bflumnensis)、多粘芽孢杆菌(Bacillus polymyxa)、梭菌属(Clo stridium)、德克氏菌属(Derxia)、阴沟肠杆菌(E cloacae)、凝聚肠杆菌(E agglomerans)、草生欧文氏菌(Erwoma herbicola)、稻草杆菌(Flavobacterium oryzae sp now)、生脂刚螺菌(Azo spirillum lipo ferum)、假单孢菌(P seudomonas sp)等。

作者简介　田颖(1971-),女,陕西西安人,硕士,讲师,从事微生物学的教学与研究工作。

收稿日期　2005208216 根据生理生态特征联合固氮菌大致可分成为3类:根际固氮菌、兼性内生固氮菌、专性内生固氮菌[2]。

2.1　根际固氮菌　根际固氮菌指定殖于根表的所有固氮细菌。

这类细菌不仅为植物提供氮素营养,其促进植物生长的主要原因在于产生的激素影响了植物的生理过程。

这类固氮菌主要包括雀稗固氮菌(Azotobacter paspali)、拜叶林克氏菌(Beijerinckia spp)等。

2.2　内生固氮菌　内生固氮菌是指那些定殖在植物根内而与宿主植物联合固氮的固氮菌。

它们的来源之一是种子和无性繁殖材料(块根、块茎等)。

另一个来源是根围和叶围,其中主要是根围。

根据内生固氮菌的特点不同,又可分为兼性内生固氮菌和专性内生固氮菌2类。

2.2.1　兼性内生固氮菌。

这类固氮菌既能在根内也能在根表和土壤中定殖,主要为固氮螺菌属(Azo spirillum)的细菌。

该属细菌分布广泛,能与许多寄主联合固氮,目前已分离鉴定出的有5个种:产脂固氮螺菌(A.lipo ferum)、巴西固氮螺菌(A.brasilense)、亚马逊固氮螺菌(A.amazomense)、伊拉克固氮螺菌(A.irankense)、高盐固氮螺菌(A.haloprae ferens)。

2.2.2　专性内生固氮菌。

这类固氮菌在土壤中不能生存或生存能力很差,主要存在于植物组织内。

它们可为宿主提供相当数量的氮素。

这类细菌主要从寄主植物的自然开口(排水口、气孔、皮孔)、根表皮裂细胞或次生根形成点细胞间隙感染植物,经木质部扩散至植株上部。

该类群包括重氮醋酸固氮菌(Acetobacter diazotrophicus)、固氮弧菌(Azoarus spp.)、草螺菌属(H erbaspirillum spp)、红苍白草螺菌(H erbaspirillum rubrisubalbicans)和伯克霍尔德氏菌(Burkholderia spp.)。

3　几种联合固氮细菌的特征3.1　重氮营养醋杆菌(Acetobacter diazotrophicus)　重氮营养醋杆菌是Dǒbereiner1988年从甘蔗当中分离得到的[3],其固氮酶活性很高,可为甘蔗提供60%的氮素。

该菌是严格的专性内生菌,大量存在于甘蔗的根茎叶当中,主要与富含糖分并以茎节或块根作为繁殖材料的植物,如甘蔗、甘薯、紫花狼尾草等共生。

重氮营养醋杆菌为好气性杆菌,尾部圆形,革兰氏阴性,具1～3条鞭毛,以N2为唯一氮源,高浓度(10%)蔗糖是其生长和固氮的最好碳源,在蔗糖浓度高达30%时仍可生长,生长过程中会产酸,甚至使环境的pH值达3.0以安徽农业科学,Journal of Anhui Agri.Sci.2005,33(11):2131-2133 责任编辑　罗芸　责任校对　罗芸下,并仍能保持生长和固氮活性[4]。

该菌与甘蔗的联合固氮体系是目前发现的最有效的联合固氮体系[5]。

3.2　粪产碱菌(Alcaligenes f aecalis)　粪产碱菌是首先从我国广东省水稻根分离出来的,并广泛分布于我国水稻水中[6]。

目前,从水稻、玉米和甘蔗等的根系均分离到粪产碱菌。

该菌为革兰氏阴性杆菌,具有周生鞭毛,不利用糖类,以苹果酸、乳酸、琥珀酸等有机酸作为碳源生长,在无碳培养基上培养时,能以C O2为唯一碳源,含吸氢酶。

其DNA中G+C含量为62.95%～63.93%,其生长和固氮的最佳温度、pH值和pO2分别为30℃、7.0和1.6×103Pa[6]。

近年来,国内学者已经利用遗传工程技术将含有固氮基因DNA片段的质粒转入某些野生型粪产菌株,结果这些转化结合子在高铵条件下表现出固氮活性并集聚在水稻根系(而相同条件下野生型粪产菌株远离根表),其固氮率为20%[7]。

3.3　固氮螺菌(Azo spirillum)　固氮螺菌是联合固氮菌中研究最多的。

,弧状或短杆状,有鞭毛,此属常见的2种是产脂固氮螺菌(A.lipo ferum)和巴西固氮螺菌(A.brasilense)。

前者主要与C4植物联合固氮。

后者多与C3植物联合共生。

接种固氮螺菌有益于谷物生长的事实已得到普遍的承认。

据G h onsikar等报道,高粱接种固氮螺菌后根量增加29%,根体积增加39%,籽粒增产18%,饲草增加43%[8]。

目前固氮螺菌Y u62的固氮酶基因表达和活性双重调节机制研究已经比较清楚,为构建耐铵泌铵的基因工程菌株和降低化肥用量提供了理论基础[9～11]。

4　联合固氮菌对植物的促进作用4.1　为植物提供氮素　有些联合固氮菌将固定的氮素直接提供给植物吸收同化,有些则将固定大气中的氮气部分提供给宿主吸收利用[12],其余部分被细菌转化为细胞氮,由于细菌的生命周期比植物短得多,细菌死亡崩解后释放的有机氮也能逐步为植物根系吸收。

4.2　产生植物激素　有些根际联合固氮菌还可以产生植物激素[13](如生长素、赤霉素、细胞分裂素等),这些植物激素影响宿主根的呼吸速率和代谢,并刺激侧根生长,使根毛数目增多,根系发达。

从而在不同的环境和土壤条件下促进植物的生长,尤其是幼苗期的生长。

4.3　提高对矿物质的吸收　固氮菌能影响根表面膜的活性,促使根系新陈代谢加强,从而促进根系吸收能力增强。

4.4　促进内根际的生理变化　主要可以促进植物内根际多元酚的分泌,促使根部氧化酶活性降低还原酶活性提高,多元酚的功能与植物色素形成、细胞壁构建、紫外线杀害的保护和真菌浸染的防御有关;氧化酶活性降低可能是造成内源激素和多元酚水平提高的原因。

同时还可以促进植物内根际A TP含量增加从而增强植株的生活力[14]。

4.5　固氮菌可有效地抑制不同病菌引起的植物病害　这一方面是由于内生固氮菌定殖在植物体内占据了植物上的生态位点,使病原菌由于生存空间的限制而难以入侵和定殖,这些细菌还可以与病原菌形成营养竞争关系,使病原菌得不到营养而死亡[15]。

另一方面是由于有些联合固氮菌能够分泌氧污酸类或邻苯二酚等高铁载体,可以抑制土壤病源微生物的生长与繁殖,增强植物抗逆性[16～17]。