第十章 微生物同动植物的共生关系

第十章微生物同动、植物的共生关系
本章重点和难点：
微生物与动植物的共生关系，突出讲授根瘤和根瘤菌。

10.1 微生物和植物共生关系的类型
10.1.1 细菌和植物的共生
细菌和植物的共生主要是根瘤菌与豆科植物的共生体系，其次是根瘤菌与榆科植物、弗兰克氏放线菌与植物以及蓝细菌与其它生物的共生体系。

(见表)
表10-1 结瘤豆科植物
报道属数报道总类按种计算
亚科属数+ +/- - 总数估计总数+ +/- - 总数结瘤%
蝶形花505 241 14 14 269 14000 2416 - 46 2462 98
含羞草66 18 8 5 31 2900 351 - 37 388 90.5
苏木177 13 13 39 65 2800 72 6 180 258 27.9
合计748 272 35 58 365 19700 2839 6 263 3108 91
+ 表示结瘤- 表示不结瘤+/- 表示有些结瘤，有些不结瘤。

表10-2 和弗兰克氏菌共生的植物科属
科名属名已知结瘤种数
桦木科桤木属42
木麻黄科木麻黄属18
异木麻黄属58
裸孔木麻黄属18
杨梅科杨梅属28
10.1.2 真菌和植物的共生
细菌和植物的共生关系在自然界广泛存在，真菌和植物的共生关系则更为普遍。

植物形成菌根是普遍现象，自然界大部分植物都具有菌根，菌根对于改善植物营养，调节植物代谢、增强植物抗逆性都有一定作用。

根据菌根的形态结构和菌根真菌共生时的其它性状，菌根可划分为以下类型：(见表)
表10-3 菌根的类型
主要类型亚型特殊结构真菌类型寄主植物
外生菌根有包围根的菌担子菌,子囊裸子和被子植物
套和哈蒂氏网菌、藻状菌的乔木和灌木
内生菌根内外生菌根可形成菌套,在根担子菌、子裸子和被子植物
细胞内有菌丝圈囊菌的乔木和灌木
丛枝菌根细胞中有菌丝内囊霉科裸子和被子植物
圈和细小分枝的乔木、灌木和
的吸器(丛枝) 草本植物，苔鲜
和蕨类植物等低
等植物
(浆果鹃菌根、水晶兰菌根、杜鹃菌根、兰科菌根)
10.2 固氮根瘤
(1886年德国学者赫尔利格和惠尔法斯（H.Hellriegel和H.Wilfarth）用砂培试验证明，栽培在灭菌后的盆钵中一豆科植物，只有接种土壤浸提液之后，才能形成根瘤和利用空气中的氮气。

至此才证明豆科植物，只有形成根瘤时才有固定氮素。

1888年荷兰学者别依林克（M.W.Beiljerinck）第一次获得了根瘤菌的培养。

1889年波兰学者柏拉兹莫夫斯基（Prazmowski）用根瘤菌纯培养接种豆科植物，形成了根瘤。

此后，微生物学工作者对共生固氮作用进行了大量的研究工作，并把科学成果应用到生产实践中去。

艾伦和艾伦（Allen和Allen）（1981）的资料，现已考查的3108种豆科植物中，有2839种生根瘤。

此外，还发现有一种子非豆科植物（榆科的Parasporia rogwa）也和根瘤菌共生、结瘤、固氮。

根瘤菌根瘤菌在与豆科植物共生中固氮，它虽然可以单独生活，最近也证明有些种能单独固氮，但只有在根瘤中才能进行旺盛的固氮作用。

由于它的重要性，已从各个方面进行了记分的研究。

根瘤菌的人工接种
1．根瘤菌的人工接种对于豆科植物和根瘤菌共生体系形成，起保证作用。

2．不同地区、不同植物，人工接种根瘤菌对植物有无增产效果，对共生固氮作用有无改善的效果情况是不一致的。

3．在从未种植过或多年未种植过某一种豆科植物（包括同一互接种族和豆科植物），种植这种植物，人工接种根瘤菌在绝大多数情况下是有效的，能保证结瘤、固氮、提高产量，而且在这种情况下进行人工接种往往是种植成败的关键因素。

4．长年种植某一种豆科植物，每次播种都进行根瘤菌人工接种是否都有效益，随植物种类和地区情况的不同而表现不一。

长年种植某一种豆科植物的土地，在多数情况下，土壤中富含能和这种植物共生固氮的土著根瘤菌。

植物和土著根瘤菌共生，固氮，在有些土地上是高效的，但也往往是低效的。

在后一种情况下，人工接种高效的根瘤菌用来取代低效的土著根瘤菌是一项重要的技术任务。

)
10.2.1 根瘤和茎瘤的形态结构
1.根瘤和茎瘤的外形
植物的细菌形成的共生体系主要是根瘤，有不同的外部形态(圆形、枣状等)，且在根系上的分布也不一样(有的集中在根颈部位，有的则较分散)。

其形状和分布的差异主要由植物决定。

有少数豆
科和非豆科植物除形成根瘤外，也 在地上部分形成茎瘤。

(图10-1)
2. 豆科植物根瘤结构
根据结构特点，豆科植物根瘤可分为有限和无限生长两种基本类型，主要区别在于是否具备分
生组织。

(图10-2)
无限型根瘤具有顶端分生组织，在根瘤成熟后可以继续生长，使根瘤体积增大，甚至可以分叉。

(这类根瘤的外表多为圆柱形、枣状、鸡冠状，如豌豆、三叶草和苜蓿等植物的根瘤)。

有限型根瘤没
有分生组织，生长发育一段时间后，各部分同时分化成熟，根瘤体积不再增大。

(这类根瘤外表一般
为球形，如大豆根瘤)。

10.2.2 根瘤菌的形态特征
1.在培养条件下：为杆状，G - ，直径＜1μm ，能运动，有1-5根周生鞭毛，细胞内含一种β-
多聚羟基丁酸，使细胞染色不均匀，有时出现环节状。

2.在根瘤中生活的根瘤菌：形态逐渐变化，开始进入根内时为很小的杆状，随着根瘤的发育，
其内的菌体逐渐变大，形状多样，如粗杆状、球状、犁形、棒槌状、“T”形或“Y”形等，染色后表现
出明显的环节状，这些形态称为类菌体。

菌落园形，半透明，无色或乳白色，具光泽。

10.2.3 根瘤菌的一般生理特性
属化能异养微生物，最适的碳源为：甘露糖、葡萄糖、甘油、木糖等，但不能利用多糖。

最好
的氮源为氨基酸，其次为无机氮(HN3、N2等)。

同时还需要一定的矿质养分(P 、S 、K 、Ca 、Mg 、
Fe 、Mo 、Co 、B 、Zn 等以及维生素B2)。

为好气性微生物，需氧供应，生活的Eh 为150~450mV ，
PH6.5~7.5，温度25~30℃。

其生态环境为土壤和水。

10.2.4 根瘤菌的感染性、专一性和有效性
10.2.5 常见的根瘤菌种类
主要根据寄主命名，其种类有：豌豆、三叶草、四季豆、苜蓿、大豆、羽扇豆、紫云英、
豇豆根瘤菌。

10.3 根瘤的形成
10.3.1 根瘤的形成过程
根瘤的形成分三有个阶段，即感染、根瘤的发生和发育。

1. 感染和浸入线的形成：豆科植物的根系在土壤中发育，刺激相应的根瘤菌在根际大量繁殖，
繁殖后有许多根瘤菌吸着在根毛的表面，在根瘤菌的作用下，根毛细胞壁变软，根毛发生卷曲，根
瘤菌从变软的细胞壁进入根毛而完成感染。

在根瘤菌进入根毛细胞的部位，发生根毛细胞壁内陷，
并开始分泌一种含纤维质的物质将根瘤菌包围起来，随着根瘤菌向前推进，形成一条套状的侵入线，
并不断向根毛基部和表皮细胞伸长推进，当侵入线达到根毛细胞基部的细胞壁时，侵入线同细胞壁
联接起来，穿过表皮细胞壁向内推进。

2. 根瘤的发生和发育：当侵入线到达内皮层时，前位细胞受到影响并开始分裂，成为根瘤的分
生组织，随着分生组织的不断分裂，根瘤不断扩大，在根表面出现突起；不断扩大的根瘤细胞分化
为外皮层组织和内部组织，并形成维管束与根的维管束连接起来。

当侵入线到达根瘤内部组织的一些细胞中，侵入线的前端膨大，且不再形成纤维质的壁，细菌
释放到细胞中形成含菌细胞组织，并在内形成泡囊，每个泡囊内含有1-8个细菌发育成的类菌体。

随着含菌细胞的形成，出现红色的豆血红蛋白，它存在于类菌体的泡膜里，它的出现为根瘤成
熟的标志，即开始固氮。

10.3.2 根瘤的功能
作为极瘤，其功能如下：
①根瘤中的豆血红蛋白是起调节氧的缓冲剂作用、调节氧的供应状况，并可促进固氮作用的进行。

②供给固氮作用所需的能量(A TP)。

③能将固氮产物很快地合成氨基酸等，并转动到其它部位，保证了固氮作用不断的进行下去。

10.3.3 根瘤菌的固氮效率
就共生固氮体系来讲，由于在根瘤中进行的固氮作用和豆科植物的整个新陈代谢的结合，使共生关系下的固氮效率比自生固氮体系高得多。

如自生固氮菌，每消耗1克碳化物只能固定10mg左右的N2(肺炎杆菌为5mg，梭菌为1.5~7mg等)，而根瘤菌和豆科植物的共生固氮,每消耗1克碳化物可固定250~300mg的N2(如与豌豆的共生体系可固定270mg的N2)。

共生固氮比自生固氮效率高的原因：
①浪费的能量少，利用能量的效率高。

②共生固氮的时间要比自生固氮的长得多，所以固氮量也大。

10.4结瘤和固氮作用的遗传学关系
根瘤菌与豆科植物的共生固氮作用是由许多遗传基因决定的，如：有控制结瘤作用的植物基因(使植物结瘤或不结瘤或结无效根瘤)，有控制感染性和专一性的基因，有决定根瘤菌有效性的基因以及决定血红蛋白中的血红素部分的基因和蛋白质部分的基因等。

但是这些基因的机理以及结瘤作用的遗传学关系，现在还难以说明。

10.5 影响共生固氮的因素
10.5.1 土壤湿度
当根瘤中固氮酶开始具有活性时，水分的消耗急剧增加，这时固氮效率与水的关系密切，如果缺水,则强烈抑制根瘤的呼吸作用和固氮作用，但水分过多时，因在瘤表面形成水层，也会抑制固氮作用。

所以要求土壤含水量保持在60~80%，对固氮和作物产量都有利。

10.5.2 土壤氧气
根瘤菌属好气性微生物，所以土壤中氧浓度的高低既影响根瘤菌在土壤中的活动，也影响根瘤的固氮作用。

所以在土壤中根瘤菌的活动和固氮作用都需要有一定氧的供应。

10.5.3 温度
温度对菌瘤的形成和固氮作用都有影响，但不同地区的豆科植物，对温度的反应是不同的。

如温带地区的豆科植物在7℃时结瘤作用延迟，但仍可以结瘤，而热带当在20 ℃以下时，就严重影响共生作用。

但温度过高影响也很强烈，如蚕豆和豌豆在30 ℃时就不形成根瘤，所以必须有一定的温度条件。

10.5.4 pH 值
pH对根瘤菌的结瘤和共生固氮作用的影响很大。

最适结瘤条件为4~8之间，超过此范围结瘤显著减少。

10.5.5 化合态氮素
在一定条件下供给适量的氮素可以促进根瘤的形成。

但过多，则阻碍根瘤的形成，降低固氮作用。

(要根据实际情况---土壤肥力水平来供给)。

10.5.6 矿质营养元素此要素对根瘤的形成有良好的影响，如果缺少，特别是P、K、Ca、B、Mo等，根瘤将不能形成。

磷肥对豌豆根瘤的形成和产量影响
处理每株根瘤数根瘤重(g) 产量(g)
不施肥342 0.256 5.81
施磷肥514 1.443 9.61
10.6 固氮作用的机理
固氮微生物所进行的固氮作用的化学反应可用下式表示：
固氮酶
N2 + 8H+ + 8e- + nATP 2NH3 + H2 + nADP + nPi
[固氮酶及其作用的基本条件
对固氮酶催化作用的机理，虽然现在还不完全了解，但对它作用所需的基本条件已经有了较完整的知识。

这些条件是：①固氮酶将N2还原为NH3,需要能量和电子供体，以及传递电子的电子载体；
②固氮酶对氧敏感，只能在氧压很低（〈0.04%大气压〉或无氧条件下进行；③环境中现成的氨或固氮酶固定的氨如不及时转化，超过一定浓度（3—5毫克分子）对固氮作用起抑制效应。

]
10.6.1 酶催化反应的条件及其作用中的能量与电子
固氮酶起催化作用是在组分Ⅰ和Ⅱ相结合以后才能实现(当然还受其它条件的影响，如能量问题、电子供体和载体、氧的问题以及氨的阻抑效应问题等)。

固氮酶的催化反应可用简图表示如下：
Ⅰ(SR) +Ⅱ(R) + 2MgATP
Ⅰ(SR)·Ⅱ(R)·2MgA TP
在固氮过程中，能量的来源对厌气固氮微生物来讲，是通过发酵过程产生的，而好气性的是通过氧化代谢产生的，电子供体是A TP，通过电子载体传递给固氮酶。

电子载体是强还原性的电子转移蛋白。

固氮微生物中天然的电子载体主要有铁氧还蛋白(Fd)和黄素氧还蛋白(Fld)。

10.6.2 氧对固氮作用的影响
各种类型固氮生物进行生长时，对氧气有不同要求，但是它们的固氮酶都是对氧敏感的。

氧气不但氧化固氮作用中的电子载体，而且抑制固氮酶的活性，阻遏固氮基因的表达。

固氮酶暴露在氧气下就不可逆地失活。

因此，对于厌气性固氮微生物来说，生长和固氮的条件是一致的。

好气性固氮微生物生长和固氮的条件是矛盾的。

兼厌气性固氮微生物，只有在厌气条件下才能固氮。

好气性微生物为了在生长过程中同时固氮，它们具备着保护固氮酶的防氧机制，现在对其本质还不大了解。

实际上好气性固氮菌的生长也不是氧气越多越好。

10.6.3 固氮作用中的氨效应
氨是固氮作用的产物，但在培养固氮菌时如果加入铵盐，则固氮作用停止，这时固氮菌利用现成的氮进行生长。

现已证明氨不是只抑制固氮酶的活性，其效应是阻遏了控制固氮酶合成的基因，它阻止固氮基因的转录，使固氮酶不形成，整个阻遏作用的机制是很复杂的，有谷氨酰胺合成酶参与作用，但目前对其细节不很了解。

只有当固氨产物氨立即被转化为氨基酸进而合成蛋白质，固氮作用才能不断进行。

自生固氮细菌具有一套酶系，能够有效地将氨转化为氨基酸。

这种转化作用是通过谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶（GOGAT）的偶联作用，同时有各种氨基转移酶参与。

对于自生固氮菌来说，固氮作用和氨的同化作用都是在同一细胞内进行的。

而共生固氮作用则不同，固氮作用在类菌体中进行，氨的同化作用则由根瘤细胞浆中的酶系催化，形成氨基酸，然后转运到植物的其他部分。

01.生物固氮:固氮微生物在土壤或培养基中独立生活时将分子态氮还原为氨的过程。

02.共生固氮:由两种生物形成的共生体共同将分子态氮还原为氨的过程。

例如在根瘤菌与豆科植物的
根形成的根瘤中将分子氮固定为NH3。

03.生物固氮:微生物将分子氮还原为氨的过程称为生物固氮。

04.联合固氮:某些固氮细菌生活在植物的根际、根表、部分细菌进入根表细胞中形成松散的共生联合体。

这种联合体能将分子态氮还原为氨的作用称为联合固氮。

05.根瘤菌肥:从豆科植物根瘤上分离出来的根瘤菌纯培养体经扩大培养后,应用于豆科植物接种用的菌剂。

因为根瘤菌接种豆科植物后,可以提高豆科植物的固氮能力,所以人们通常将根瘤菌菌剂称为菌肥。

思考题：
10-1 根据菌根的形态结构和菌根真菌共生时的其它性状的不同，菌根可划分为几种类型？
10-2 根据结构特点不同，豆科植物根瘤可分为几种类型？主要区别是什么？
10-3 根瘤菌有何形态特征和生理特性？
10-4 根瘤菌的分类命名依据是什么？
10-5 试述根瘤的形成过程。

10-6 根瘤有何功能？
10-7 共生固氮和自生固氮的效率有何不同？为什么？
10-8 影响共生固氮的因素有哪些？。