生物固氮的研究进展及发展趋势_张武

Advance and Development Trend of Biological Nitrogen Fixation Ｒesearch
ZHANG Wu，YANG Lin，WANG Zijuan
（ College of Agriculture and Biology Science，Dali University，Dali 671003 ，China）
固氮微生物的三大类群 固氮微生物类型 types of nitrogenfixing microorganisms 鱼腥藻 Anabaena，绿硫细菌 green sulphur bacteria 氧化亚铁钩端螺旋菌 （ 氧化亚铁硫杆菌） Leptospirillum ferrooxidans 需氧型 aerobic 固氮菌 Azotobacter 克雷伯氏菌 Klebsiella 某些芽孢杆菌 Bacillus spp． 梭菌 Clostridium，产甲烷菌 methanogens 兼性厌氧型 facultatively anaerobic 厌氧型 anaerobic
第5 期
张
武，等： 生物固氮的研究进展及发展趋势
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生 物 固 氮， 是 指 固 氮 微 生 物 以 自 生 固 氮、 共生固氮和 联 合 固 氮 的 形 式 将 大 气 中 的 氮 气 转 化为氨 的 过 程 。 固 氮 微 生 物 都 是 原 核 生 物 ， 至
［1］ 今还没有 发 现 能 够 固 氮 的 真 核 生 物 。 生 物 固 氮在提 高 农 作 物 产 量 、 降 低 化 肥 使 用 量 、 减 少
固氮在农 业 生 产 中 的 应 用 提 供 理 论 基 础 ， 缓 解 和减轻农业 生 产 中 长 期 和 大 量 依 赖 工 业 氮 肥 所 造成的能 源 和 环 境 问 题 ， 为 保 障 我 国 粮 食 生 产 安全 ， 农业可持续发展提供新的途径 。 1 1. 1 生物固氮的研究进展 固氮微生物资源与生物固氮体系
云南农业大学学报
Journal of Yunnan Agricultural University， 2015 ，30 （ 5 ） ： 810 － 821
http： / / xb. ynau. edu. cn Email： xb@ ynau. edu. cn
ISSN 1004 － 390X； CODEN YNDXAX DOI： 10. 16211 / j. issn. 1004 － 390X（ n） . 2015. 05. 024
名期 刊 IJSEM （ International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology ） 上发表的根瘤菌新 种就有 19 种之多，这还不包括其他具有固氮行为
［4 ］ 或固氮基因的微生物资源。 DOS SANTOS 等 通
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云南农业大学学报 成固氮共生体
［9 － 10 ］
第 30 卷 。
过对 nifHDK 和 nifENB 在微生物全基因组序列中 的分布调查，指出固氮行为在自然界中的分布比 现在人类想象的更加广泛。 在自然界中， 除了豆 科植物能够和根瘤菌形成共生体外， 非豆科植物 糙叶山黄麻 （ Parasponia ） 也能够和 根 瘤 菌 形 成 根瘤共生体， 这是迄今为止发现的、 除豆科植物 之外、唯一的一种非豆科植物利用内生菌根与根 ［5 ］ 瘤菌形成根瘤的模式 。 可见， 糙叶山黄麻提供 了一种在非豆科植物中的共生固氮模式， 值得借 TOMAS 等［6］发现克雷伯氏菌属 鉴和研究。PINTO（ klebsiella） 的 某 些 细 菌 能 够 在 噬 叶 蚂 蚁 （ Leafcutter ant） 肠道内建立共生固氮体系， 以使低氮 饮食的噬叶蚂蚁从共生体中获得额外的稳定氮素 来源。 1. 2 宿主植物与固氮微生物之间的分子互作 共生固氮体系是自然界中最重要的生物固氮 体系，其突出特点是形成根瘤或瘤状结构， 固氮 效率很高。这一体系主要包括豆科植物与根瘤菌 、 非豆科植物与弗兰克氏放线菌形成的根瘤以及蓝 细菌与红萍或某些地衣形成的两大类共生体 ， 其 中尤以豆科植物的共生固氮最为突出。 豆科植物 与根瘤菌之间信号分子的交换称为分子对话或分 子互作，对话产生的特殊结构称为根瘤。 根瘤菌 只有生活在根瘤内才能高效的将氮气还原为氨 。 根瘤菌能够产生的信号分子有结瘤因子 （ Nod factor，NF） 、表 面 多 糖、 I，III，IV 型 分 泌 蛋 白 和 IAA 等，宿主植物能够产生的信号分子包括类黄 酮、甜 菜 碱、 葫 芦 巴 碱 以 及 其 他 的 化 学 诱 导 ［7 ］ 剂 。根瘤的形成有 2 种途径： 一种是根瘤菌不 经过根毛 的 直 接 侵 染 途 径 （ 如 合 萌 属、 落 花 生 ［8 ］ 属、笔花豆属和丁癸草属 ） ， 而是先破坏根的 表皮侵入到根内，然后在侵染的空间内大量繁殖， 最终侵入到植物根皮层细胞内， 在某些情况下， ； 另一种途径是通过 根毛入侵形成根瘤的经典模式。在第二种模式中， 这种途径也需要结瘤因子 豆科植物首先分泌类黄酮诱导根瘤菌合成结瘤因 子，结瘤因子被植物根毛细胞识别后， 引起一系 列的根毛反应， 如： 诱导根毛弯曲、 细菌侵入以 及侵染线的形成、 皮层细胞分裂、 根瘤原基开始 形成等，根瘤菌从分支的侵染线中释放， 进入根 瘤原基细胞中， 内化的细菌被宿主植物生物膜包 裹，从而形成密闭的空间， 称为类菌体， 它是固 氮根瘤菌的分化形式。 根瘤原基发育成根瘤， 形
［3 ］ 境 都 有 各 种 固 氮 微 生Hale Waihona Puke Baidu物 存 在。 据 笔 者 统 计， 2013 年 1 月 1 日—2014 年 7 月 1 日， 仅在国际著
地理环境的多样性造就了固氮微生物资源的 多样性，在今后很长一段时间内， 从海洋和陆地 挖掘更多的固氮微生物资源、 寻找高效结瘤固氮 微生物、建立高效共生固氮体系仍然是一项重要 任务。固氮微生物分布广泛， 在豆科植物和非豆 科植物等宿主体内均有分布， 甚至在一些极端环
共生固氮微生物 symbiotic nitrogen fixation microorganisms 联合固氮微生物 associative nitrogen fixation microorganisms
legume symbiosis 根瘤菌—豆科植物 ＲhizobiumParasponia symbiosis 根瘤菌—糙叶山黄麻 Ｒhizobiumdicotyledon （ nonlegume） symbiosis 弗兰克氏放线菌—非豆科植物 Frankiaplant symbiosis 固氮蓝藻 diazotrophic cyanobacteria固氮螺菌 Azospirillum 雀稗固氮菌 Azolobacter 某些假单胞菌 Pseudomonas spp．
Abstract： The research of biological nitrogen fixation （ BN F ） is an important content of the “International Biology Programme ” ，and it is also the major proposition of life sciences． BN F plays an important role in sustainable agriculture ，environmental protection and establishment of ecological nitrogen balance． W e mainly introduced the research progress on biological nitrogen fixation from the following aspects ： the resources of nitrogenfixing microorganisms and biological nitrogen fixation system ，molecular mechanism of biological nitrogen fixation ，marine biological nitrogen fixation ， nitrogen fixation in genomics and proteomics ， especially highlighted the molecular dialogue between rhizobium and legumes． M eanwhile ，we also analyzed the development trend of BN F and summarized the directions of main research on BN F ． In the end ，we reviewed the research of Chinese biological nitrogen fixation ，according to the specific situation of China ，we put forward the strategies and methods of spread of Chinese biological nitrogen fixation． Keywords： biological nitrogen fixation ； Ｒhizobium； molecular dialogue ； genomics； proteomics
Three groups of the nitrogenfixing microorganisms
生物固氮体系 biological nitrogen fixation system 光合自养型 phototrophs 自生固氮微生物 free living nitrogen fixation microorganisms 异养型 heterotrophs 化能自养型 chemolithotrophs
表1 Tab. 1
固氮微生物是指能将大气中游离的氮素转变 成含氮化合物的微生物。 其种类很多， 按照微生 物的生活习性和固氮条件的特殊性， 可以分为自 生固氮和共生固氮微生物以及联合固氮微生物 。 固氮微生物广泛的分布在原核生物和古核生物中 ， 既有异养型， 又有自养型； 既有需氧型， 也有厌 氧型，还有兼性型， 能够进行生物固氮的微生物 ［1 － 2 ］ 。 固氮微生 及其对应的固氮体系归纳见表 1 物生活习性和代谢类型的多样性揭示了其资源和 生物固氮体系的多样性。
生物固氮的研究进展及发展趋势
张 武，杨 琳，王紫娟 ＊＊
（ 大理学院 农学与生物科学学院 ，云南 大理 671003 ）
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摘要： 生物固氮是 “国际生物学计划” 的重点研究内容，也是生命科学的重大命题 。生物固氮在农业可持续 发展、环境保护和建立氮素生态平衡方面具有重要的作用 。本文从固氮微生物资源和生物固氮体系 、 生物固 氮的分子机理、海洋生物固氮、固氮的基因组学和蛋白质组学等 4 个方面综述了生物固氮的研究进展 ， 其中 着重介绍了根瘤菌和豆科植物互作的分子机理 。同时还分析了生物固氮的发展趋势 ， 概括了生物固氮的主要 研究方向，介绍了中国生物固氮研究概况 ，并根据中国的实际情况 ， 提出了中国生物固氮推广和普及的策略 和方法。 关键词： 生物固氮； 根瘤菌； 分子对话； 基因组学； 蛋白质组学 中图分类号： Q 945. 13 文献标志码： A 文章编号： 1004 － 390X （ 2015 ） 05 － 0810 － 12
水土污 染 、 保 持 农 业 可 持 续 发 展 、 降 低 能 源 消 耗 、 影响海 洋 氮 素 循 环 和 海 洋 生 物 进 行 光 合 作 用方面 具 有 重 要 作 用 。 豆 科 植 物 —根 瘤 菌 是 经 典的生 物 固 氮 模 式 ， 但 在 非 豆 科 植 物 中 ， 生 物 固氮还没 有 取 得 突 破 性 进 展 。 通 过 适 当 的 方 式 将生物固氮 机 制 引 入 非 豆 科 植 物 尤 其 是 农 作 物 中 ， 进而 建 立 起 非 豆 科 植 物 的 固 氮 新 体 系 ， 是 现代农业科 学 研 究 中 迫 切 需 要 又 富 有 挑 战 性 的 研究课题 。 笔 者 综 述 了 生 物 固 氮 的 研 究 现 状 和 成果 ， 着重 介 绍 了 根 瘤 菌 和 豆 科 植 物 互 作 的 分 子机理 ， 并 根 据 生 物 固 氮 当 前 的 研 究 热 点 ， 提 出了生物 固 氮 的 发 展 趋 势 和 方 向 ， 以 期 为 生 物
收稿日期： 2014 － 08 － 12 修回日期： 2014 － 09 － 29 网络出版时间： 2015 － 09 － 06 10 ： 31 * 基金项目： 大理学院青年教师科研基金项目 （ KYQN201217 ） ； 云南省高校滇西生物多样性科技创新团队基金资助 2011］ 93 号） ； 大理学院质量工程项目 （ TD I － 05 ） 。 项目 （ 云教函 ［ ： （ 1982 — ） ， 作者简介 张武 男，河南信阳人，硕士，助教，主要从事环境微生物、生物固氮方面的研究。 Email： zhangwu413023@ 163. com ＊＊通信作者Corresponding author： 王紫娟 （ 1980 —） ，女，湖南邵阳人，博士，讲师，主要从事生物多样性保护与利 mail： wangzijuan@ mail. kib. ac. cn 用、环境微生物研究。E网络出版地址： http： / / www． cnki． net / kcms / detail /53． 1044． S． 20150906． 1031． 048． html