微生物与植物共生结瘤固氮的分子遗传学研究进展
大豆根瘤共生固氮分子机制研究进展
34 2017, V ol.37, No.21※农业科学农业与技术共生固氮是一个极其复杂的生物过程，它是由根瘤菌与寄主植物互作产生的，主要过程为寄主根部产生类黄酮，吸引根瘤菌附着于根毛，产生并释放NF，被寄主的NF受体识别，产生钙峰信号—结瘤信号，根毛变形弯曲包裹根瘤菌，根瘤菌侵入后通过宿主植物中所形成的一些管状结构达到宿主根的皮层，形成侵入线。
随后，皮层细胞进行有丝分裂，继而形成根瘤原基。
经过发育，成熟的根瘤即可固氮，当根瘤达到一定数量时寄主会产生信号“Q”，传导到茎，茎部受体接收信号，产生细胞分裂素，传导回根部，终止结瘤[1]。
在这个过程中，涉及到寄主植物的多个基因，主要包括调控根瘤原基形成的基因、参与根瘤发育的基因、根瘤自我调控途径基因以及固氮相关的基因。
1 调控根瘤元基形成的基因经过攻关已初步解析了豆科植物根瘤形成的遗传机制。
现已在百脉根、苜蓿、大豆中克隆了NF受体1（NFR1）和受体5（NFR5）基因，为编码跨膜的Lys-M-型丝氨酸/苏氨酸受体激酶。
在百脉根中发现一个与NFR5互作的小GTP酶ROP6，其对侵入线形成及结瘤过程均具有正调控作用[2,3]。
NFR1和NFR5形成异源二聚体接收NF，启动一系列的下游信号转导级联反应，包括质膜上受体激酶（DMI2、SYM19、NORK）的表达，以及离子通道蛋白（DMI1）等的表达，从而诱导钙峰的产生以及根毛的弯曲变形[4,5]。
依赖钙离子蛋白的激酶（DMI3）和GRAS-家族转录因子NSP1和NSP2基因也被克隆，处于NFR和DM2、DM1等基因的下游对胞质 Ca2+浓度变化产生响应[6]。
转录因子NIN也在侵染线和根瘤原基中起着重要的作用，它可能与NSP1和NSP2联合在一起，共同调节表皮中结瘤基因的表达和结瘤过程[7]。
除了钙离子通道蛋白参与信号转导外，在百脉根中发现共生信号钾离子通道蛋白基因：2个同源基因Castor和Pollux，它们可以弥补钾离子渗透所产生的电荷不平衡，是细胞核周围钙离子激增所必需的，其中Castor 定位于核膜上[8]。
植物与根瘤菌共生的机制研究
植物与根瘤菌共生的机制研究植物和根瘤菌的共生关系是一种非常特殊的生物学现象。
根瘤菌可以生长在植物根际肿瘤中，并与植物共同形成一个相互依存、互利共生的系统。
这种共生关系对植物的生长和发育起着至关重要的作用。
因此，学习这种共生机制对于农业、生态和环境保护都有非常重要的意义。
在这种共生关系中，根瘤菌通过在植物根内形成固氮酶亚基，从而提供了植物所需的氮源，促进了植物的生长。
而植物则通过其根系向根瘤菌提供所需的营养物质和适合其生长的环境。
根瘤菌能够感应到植物根系分泌出的低分子化合物，从而通过化学信号识别宿主植物，完成寄生过程。
对于植物和根瘤菌的共生机制研究，科学家们进行了大量的研究。
其中，分子生物学、细胞生物学、遗传学和生物化学等学科的技术和方法在这方面的应用尤为广泛。
在这些技术和方法的帮助下，科学家们已经揭示了根瘤菌侵染植物根部的分子机制、根瘤菌激活固氮酶的分子机制以及植物与根瘤菌共同调控的情况。
首先，分子生物学技术的应用表明，根瘤菌在侵染植物根部时会分泌一系列的外分泌蛋白，这些蛋白能够将根瘤菌与植物根细胞表面的受体结合在一起，从而实现根瘤菌的侵染过程。
在这一过程中，植物通过分泌抗菌蛋白，来限制根瘤菌在其根部内的生长和繁殖。
而根瘤菌也会适应宿主植物的限制，从而进入一个稳定而长久的共生状态。
其次，细胞生物学技术的应用则让我们看到了植物和根瘤菌共生的细胞结构。
细胞学家们发现，根瘤菌和植物根细胞表面结合后，会形成一个类似于“管道”的结构，这个结构被称为“红发簪（Haustorium）”。
从细胞学上看，根瘤菌与植物之间的共生关系是通过这个结构来维持的。
根瘤菌在这个结构中形成固氮酶，将空气中的氮气转化成应用于植物生长的无机氮，提供植物所需的氮源。
而根瘤菌也从植物中获得所需的碳源。
此外，遗传学技术的应用也让我们更加深入的认识到了植物和根瘤菌共生的分子机制。
基因结构和基因表达对共生互利的过程起着非常重要的作用。
科学家们已经鉴定了调控根瘤菌侵染植物根系的关键基因，例如植物的根系导向信号基因（LCO），以及根瘤菌的感应哈尔蒙信号基因（Nod因子）。
微生物与植物之间的共生关系 ppt课件
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第二节 菌根与菌根菌 二、泡囊—丛枝菌根（VA菌根） （二）影响VA菌根形成的因素
1、菌根菌繁殖体数目及发芽速度
2、菌种侵染能力
3、根系发育的好坏
4、环境因素
营养 光照 水分
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第二节 菌根与菌根菌
三、菌根菌的应用
（一）菌根菌的主要作用（P261、265-267）
很大的区别的根瘤菌。 *高度分化的类菌体不能再分裂繁殖。 共生体：在含菌组织中由植物合成的周膜所包裹的类菌体。 豆血红蛋白：外存于类菌体周膜内外，由蛋白质（寄主）和血红
素（类菌体）组成。 *在根瘤中主要起调节氧气的作用。
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第一节 微生物与植物的共生固氮作用
二、根瘤及其功能 (二)根瘤的形成（教材P250）
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• 由于社会对环境的压力大及化学农药 研究开发费用高等原因，微生物源农药 越来越受到人们的青睐，研究开发也取 得了迅速发展，而农用抗生素的发展远 比活体微生物农药的发展快得多。
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• （二）微生物农药的优点 和其他农药相比，微生物农药具有以下特点：
1、选择性强 微生物农药对病虫害选择性相当强，对人畜安全无毒，不杀
素和活体微生物农药。为利用微生物或其代谢产物来
防治危害农作物的病、虫、草、鼠害及促进作物生长。
它包括以菌治虫、以菌治菌、以菌除草等。这类农药
具有选择性强，对人、畜、农作物和自然环境安全，
不伤害天敌，不易产生抗性等特点。这些微生物农药
包括细菌、真菌、病毒或其代谢物，例如苏云金杆菌、
白僵菌、核多角体病毒、井冈霉素、C型肉毒梭菌外
植物与微生物互作的研究与应用
植物与微生物互作的研究与应用自然界中的生物之间都存在着密切的关系和互动。
其中，植物和微生物之间的互作是一个非常重要的研究领域。
这种互作涉及到植物的生长、繁殖、养分吸收等方面，同时也涉及到微生物对植物害虫的防治、土壤中营养元素的循环等方面。
本文将对植物与微生物互作的研究进展及其应用进行阐述。
一、植物与微生物互作的研究进展1、植物与根际微生物的互作植物根际微生物是指在植物根际环境中与植物根部紧密联系的微生物群落。
这些微生物包括细菌、真菌、放线菌等。
其中真菌和放线菌被称为“根际真菌”和“根际放线菌”，它们对植物的生长具有重要的促进作用。
研究表明，植物根际微生物可以通过多种途径来影响植物生长，包括促进植物根系生长、调节植物生理代谢、提高植物的抗逆能力等。
例如，某些细菌和真菌能够分泌出一些有机物来供植物吸收，其中包括一些有机肥料，比如氨基酸和核苷酸。
此外，它们还可以分泌生长素、激素等物质来促进植物生长。
2、微生物在植物害虫防治中的应用植物害虫是植物生长过程中的一大威胁，在农业和园艺生产中经常会给植物带来一定的经济损失。
通常情况下，人们会采用化学农药来进行防治，但是这种方法不仅成本高昂，还会对环境和人类造成一定的危害。
因此，研究如何利用微生物来防治植物害虫成为了近年来的热点话题。
微生物防治植物害虫的方法通常包括两种：一种是利用微生物的天敌作为生物杀虫剂直接对植物害虫进行防治，比如利用蘑菇毒素杀死害虫；另一种则是利用微生物来激活植物的免疫系统，使植物自身产生对害虫的抗性。
比如，利用植物根际微生物来增强植物的抗虫能力，从而达到防治害虫的目的。
3、微生物对土壤中营养元素的循环的影响土壤中的氮、磷、钾等营养元素对植物的生长发育有着极其重要的作用。
而在土壤中，这些营养元素的循环主要依靠土壤微生物的参与。
例如，有些细菌和真菌可以利用有机物中的氮、磷等营养元素，将其分解成较小的分子后释放给植物吸收利用。
同时，细菌和真菌中还存在一些可以吸附和释放有机肥料的细菌类，通过调节这些细菌的数量来达到土壤养分的管理目的。
苜蓿根瘤形成与根瘤菌的共生关系研究
苜蓿根瘤形成与根瘤菌的共生关系研究引言：在自然界中，许多植物与微生物之间建立了一种特殊的共生关系，其中一个典型的例子就是苜蓿根瘤与根瘤菌之间的共生关系。
苜蓿是一种重要的豆科牧草，其根瘤中共生着特定的根瘤菌，这些根瘤菌能够与苜蓿根部形成瘤肿结构，并与植物进行氮素固定。
本文将围绕着苜蓿根瘤形成与根瘤菌的共生关系展开研究和讨论。
一、苜蓿根瘤的形成过程苜蓿根瘤的形成是一个复杂的过程，在这个过程中，植物与微生物之间发生一系列互利共生的反应。
首先，苜蓿释放出诱导物质，吸引根瘤菌感知并落在苜蓿根表面。
根瘤菌通过感知到这些化感物质，开始积累在苜蓿根部的毛细管附近，并引发分裂和生长。
根瘤菌进一步进入植物根部，并在根部内形成根瘤的结构。
在这个过程中，根瘤菌分泌纤毛素、多糖酶等物质，促进苜蓿细胞的分裂和植物激素合成，从而形成根瘤。
二、根瘤菌的固氮能力当前研究表明，根瘤菌与植物共生的最大好处之一就是其固氮能力。
根瘤菌中存在一个特殊的酶——钯氢酶，它能够将空气中的氮气转化为植物可利用的氨氮。
根瘤菌能够使用苜蓿提供的有机物作为能源，进行钯氢酶的合成，并同时释放固氮酶。
固氮酶能将氮气还原为氨，进而为苜蓿供应足够的氮元素。
这种固氮能力对苜蓿生长和发育具有重要的促进作用，为苜蓿提供了可持续发展的氮源。
三、共生关系中的信号传递苜蓿与根瘤菌之间的共生关系建立在复杂而精确的信号传递网络上。
植物释放的根瘤反应诱导因子能够吸引根瘤菌的趋化行为，推动它们向植物根部运动。
根瘤菌分泌的信号分子则能够诱导苜蓿细胞的分裂和细胞壁重塑，从而形成根瘤。
值得注意的是，植物对于根瘤菌感染也具有一定的选择性，只有特定的根瘤菌能够与特定的植物建立共生关系。
这一选择性在共生关系的形成中起到了重要的作用。
四、影响苜蓿根瘤形成的因素苜蓿根瘤形成与根瘤菌的共生关系受到许多因素的影响。
养分供应是一个重要的因素，苜蓿需要充足的磷、钾、钙等营养物质来保证根瘤的生长和发育。
此外，土壤中pH值、温度以及氮素含量也会对苜蓿根瘤形成产生影响。
植物根际微生物组的研究进展
植物根际微生物组的研究进展邵秋雨，董醇波，韩燕峰*，梁宗琦（贵州大学生命科学学院生态系真菌资源研究所，贵州贵阳 550025）摘要: 根际微生物组 (rhizosphere microbiome)，是植物从其种子库土壤微生物组中有选择性地招募在根际聚集的动态微生物集群。
随着近年来高通量测序技术、宏基因组学等的飞速发展，根际微生物组与植物宿主及土壤微生物组间的紧密联系引起了全球关注和研究热潮。
根际微生物组被视作植物第二基因组，其与植物间的互作极为复杂，有正相也有负相。
植物通过从土壤微生物组中招募到根际的某些组分获得积极反馈。
正确管理植物根际微生物组不仅能促进宿主营养吸收、抵抗病虫害及适应环境胁迫，还可能促进健康土壤的形成，增强土壤生态系统的服务功能。
对根际微生物组的定义、驱动因素、研究方法及其与农业生产的关系4个方面进行综述，并重点关注了根际微生物组与植物宿主间的互作过程，以期为更好的开发利用这类生物资源提供新思路。
关键词: 根际微生物组；根系分泌物；农业生产；模式微生物群落Research progress in the rhizosphere microbiome of plantsSHAO Qiu-yu, DONG Chun-bo, HAN Yan-feng*, LIANG Zong-qi( Institute of Fungus Resources, Department of Ecology, College of Life Sciences,Guizhou University, Guiyang 550025, China )Abstract: Rhizosphere microbiome refers in particular to the dynamic microbial consortium that are selectively recruited by plants from the soil microbiome of their seed banks and gathered in the rhizosphere. With the rapid development of high-throughput sequencing technology and metagenomics in recent years, the natural close relationship among rhizosphere microbiome, plant host and soil microbiome have attracted global attention and become research upsurge. The rhizosphere microbiome, regarded as the second genome of plants, has very complex interactions with plants in positive and negative. Many studies have shown that plants can obtain positive feedback by recruiting certain members of the rhizosphere from the soil microbiome. The correct regulation of the rhizosphere microbiome can not only promote the nutrition absorption, resist plant diseases and insect and help the host to adapt environmental stress, but also promote the formation of healthy soils and enhance the service function of soil ecosystem. This paper reviewed the definition, driving factors, research methods of rhizosphere microbiome and the advances in relationship between rhizosphere microbiome and agricultural production. And the interaction between rhizosphere microbiome and plant host was focused. The purpose of the review is to provide new ideas for better exploitation and utilization of these biological resources.Key words: rhizosphere microbiome; root exudates; agricultural production; standard microbial model早在1904年，德国学者Hiltner就提出了“根际”一词，将其用以描述受植物根系影响的狭窄土壤带[1]。
微生物与植物共生结瘤固氮的分子遗传学研究进展
幂 ３ 卷 第 ｌ １ 期 ２０ ０ ２年 ３ 月
微生物与植物共生 结瘤 固氮的分子遗传学研究进展
黄 志 宏 ，吕柳 新 （ 建农林 大学 园艺学 院 ， 建 福 州 ３０ ０） 福 福 ５ ０ ２
摘 要 ：以根 瘤 菌 一 豆科 植 物 共 生 体 系 为主 要 代 表 ． 述 丁近 年来 在结 瘤 固 氯 分 子 遗 传 学 研 究 领 域 所 取 得 的 进 展 ， 别 是 共 综 特 生 双 方 与 结 瘤 、 氨 有 关 的 基 因 的定 位 、 达 与 调 控 同 表 美 键 词 根 瘤 共 生 同 氧 共生 基 因 中 围分 类 号 ： ｌ ４３ ｓ ． ５ 文献标识码 ０ ２ ０ — ０ ７ ０ １ ０ —８ ７ ２ ０ ） １ ０ ６ — ６
根瘤菌与植物宿主固氮效率的关系研究
根瘤菌与植物宿主固氮效率的关系研究植物与细菌之间的共生关系是生态系统中重要的相互作用之一。
根瘤菌（rhizobia）与许多豆科植物建立了一种特殊的共生关系，这种关系能够提高植物的生长和固氮效率。
固氮是指将大气中的氮转化为可供植物利用的形式，在农业生产和生态系统中具有重要的意义。
研究根瘤菌与植物宿主固氮效率的关系，可以为农业生产和生态系统的氮循环提供理论基础和实践指导。
根瘤菌是一类土壤细菌，具有固氮的能力。
它们能在豆科植物的根部形成根瘤，并与植物形成共生关系。
在共生过程中，根瘤菌能够通过诱导植物根部的细胞分裂，形成根瘤组织，为自身提供一个适宜的生境。
同时，根瘤菌将大气中的氮转化为植物可利用的氨态氮，供植物进行生长和发育所需。
植物宿主通过根瘤菌固氮实现了对氮的利用，而根瘤菌则获得了植物提供的有机碳和其他生存所需的营养物质。
根瘤菌的多样性和植物宿主的选择性，对固氮效率产生了重要影响。
根瘤菌与不同的豆科植物宿主之间存在着宿主特异性。
不同的根瘤菌对不同植物宿主具有不同的固氮效率。
根瘤菌的遗传多样性、菌株间竞争关系以及与植物宿主之间的互作作用，都会对固氮效率产生影响。
一些根瘤菌菌株具有较高的固氮效率，能够高效地与宿主建立共生关系。
而有些菌株则固氮效率较低。
这主要由根瘤菌的生理特性、代谢能力和菌株间的竞争关系等因素决定。
另外，植物宿主的选择性也会对固氮效率产生重要影响。
不同植物宿主对根瘤菌的选择性不同，这是由宿主植物的根瘤筛选机制和信号识别系统决定的。
植物宿主能够通过根瘤菌感染之前的化学信号交流来选择最优菌株。
这种选择性可以使植物宿主与特定菌株建立高效的共生关系，提高固氮效率。
一些研究表明，一种豆科植物宿主能够与多种根瘤菌建立具有不同固氮效率的共生关系。
根瘤菌菌株的选择性和宿主植物的适应性共同决定了共生系统的固氮效率。
目前，研究人员已经通过分子生物学、遗传学和生态学等多学科的方法，对根瘤菌与植物宿主固氮效率的关系进行了深入研究。
杨梅属植物共生结瘤固氮研究进展
及 其 内生 放 线 菌 的形 态 结 构 、 杨 梅 属 植 物 根 瘤 内 生 放 线 菌 的 分 类 地 位 、杨 梅 属 植 物 共 生 固 氮 放 线 菌 的 生 理 生 化 特 性 、环 境 条 件 对 杨 梅 属 植 物 根 瘤 共 生 固 氮 的 影 响 以 及 分 子 生 物 学 方 法 在 杨 梅 属 植 物 根 瘤 共 生 固 氮 放 线 菌 中 的 应 用
等 方 面 作 了较 为 详 细 的 阐 述 。
关 键 词 杨 梅 属 ； 生 固 氮 ； 线 菌 ； ｒｎ ｉ 共 放 Ｆ ａ ｋａ
中 图 分 类 号 ：６ ７６ Ｓ６．
文献 标识 码 ： Ａ
文 章 编 号 ：０ ９ ９ ８ 一２ ０ ）０ — ５ － ５ １０ — ９ ０ （０ ２一 ５ ３ １０
Ｋ ｅ Ｗ ｏｒ Ｍ ｙｒｃａ； ｙｍｂｉ ｔｃ ｎｉｒ ｇ ｎ—ｆｘｉ Ａ ｔｎｏ ｙ ｄｓ ／ Ｓ ｏ ｉ ｔｏ ｅ ｉ ｎｇ； ｃ ｉ ｍｙｃ ｔ Ｆｒ ｎｋｉ ｅ ｅ； ａ ａ
在 自然 界 ， 了 豆 科 植 物 之 外 ， 知 有 １ 除 已 Ｏ科 ２ ７ 属 ２ ０多 种 非 豆 科 植 物 也 可 以 结 瘤 固 氮 。 其 中 绝 大 ０ 部 分 是 与 放 线 菌 中 的 弗 兰 克 氏 菌 （ ｒｎ ｉ） 生 Ｉ Ｆ ａ ｋａ 共 】 １ 。 目 前 世 界 上 有 ８科 ２ ４属 ２ ０多 个 种 的 木 本 双 子 叶 ０
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Ｊ ｕｒ ｌ ｆ ｏ ｎａ ｏ Ｆｒ ｔ ｕｉ Ｓｃ ｅ ｃ ４Ｊ结瘤 固氮 研 究 进展 、 ．
何 新 华 陈 力 耕 胡 西 琴
植物固氮细菌与寄主植物的共生关系研究
植物固氮细菌与寄主植物的共生关系研究植物固氮细菌和寄主植物的共生关系是一个重要的研究领域，对于解决农业生产中的氮肥问题，提高作物产量和质量，具有重要的理论和现实意义。
一、植物固氮细菌和寄主植物的共生关系的基本原理植物固氮细菌和寄主植物的共生关系是一种天然的生物合作现象。
植物固氮细菌通过根瘤或茎瘤侵染寄主植物，形成共生关系。
寄主植物为植物固氮细菌提供生存所需的能量、营养物质和保护，而植物固氮细菌则能够将大气中的氮固定成为有机氮，提供给寄主植物和环境中的其他生物利用。
这种共生关系不仅能够提高土壤的氮素含量和作物的产量和质量，还能够改善土壤的肥力和抵抗力。
二、植物固氮细菌和寄主植物的共生关系的研究现状1. 生物学特征：植物固氮细菌生物学的特征主要有形态特征、代谢特征、分子遗传特征等。
寄主植物的特征主要包括形态养分等。
2. 影响因素：影响植物固氮细菌和寄主植物共生关系的因素主要有温度、pH、水分、氮、磷、钾等生态因子。
3. 共生机制：植物固氮细菌与寄主植物的共生机制包括信号识别、细胞分裂和交换营养物质等过程。
共生机制的研究有助于揭示植物固氮细菌和寄主植物共生关系的整个过程。
4. 共生关系的应用：植物固氮细菌和寄主植物的共生关系的应用主要包括三种方向：一是直接应用在农业生产中，提高作物产量和品质；二是应用在环境修复中，改善土壤的肥力和抵抗力；三是应用在科学研究中，揭示共生关系的机理和过程。
三、植物固氮细菌和寄主植物的共生关系的研究前景和挑战植物固氮细菌和寄主植物的共生关系是一项重要的生物合作研究领域。
未来的研究工作需要针对生物学特征、影响因素、共生机制和应用方向等方面进行深入研究，同时面临的挑战也不容忽视。
例如，如何提高植物固氮细菌的氮固定效率，如何选育适应性强、效益高的共生作物，如何解决不同植物固氮细菌和寄主植物之间的竞争和共存问题等。
这些都需要我们加强研究和互相合作来解决。
总之，植物固氮细菌和寄主植物的共生关系是一个复杂的研究领域，是未来农业生产和环境修复等方面的一个重要方向。
豆科植物共生固氮在农业生产中的贡献及应用
豆科植物共生固氮在农业生产中的贡献及应用摘要:豆科植物包括大豆、花生等能够与土壤中的根瘤菌共生固氮，将空气中的分子态氮还原成氨进而减少氮肥的施用，对农业生产具有重要的作用。
同时大豆等豆科植物也是我国主要的蛋白质和油料作物，是农业生产中优良的轮作和间套种作物。
因此，本文概述了豆科植物与根瘤菌共生互作的基本过程、生物固氮对于农业生产的贡献与应用、以及部分存在的问题等，以期望充分发挥豆科植物的生物固氮作用，并为我国的可持续性农业的发展提供一些可参考的途径和依据。
关键词:豆科植物；根瘤菌；共生固氮；可持续性农业1前言豆科（拉丁学名：Leguminosae sp.）属于双子叶植物纲、蔷薇目。
一般为乔木、灌木、亚灌木或草本，直立或攀援，广泛分布于世界各地。
豆科植物在中国境内约有1485种，各省区均有分布。
其中，大豆、花生等豆科植物是人类食品中蛋白质的重要来源之一，具有重要的经济意义。
此外，豆科植物还可以与根瘤菌共生互作形成固氮的根瘤，进而减少对于氮肥的依赖。
因此，如何更好地利用好豆科植物与根瘤菌共生固氮，减肥增效，以促进我国的可持续农业的发展，已经成为当下的一个研究热点。
2豆科植物与根瘤菌共生互作的基本过程根瘤菌侵染豆科植物并逐步形成可以生物固氮的根瘤是一个非常复杂的过程。
近些年来，随着遗传学、分子生物学的发展，人们对于豆科植物与根瘤菌共生互作的基本过程已经有了一个较清晰的认识。
首先，在缺氮环境下，豆科植物的根部会分泌类黄酮（Flavonoid）等化合物到根际周围，土壤中根瘤菌体内的特殊蛋白，称之为Nod D，可以感知这些特殊的类黄酮物质，然后诱导根瘤菌结瘤基因表达、合成并释放结瘤因子(Nodulation factors, NFs)。
结瘤因子NFs是一类脂质寡聚糖信号分子，可以被豆科植物细胞膜上的特异受体蛋白所识别，从而激活下游的共生信号。
作为响应，植物根毛会发生一系列形态、生理和生化的应答反应：如钙离子内流和细胞核内钙离子呈节律性变化、根毛顶端膨大、根毛分枝和卷曲等现象。
植物与根瘤菌的共生关系研究
植物与根瘤菌的共生关系研究植物与微生物之间有着多种不同类型的关系，其中的共生关系对于农业生产有着极为重要的意义。
在这些不同类型关系中，植物与根瘤菌之间的共生关系是其中一种比较重要的共生方式。
根瘤菌可以将氮气转化为植物生长所需的氨氮颗粒，从而为植物提供氮素。
与此同时，根瘤菌也从植物中获得了碳素和其他必需的营养物质。
这种共生关系从不同的角度亦被称为根瘤菌-植物相互作用、根瘤菜菌根共生等。
这种共生关系在农业生产中得到了广泛的应用，可增加农业产量，改善土壤肥力并减轻化肥的使用。
根瘤菌广泛存在于大多数奇穗科植物的根系中，包括白花豆、大豆、豌豆等，因此，这种共生关系对于这些植物的生长和发育具有非常重要的作用。
根瘤菌的种类非常多，且在不同的植物上具有不同的特性。
因此，在不同的场景下，不同的植物所具有的根瘤菌的特性也会有所不同。
这种共生关系的研究已经开展了很多年，并获得了许多重要成果。
但是，我们对根瘤菌与植物共生关系的了解还需要更深入和广泛的探索。
研究根瘤菌与植物共生关系时，关注点主要是探寻根瘤菌对植物的影响，以及它们之间的相互作用对土壤生态系统的贡献。
在这方面，研究人员们通过一系列的实验手段和分析技术，开展了很多有趣的工作。
以下就是一些常见的根瘤菌与植物共生关系研究的重要方向。
1. 根瘤菌的筛选在根瘤菌选择方向的研究中，研究人员首先需要收集不同的根瘤菌，这些根瘤菌可以来自自然界，也可以从农场或实验室中收集。
接着，研究人员会先进行一些初始的筛选工作，以确定哪些根瘤菌是可以共生衍化的。
2. 沟通信号在根瘤菌作为植物共生菌的过程中，它们与植物之间进行着复杂的交流。
植物通过向根瘤菌分泌信号分子的方式，来启动一个基于早期信号的互动过程。
研究人员对这种信号分子及其作用机制进行了深入的研究。
3. 生理生化研究人员通过使用先进的生理生化工具，包括GFP荧光标记，RNA测序，质谱法等，开发了一系列方法用于研究根瘤菌-植物相互作用。
固氮菌的生产应用现状及研究方向[整理]
![固氮菌的生产应用现状及研究方向[整理]](https://img.taocdn.com/s3/m/03c94d79b94ae45c3b3567ec102de2bd9605dea4.png)
固氮菌的生产应用现状及研究方向前言：固氮菌可以增加作物的产量，在农业生产中具有重要的作用。
目前应用最多的主要是根瘤菌，生物固氮越来越受到重视，它将向更深更远的方向发展。
population can increase the plant's output in agriculture has an important role. at present, the most applied largely root nodule truffles, and biological nitrogen fixation more attention, it will more further developed.引言：固氮作用是将空气中的氮气固定成氨。
人类与许多其它生物一样需要氮素作为合成蛋白质的原料，但不能自我合成有机氮。
虽然空气中有78%是氮气，但是绝大多数生物不能直接利用空气中的氮气。
关键词：固氮菌生产根瘤菌应用研究方向这里所说的固氮菌类肥料是指以自生固氮和联合固氮微生物菌生产出来的固氮菌类肥料生产中以联合固氮菌肥为。
这是由于联合固氮体系存在广泛，特异性不强，应用的范围；它的不足之处是作物与微生物只是松散的联合，它们之间没有形成共生的组织结构，因此固氮的活动容易受许多条件的制约。
例如，环境中速效氮含量高时，固氮活动受到抑制，有些芽胞细菌在有氧情况下常常停止1应用基础此类微生物肥料在生产实践中应用不少，其原因是除了它们能固定一定量的氮以外，这些微生物当中的许多菌株在生长繁殖过程中，它们能够产生多种植物激素类物质，促进作物生长。
2目前，用于生产此类微生物肥料的菌种主要有：园褐固氮菌或称为褐球固氮菌(Azotobacter chroococum)；棕色固氮菌亦称维涅兰德固氮菌(Azotobacter chroococum)；德氏拜叶林克氏固氮菌(Beijerinckia derxii)和克氏杆菌属(Klebsiella spp.)、肠道杆菌属(Enterobacter spp.)及产碱菌属(Alcaligenes spp.)中的某些菌种。
生物固氮的研究进展
生物固氮的研究进展一、本文概述生物固氮，指的是生物体（特别是某些微生物）在无氧或低氧条件下，将大气中的氮气（N₂）转化为氨（NH₃）或其他含氮化合物的过程。
这一过程对于全球氮循环和生物圈的氮素供应具有至关重要的作用。
本文旨在概述生物固氮的研究进展，包括固氮微生物的种类与特性、固氮机制、固氮效率的提高方法，以及生物固氮在农业、环保和工业生产等领域的应用前景。
我们将重点介绍近年来在分子生物学、基因工程和生物技术等方面的新发现和新进展，以期为推动生物固氮的深入研究和实际应用提供参考。
二、生物固氮的微生物学基础生物固氮，又称生物氮固定，是指某些微生物在常温常压下，将大气中的氮气（N₂）转化为氨（NH₃）或其它含氮化合物的过程。
这一生物过程在地球氮循环中起着至关重要的作用，为许多生态系统和农作物提供了必要的氮源。
生物固氮的微生物主要包括两大类：自生固氮菌和共生固氮菌。
自生固氮菌，如圆褐固氮菌，能够在无植物存在的情况下独立进行固氮作用。
而共生固氮菌，如根瘤菌，必须与植物形成共生关系，在植物根部形成根瘤结构，才能有效固氮。
固氮过程的核心是固氮酶的作用。
固氮酶是一种由铁蛋白和钼铁蛋白组成的复合酶，能够在ATP的供能下，将N₂还原为NH₃。
这一过程中，铁蛋白起到传递电子的作用，而钼铁蛋白则是固氮反应的催化中心。
固氮微生物具有独特的生理生态特性，以适应其在各种环境条件下的固氮生活。
例如，它们能够分泌多种胞外酶，分解有机物质以获取能量和营养；同时，它们还能够形成特殊的细胞结构，如根瘤，以提高固氮效率。
固氮效率受到多种因素的影响，包括环境因素（如温度、湿度、光照等）、土壤条件（如pH值、有机质含量等）以及微生物自身的遗传特性。
因此，在农业生产中，通过调控这些因素，可以有效提高生物固氮的效率和效果。
随着分子生物学和基因工程技术的快速发展，对固氮微生物的遗传机制和固氮酶的作用机制有了更深入的了解。
这为通过基因工程手段改良固氮微生物、提高其固氮效率提供了可能。
植物与根际微生物共生关系研究
植物与根际微生物共生关系研究随着科技的发展和研究的深入，人们逐渐认识到植物与根际微生物之间建立的共生关系对植物生长和生态系统的功能具有重要影响。
植物通过与根际微生物合作，能够获取到更多的营养物质、增强对逆境的抵抗力，并且维持土壤生物多样性。
因此，对植物与根际微生物共生关系进行深入研究，对于提高农业生产效率、改善生态环境具有重要意义。
一、共生关系的类型在植物与根际微生物共生关系中，主要有以下几种类型：1. 根瘤菌共生关系：根瘤菌与豆科植物之间建立了一种特殊的共生关系。
根瘤菌能够固氮，将空气中的氮转化为植物可利用的氮源，同时植物为根瘤菌提供碳源，形成互利共生的关系。
2. 菌根共生关系：菌根是一种由植物根系与真菌菌丝相互缠绕形成的结构。
菌根真菌能够增加植物对水分和养分的吸收能力，同时植物为真菌提供有机物质，实现互惠共生。
3. 植物与根际细菌的共生关系：植物的根际细菌可以通过多种方式促进植物生长，包括合成植物生长激素、溶解磷酸盐和铁等，还能够对抗病原微生物的感染。
二、共生关系的影响因素植物与根际微生物的共生关系受到多种因素的影响，包括环境因素、植物基因和微生物群落结构等。
1. 环境因素：土壤pH值、温度、湿度和营养物质的含量等环境因素对植物与根际微生物的共生关系起着重要的调节作用。
2. 植物基因：植物的根系分泌物和根系表面的特异性结构可以吸引或排斥特定的微生物，从而影响共生关系的建立。
3. 微生物群落结构：土壤中的微生物群落结构会影响植物选择与之建立共生关系的微生物种类。
同时，不同微生物的存在也会相互影响，形成复杂的相互作用网络。
三、共生关系在农业生产中的应用植物与根际微生物的共生关系在农业生产中有广泛的应用价值。
1. 提高作物产量：通过选择有益共生微生物，可以提高植物的养分吸收效率、增加作物产量。
例如，利用菌根真菌可以增强果树的耐盐性和耐旱性，提高果实的产量和质量。
2. 抑制植物病原菌：一些根际微生物具有抑制植物病原菌生长的能力，可以作为生物防治的一种策略。
固碳微生物相关研究现状及发展动态
固碳微生物相关研究现状及发展动态生物固氮研究现状及发展动态从1862年发现生物固氮现象以来，对生物固氮的研究已经经历了大约一百五十年。
生物固氮作为一个世界性的基础研究课题，各国都对其做了大量的研究工作，并取得了不俗的成绩。
当前生物固氮已经成为一个交叉学科的综合性研究课题，从以往的生态水平，个体水平，细胞水平逐渐转变为分子水平，甚至原子水平，从宏观到微观层次的转变。
生物固氦的早期研究主要是广泛开展对根瘤菌分离、鉴定、分类和固氮的生理以及固氦微生物在农业上的应用。
20 世纪70年代后，固氮微生物学的侧重点转入固氮酶系统和固氮基因转移方面的研究。
生物固氮是由一些原核生物在固氮酶的作用下发生的一种特有的反应，生物固氮的化学方程式为:N2+ 8H+ + 8e - + 16 ATP一2NH3 + H2+ 16ADP + 16 Pi。
此催化反应对电子转移,氢还原和ATP有很高的需求量。
在豆科植物根瘤中,入侵的根瘤菌分化成类菌体(bacteroids)形式并且催化大气中的氮气还原为氨。
这一反应的直接产物氨(N H ) ,或以NHA*离子的形式被输送至植物胞质,在那里它们通过谷氨酰胺合成酶途径被同化为谷氨酰胺。
谷氨酰胺为细胞氮流通服务,使得其他的氨基酸(乃至蛋白质)和核苷酸(以及RNA ,DNA ,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,ATP)得以合成。
具有固氮作用的最知名的植物是在豆科(L eguminosae)，豆科植物共生固氮是自然界中最强的生物固氮体系)我国生物固氮研究进展我国从1937年开始研究生物固氮以米，已经有七十多年历史了。
尽管我国生物固氮的研究起步较晚，但广大科技人员还是克服了建国前的战乱以及建国后的种种困难，取得了一系列的重要成果，在某些方面还具有重要影响。
1)在我国豆科植物根瘤菌和非豆科树木结瘤弗兰克氏菌的资源调查和分类方面，研究人员已坚持工作20多年，逐步摸清了我国豆科植物根瘤菌和非豆科树木结瘤弗兰克氏菌的资源[14,15]。
固氮菌研究现状及前景分析
固氮菌研究现状及前景分析摘要固氮菌所进行的生物固氮作用是土壤中氮素的主要来源，也是固氮微生物参与自然界氮素循环的主要环节，固氮菌主要包括自生固氮菌、共生固氮菌和联合固氮菌，涵盖固氮细菌和固氮蓝细菌两者共59个属。
本文将对固氮菌固氮作用的应用、基因工程育种在固氮菌研究上的应用以及固氮菌的最新研究进展等方面进行展开阐述，并进一步展望固氮菌的前景。
关键词固氮菌基因工程育种应用前景·AbstractBiological nitrogen-fixing is the main source of nitrogen in soil, also is the mainprocess that N-fixing bacteria take part in natural nitrogen cycle. N-fixing bacteriainclude free-living nitrogen fixing bacteria, symbiotic nitrogen fixing bacteria andassociative nitrogen fixing bacteria. This article will introduce the application ofnitrogen bacteria and the perspective of nitrogen fixing bacteria.KeywordNitrogen-fixing bacteria Genetic-engineering Application Perspective 固氮微生物包括自生固氮菌、共生固氮菌以及联合固氮菌三大类型。
对固氮菌的研究在农业生产，增加作物产量以及合成蛋白质等方面有着极其重要的应用。
本文叙述了生物固氮研究取得的重大进展和成果，包括发现了固氮基因，证实了克氏杆菌固氮基因操纵子的连锁性及正调控基因的调节机制和对氧、温度的敏感性；发现根瘤菌结瘤调控基因nodD3的产物对结瘤基因表达的启动不受宿主类黄酮的作用；发现根瘤菌的碳利用基因和固氮生物氮代射和碳代谢基因表达及其调节的偶联作用；在固氮基因表达调节基础上，构建了固氮基因工程菌株，并在生产中得到应用。
基因水平转移在根瘤菌进化中的研究进展
基因水平转移在根瘤菌进化中的研究进展陈雪莲; 江高飞; 钟增涛【期刊名称】《《生物技术通报》》【年(卷),期】2019(035)010【总页数】7页(P18-24)【关键词】基因水平转移; 根瘤菌; 共生固氮; 适应性进化【作者】陈雪莲; 江高飞; 钟增涛【作者单位】南京农业大学生命科学学院南京 210095【正文语种】中文根瘤菌是一类革兰氏阴性土壤细菌，能够与大多数豆科植物共生固氮。
根瘤菌与植物共生形成根瘤或茎瘤，在根瘤内分化成类菌体后能够将空气中的氮气通过生物固氮作用转化为铵。
植物进一步将铵转化为氨基酸等氮源物质，满足其生长繁殖需要［1］。
豆科植物是植物界最大的一个科，约有650属19 700种，大多数豆科植物可以与根瘤菌建立共生固氮体系［2］。
由于根瘤菌的宿主专一性较强，如何扩大根瘤菌在豆科植株上共生固氮的宿主范围，最终实现在非豆科植物上的共生固氮是根瘤菌研究的最终目标［3］，也是生物固氮研究的目的之一。
1 基因水平转移（HGT）原核生物具有从环境或其他生物体基因组获取部分DNA的独特能力，并在称为基因水平转移（Horizontal gene transfer，HGT）的过程中将其整合到自身基因组中［4］。
基因水平转移是相对垂直进化（通过亲代传给子代）而言的，可以让细菌快速获得新的遗传性状从而促进细菌的进化。
基因水平转移在微生物进化过程中发挥着重要的作用，它打破了遗传依赖亲缘关系的界限，使遗传物质能够在不同的物种之间进行交换，原核生物通过基因水平转移的方式可提高对环境的适应性，并具备遗传的多样性［5-6］。
通过这种方式，微生物可以获得新的基因型和表型，例如毒力、抗生素抗性、代谢和共生等［6］。
基因水平转移的主要类型分别是：（1）转化：从环境中吸收外源DNA的能力；（2）转导：通过噬菌体介导将DNA从一个细胞转移到另一个细胞；（3）接合：通过质粒或者接合转移元件将DNA从供体细胞向受体细胞进行接触型转移。
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福建农林大学学报(自然科学版)第31卷第1期Journal of Fujian A griculture and Fo restry U niversity(N atural Science Editi on)2002年3月微生物与植物共生结瘤固氮的分子遗传学研究进展黄志宏,吕柳新(福建农林大学园艺学院,福建福州350002)摘要:以根瘤菌-豆科植物共生体系为主要代表,综述了近年来在结瘤固氮分子遗传学研究领域所取得的进展,特别是共生双方与结瘤、固氮有关的基因的定位、表达与调控.关键词:根瘤;共生固氮;共生基因中图分类号:S154.3文献标识码:A文章编号:100627817(2002)0120067206Advances i n m olecular genetics of sy m b iotic n itrogen-f ixa tion i n root nodulesHUAN G Zh i2hong,LU L iu2x in(Co llege of Ho rticulture,Fujian A griculture and Fo restry U niversity,Fuzhou,Fujian350002,Ch ina)Abstract:T ak ing rh izobia2legum e sym bi o sis as the examp le,the recent advances in mo lecular genetics of nodulati on and ni2 trogen2fixati on,expecially in locati on,exp ressi on and regulati on of genes fo r sym bi o sis,are review ed.Key words:roo t nodule;sym bi o tic nitrogen2fixati on;sym bi o tic gene固氮分子遗传学的研究始于20世纪70年代初期,英美科学家以肺炎克氏杆菌(K lebsiella p neum on i2 ae)为模式材料,分别以转导和接合等方法实现了固氮基因的遗传定位和精细结构分析.在此基础上,通过转座子突变、重组克隆和质粒转化等分子生物学技术的应用,在根瘤菌(R h iz obium)遗传学研究上取得了一系列突破.80年代末通过细胞融合技术获得了链霉菌(S trep to m y ces)和弗兰克氏菌(F rank ia)的融合子.微生物与宿主植物的相互作用是一个由双方有关基因共同参与、相互识别、交换信息、协同作用并能随环境条件和细胞内生理状态变化而自主调节的复杂过程[1,2].根瘤菌参与相互作用的基因类群包括控制根际繁殖(Roc)、根部附着(Roa,nod)、根毛卷曲和分枝(H ac、H ab,nod、ex o)、侵染(Inf,nod、ex o、nd v)、根瘤发生(N o i,nod)、菌体释放(B ar,f ix)、类菌体形成(B ad,f ix)、固氮及互补功能(N if、Cop,n if、f ix)和根瘤维持(N op,f ix)等过程的各种基因;在植物方面必须调控侵染防御机制,从而不排斥根瘤菌的侵入,同时调节根瘤部位的激素水平.在根瘤的发育和成熟过程中还产生一些专门的蛋白质如豆血红蛋白(leghem oglob in)和结瘤素(nodu lin),这些蛋白质的基因在结瘤中顺序表达,与根瘤菌基因协同作用,完成共生建立过程.从总体上说,这些基因表达和生化过程可分为3个步骤,即结瘤早期、根瘤发育期和固氮作用期.结瘤早期根瘤菌的基因表达受nodD的调节,该调节由植物产生的类黄酮化合物激活;nod和ex o控制产生的结瘤因子引起根毛卷曲和皮层细胞分裂,根瘤菌的胞外多糖在识别和侵染中起识别受体及隔离作用,并具有主动信号功能;根瘤形成后,细菌进入类菌体阶段,宿主细胞产生大量豆血红蛋白,细菌n if、f ix基因表达,合成固氮酶,开始固氮[3,4].1 根瘤的形成和发育1.1 植物凝集素和类黄酮化合物结瘤早期植物根系可分泌类黄酮化合物、少量酚类化合物和甜菜碱,根瘤菌由于对此有趋化性而集中于植物根部,并利用钙结合蛋白(rh icadhesin)吸附到发育中的根毛表面,在根瘤菌的纤维素原纤维(cellu2 lo se fib rils)和宿主植物凝集素(lectin)参与下发育成菌落.植物凝集素是一种植物糖蛋白,能专一识别糖基,它的一端与根瘤菌的次级受体结合,另一端与宿主植物根毛上的类似受体结合,在糖和蛋白质分子的相互作用中起重要作用,同细菌的表面多糖、结瘤因子一道参与了根瘤菌与植物的专一性识别.如从车轴草(T rif olium)根毛分离到的植物凝集素trifo liin A专一地结合于R.leg um inosa rum bv.trif olii细胞表面的酸性胞外多糖(EPS)和脂多糖(L PS),将豌豆凝聚素基因(p sl)转入车轴草(T.rep ens L.)中,则R.leg u2收稿日期:2001-04-17作者简介:黄志宏(1969-),男,硕士.研究方向:生物固氮.现在福建省亚热带植物研究所工作.m inosa rum bv.v iciae可侵染车轴草并结瘤.已知的类黄酮化合物有黄酮类、黄酮醇类、黄烷酮类、异黄酮类等约15种[5,6].一种植物可以同时分泌几种类黄酮化合物,它们对根瘤菌有诱导或抑制作用.类黄酮化合物对细菌内膜有很高的亲和性,能插入内膜磷脂双分子层,激活位于根瘤菌细胞内膜的组成型蛋白N odD[7].在这个过程中,类黄酮化合物为N odD起作用所需,一族相关的类黄酮化合物能给予N odD相似的活性,窄宿主范围根瘤菌的N odD只能应答少数类黄酮化合物,而广宿主范围根瘤菌的N odD则能应答多个类黄酮化合物,如能在70多种不同属的豆科植物上结瘤的R.sp.N GR234至少应答11种类黄酮[8,9].1.2 与表面多糖合成有关的基因根瘤菌的表面多糖——酸性胞外多糖(EPS)、脂多糖(L PS)、中性葡聚糖与侵染过程及根瘤发育有关.根瘤菌开始侵染必须穿透宿主细胞壁,进入宿主细胞,这一过程要校正细菌的表面成分和植物的表面成分.胞外多糖在细胞内膜装配完毕后转运到细胞表面,在根瘤菌对根毛的吸附、根瘤及侵染结构的形成、保护细胞免受植物防卫反应的作用等方面存在非专一性的作用.在根瘤发育阶段,胞外多糖的结构起着特异性的信号分子作用,不同根瘤菌产生的EPS结构不同,这种结构差异性可能与宿主特异性有关.如R. m eliloti的ex oH突变株产生非琥珀酰化的EPS ,另一突变株的EPS 非丙酮化,二者都不能正常侵入苜蓿根瘤;完全丧失合成胞外多糖能力的变种(EXO-)能诱导根毛变形和皮层细胞分裂,形成侵染线但细菌不能进入根瘤,往往只形成无细菌感染的空瘤或产生植物的防卫反应.根瘤的发育经过侵染阶段后,胞外多糖就不重要了.R.m eliloti可产生2种酸性胞外多糖EPS 和EPS ,其合成分别受ex o、exp(m uc)控制.ex o位于内源大质粒(1500kb)和染色体上,调节基因ex oR、ex oS调节大部分ex o基因的转录和翻译,影响EPS 的合成,m ucR、expR影响EPS 的合成.此外,EPS合成还受ex oX2ex oY、sy r M2sy r A调节[5].在R.leg um inosa rum中,EPS合成受p si2p ss的调控,p si位于Sym质粒上,邻近n if,编码一个小蛋白,抑制EPS的合成;p sr亦位于质粒上,抑制p si的转录;p ss也与共生有关[10].在R.f red ii上,一个与nodD有关的基因——nodD2也影响EPS的合成,nodD2对ex o有调节作用,使nodD2突变体根瘤的形成推迟,部分根瘤丧失固氮能力,植物细胞中类菌体数量减少[3].中性葡聚糖与细菌的渗透适应性有关,可能在细菌与宿主细胞的结合中直接起作用,控制菌株对植物细胞的附着和致瘤.在R.m eliloti的染色体上已鉴定出nd vA和nd vB,其结构和功能与A.tum ef aciens的chvA和chvB类似,同胞外多糖一样,葡聚糖在细菌避免植物的防卫反应中起作用.nd v突变的R.m eliloti 菌株不能分泌葡聚糖,只能形成空瘤,在空根瘤中侵染线周围的植物细胞积累胼胝质和酚类化合物,并进行与植物防卫反应有关的基因(苯丙氨酸氨裂解酶,苯基苯乙烯酮合酶)表达[2,8].1.3 结瘤基因及其调控已被鉴别的根瘤菌中与结瘤有关的基因(nod,nol,noe)有30余个,其中部分功能、性质已知或已被测序.结瘤基因大多与结瘤因子的合成和外运有关,这些基因可分为调节基因(nodD)、共同结瘤基因(nodA B C IJ)和宿主专一基因3类[11,12].在R h iz obium中结瘤基因定位于共生质粒(sym p las m id)或染色体上,B rady rh iz obium上的所有结瘤基因均位于染色体上.nodD是组成型的调节基因,与nodA B C操纵子相连,但转入方向相反.异种根瘤菌中的nodD具同源性,但不同菌株拷贝数不同,如R.leg um inosa rum bv.trif olii只有1个nodD,R.m eliloti有3个nodD.单拷贝基因失活后就失去结瘤能力,多拷贝基因中有1个nodD失活则推迟结瘤,多拷贝的nodD是与多种宿主结瘤的基础[2].N odD是DNA结合蛋白,分子质量为33ku,可能插入细胞质侧的膜单层中,调节基因几个操纵子的转录,被列入原核L ycR转入调控蛋白家族.N odD对类黄酮化合物的专一性可能由整个N odD的3级结构决定,N odD的C端保守性不如N 端,它影响对类黄酮化合物的专一性;N端序列的一些突变又能改变类黄酮化合物的专一性[5].nodD的表达调控在不同菌种、菌株以至同一菌株的不同拷贝间都有差异,R.leg um inosa rum bv.v iciae和R.leg um i2 nosa rum bv.trif olii为自身负反馈调控,R.leg um inosa rum bv.p haseoli和B.jap on icum的nodD1则在某些类黄酮存在下自身激活,R.m eliloti的共生质粒上还有一个类似nodD的S y r M基因.symM属于L ycR 家族的正调控蛋白,nodD3与S y r M构成正反馈回路,其某些菌株还存在nolR.N o lR是一分子质量为13349u的DNA结合蛋白,包含一个与L ycR家族同源的螺旋——转折——螺旋结构,能以二体结合到nodD1、nodD2的启动子,对nodD1、nodD2和nodA B C的表达进行负调[6].N odD被类黄酮化合物激活后结合在诱导型结瘤基因启动子区高度保守的核苷酸序列nod box(30—60bp)上,再诱导结瘤基因的表达[1].nod box离nod A B C,nod F E和nodH转入起始位点只有24-28bp,并且也很靠近nodD的转入起始点.N odD可能以级联调节方式控制nod基因的表达[8].这些nod基因编码出来的蛋白(酶)进而合成信号分子即结瘤因子,结瘤因子进一步诱导其它非共生质粒上基因的表达、宿主植物根部皮质细胞分裂和根瘤素基因(EN OD5、EN OD12、EN OD40)的表达,形成侵染线,参与细菌吸附后根毛顶端生长的重新定向,引起一系列结瘤反应的发生[6,11].1.4 结瘤因子共同结瘤基因结构保守,在异种根瘤菌中可以互换.nodA B C突变体完全丧失了诱导根毛变形、皮层细胞分裂及形成侵染线的能力;nod IJ突变体使结瘤延迟,固氮效率降低[5];宿主专一性基因(hsn genes、nod F E、nodG、nodH、nodLM N)在结构和功能上没有共性,控制着不同取代基对核心分子的修饰,决定结瘤因子的宿主专一性;异种根瘤菌相应基因间不能互补.宿主专一性基因突变并不破坏结瘤能力,只是影响根毛弯曲及侵染线形成,使结瘤推迟,根瘤数量降低,或宿主范围发生变化.宿主专一基因调节宿主范围的变化有2种遗传机制:一种是基因内等位基因变化,如R.m eliloti、R.trif olii、R.leg um inosa rum的nod F E,DNA及氨基酸序列保守性强;一种是基因不同组合等位基因变化.结瘤因子是三到六聚的乙酰葡萄糖胺组成的寡糖,并受到多种修饰,如脂肪酰基化及磺基化,很可能是根瘤原基形成和早期结瘤基因表达所需的唯一细菌信号分子,是根瘤菌与宿主特异识别的主要信号.结瘤因子的取代基团参与了专一的宿主识别[13].N odA B C负责合成结瘤因子的寡糖骨架,这在所有的根瘤菌中都是相同的;hsn负责添加修饰基团,为结瘤因子提供宿主专一性,广宿主范围的根瘤菌能产生多种结瘤因子,其基本结构相同,但取代基不同[6].宿主是苜蓿(M ed icag o)的R.m eliloti结瘤因子N odRm2 (16∶2,S)受到nodD、nodQ的修饰,在还原性糖残基上有一个硫酸基团;宿主是野豌豆(V icia)的R.leg um inosa rum bv.v iciae的结瘤因子Ro2 dR lv2 受nod E修饰,无硫酸基团;R.m eliloti nodH突变体的结瘤因子无硫酸基团可在野豌豆上结瘤,但丧失了在苜蓿上结瘤的能力;广宿主范围的R.sp.N GR234能产生18种以上的结瘤因子[14].N odC可能是聚乙酰氨基葡糖合成酶,C端位于细菌的细胞内膜,N端位于外膜上;N odB是聚乙酰氨基葡糖脱乙酰酶,催化从非还原端C2上去掉乙酰基的反应;N odA则负责把脂酰基连接到C2上,N od I、N odJ参与膜转移复合体的合成;N od M是氨基葡糖合成酶,参与结瘤因子寡糖亚单位的合成;N odE、F、G参与结瘤因子脂肪链的合成和修饰;N odH、P、Q决定结瘤因子的硫酸化;N odL具乙酰转移酶活性,催化结瘤因子非还原端糖O26的乙酰化;N odX催化还原端糖O26的乙酰化;N odO是钙结合蛋白,能结合于植物细胞的表面受体,参与早期细菌——宿主相互作用调停[5,12].在F rank ia中未发现与根瘤菌nod同源的DNA序列,但发现了与E r w in ia ch ry san the m i的p el(果胶酶基因)、C lostrid ium ther m ocellum的cel(纤维素分解酶基因)同源的DNA序列.F rank ia在侵染宿主时与病原菌类似,必须先水解植物细胞壁,编码这些水解酶的F rank ia基因被认为与结瘤有关[15].根瘤菌在宿主上形成侵染线时,可诱导植物细胞局部释放水解酶,导致根毛的细胞壁局部降解,但未发现在结瘤中起作用的根瘤菌基因编码水解酶[16].2 根瘤的固氮2.1 固氮基因根瘤菌的固氮基因一般分为两群:与K.p neum on iae固氮系统同源的称为n if基因,对于共生固氮是必要的,在K.p neum on iae中,同固氮有关的n if基因大约20种,其中许多基因在固氮生物中具同源性;另一群不同源的系统称为f ix基因.n if和f ix的突变株能结瘤,但不固氮.n if D H K在各种固氮微生物中保守性很强,且保守性n if D>n if K>n if H.在根瘤菌中,n if H D K紧密连锁,形成一个操纵子,且位于Sym 质粒上;在B rady rh iz obium中,n if H和n if D K相距数kb,分属2个不同的转录单位,都位于染色体上.在已检测的F rank ia菌株中,已克隆和测序的固氮基因都位于染色体上,但在A rgP5A g的190kb的大质粒p FQ69上也有n if存在,其中5个菌株n if D、H连锁,在A r I3上,n if H D K连锁[17].n if H编码Fe蛋白, n if D K编码M oFe蛋白的Α、Β亚基,N ifA是调节蛋白,参与调节n if、f ix基因操纵子的转录.n if N、n if E、n if B、n if Q、n if V与Fe M oco合成有关,n if F、n if J和固氮酶电子传递有关,N ifF是一种黄素氧还蛋白.此外,还发现:f ix F、f ix G、f ix H、f ix I,f ix的功能大多不清楚;f ixA B CX在大多数根瘤菌中组成一个操纵子,产物与固氮过程中的氧化还原有关;F ixA、F ixX与细菌铁氧还蛋白相似,可能与固氮酶电子传递有关[18];F ixB类似黄素氧化蛋白;F ixC类似黄素蛋白——泛醌氧化还原酶;f ixN OQ P构成一个受微氧调节诱导的操纵子;F ixNOQ P是与细胞膜结合的细胞色素氧化酶,与类菌体在根瘤微氧条件下的呼吸作用有关;f ix GH IS组成一个操纵子,产物可能是与氧化还原反应偶联的阳离子输送有关的一个膜蛋白复合体;F ixG有一个铁硫中心;F ix I的序列类似输送阳离子的腺苷三磷酸酶[2,8].2.2 固氮基因的调控在K.p neum on iae中,n if的表达受到氮调节系统n tr(包括n tr A、n tr B、n trC)和n if A L操纵子系统的控制,n tr A、n trC的产物激活n if A、N if A,由n tr A编码的∆因子激活其他基因的转录.N trC的活性受N H3影响,N H3浓度高时,GlnB同N tr B结合,使N trC去磷酸化,丧失活性.N tr L有阻碍物活性,有氧时与N i2 fA相拮抗[19,20].在共生固氮中,根瘤菌n if的调控与K.p neum on iae不同,低氧浓度通过f ixL、f ix J来调节n if A的表达.F ixXL与氧结合后,增强了自身的磷酸化以及F ixJ的磷酸化,经过一系列级联反应最终诱导固氮基因在低氧浓度下的转录,n if A不需N trC激活,且未发现n if L的同源片段,n if A、n tr A的产物推动其他基因的转录[21].在A z oriz obium中,由于其兼有共生和自生,n if A是自动调节,转录受可供态氮的抑制,但仅部分不依赖n trC,说明有另外调节基因,已鉴定出n trY、n trX2个基因可能与氧的调控有关.在B.jap on icum中,n trC对n if A的控制作用尚未知,n if A不是自动调节,n if A和f ix R组成一个操纵子[22,23],N ifA的直接氧失活影响了n if A的调控能力.3 相关的植物基因3.1 结瘤素基因一些植物基因在根瘤发育的各个阶段得到特异性的表达,产生一些特异性蛋白即结瘤素,参与根瘤的发育,这些植物基因被称为结瘤素基因.在根瘤固氮开始之前表达的植物基因称为早期结瘤素基因(EN2 OD),与侵染过程有关,如ENOD5、ENOD12可能是侵染线壁或膜的组成部分,ENOD40与物质运输有关;在根瘤固氮开始之后表达的植物基因称为晚期结瘤素基因(N OD),如与豆血红蛋白(L b)、尿酸酶、谷氨酰胺合成酶(GS)等与合成有关的基因[1,5].目前已发现的结瘤素有30多种,据其功能可分为3类,第1类是根瘤结构蛋白,可能与代谢产物穿过包裹类菌体的膜的转运有关,如N226;第2类是把类菌体固定的氮素同化并转移到植物内的一些酶,如GS;第3类是维持类菌体的功能所必需的一些蛋白,如L b[24].EN2 OD2特异地在根薄壁组织中表达,基因克隆pENOD2在豆科植物中保守性较强,其结瘤素(如大豆的早期结瘤素N275)是富含脯氨酸的五肽重复序列,可能是一个细胞壁蛋白,与氧扩散障碍形成有关,细胞分裂素可诱导S esban ia rostra ta的EN OD2的表达[8,25];晚期结瘤素在根瘤发育的后期表达,参与根瘤中的固氮和氨同化,大豆结瘤素N235是尿酸酶 的亚基,N2100是蔗糖合成酶的亚基,在四棱豆(w inged bean)中还分离到一个特异地在衰老根瘤中表达的结瘤素基因,该基因编码一个21ku的蛋白酶抑制剂[26,27].3.2 血红蛋白血红蛋白在豆科植物及许多非豆科植物中广泛存在,分成共生血红蛋白和非共生血红蛋白2种类型,其中共生血红蛋白与结瘤固氮有关.原始的植物非共生血红蛋白基因为适应根瘤中输氧的需要而进行复制和修饰,形成共生血红蛋白.大豆根瘤中,共生血红蛋白在促进氧扩散的同时又能保持类菌体周围的低氧环境,从而保护对氧敏感的固氮酶活性;缺少豆血红蛋白的豆科植物根瘤没有固氮活性.植物血红蛋白基因都具有4个外显子、3个内含子的典型特征,且内含子位置相同.豆血红蛋白有多个组分,由相应不同的基因编码.对大豆的血红蛋白研究最为详尽,大豆血红蛋白有4个编码基因(L ba、L bc1、L bc2、L bc3)、2个假基因(L bΩ1,L bΩ2)及2个整切基因.这些基因分别排列在2个位点上,即L ba、L bc1、L bΩ1和L bc2、L bc3、L bΩ2[28].P.and erson ii与B rady rh iz obium的共生根瘤只有1个血红蛋白基因,基因编码区全长486个核苷酸,与豆血红蛋白基因同源性达50%,该血红蛋白具有共生、非共生血红蛋白的双重功能[29].在部分放线菌结瘤植物根瘤中发现血红蛋白,F rank ia与粗枝木麻黄(Casua rina g lauca)共生的根瘤血红蛋白有3-4个基因及1个假基因,基因编码的氨基酸序列与豆血红蛋白有44%的同源性[30].4 与共生固氮相关的其他基因微生物与宿主植物之间特殊的共生合作关系还涉及到一系列问题,如营养物质交换、能量和还原力的供给、生长调节等等.与之有关的基因有p sc A(柠檬酸合成酶基因)、d ct(四碳双羧酸转移酶基因)、m os2 m oc(合成—降解碳氮化合物rh izop ine的基因)、hup(吸氢酶基因)、g lnA2g ln (GS基因)、tz s(第二细胞分裂素异戊烯基转移酶基因)等等,其中一些基因已被克隆和测序,但大部分产物的功能尚未确定.此外,对共生微生物内源质粒、m RNA基因也进行一系列的研究.5 展望生物固氮对于维持地球上的氮素循环和生态平衡有重要意义.共生固氮在生物固氮中占十分重要的地位,其固氮量约占生物固氮量的4 5.根瘤菌、弗兰克氏菌与植物在长期进化过程中所形成的共生固氮体系具有固氮根瘤这一特化器官,固氮效率较高.但由于共生菌特别是根瘤菌的宿主专一性使共生固氮在农业生产中无法得到广泛应用,仅局限在豆科植物和一些非豆科木本植物上.研究植物与共生菌之间识别专一性、信息交换和基因协同表达对共生固氮微生物扩大其宿主范围有重要意义.多年来该研究在生物学、生态学、生理学、生物化学和遗传学等方面取得了重大进展,并随着现代分子生物学研究技术的发展逐步深入到共生结瘤固氮的分子遗传学研究.在根瘤菌共生固氮基因的定位、调控及其与豆科植物的相互作用等方面的研究有了新的突破,初步揭示了根瘤菌与豆科植物相互作用的分子基础,使利用基因工程构建高效工程菌以及建立新的共生体系成为今后研究的方向.参考文献:[1]杨维才.植物固氮根瘤形成的分子机理[A].许智宏,刘春明.植物发育的分子机理[M].北京:科学出版社,1998.120-140.[2]黄大日方,林敏.农业微生物基因工程[M].北京:科学出版社,2001.11-174.[3]A PPELBAUM E.T he R h iz obium bradyrh 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7香菇线虫烂筒病的研究三等奖罗仰奋,张绍升,林丛发,阮瑞国,包著勤8沿海沙地丛生竹生长效果评价与造林技术研究三等奖何水东,姚庆端,林国华,陈礼光,苏金德9马尾松林生态采伐机理的研究三等奖陈长雄,郭建刚,詹步清,程禄阳,张庆美福建农林大学科研处。