生物固氮的研究进展

１．３ 结瘤的非豆科植物 弗兰克氏菌（Ｆａｎｋｉａ） 稻等接种固氮蓝藻都取得了增产效果 引起了普遍
是一种能与非豆科植物共生的放线菌 比根瘤菌更 重视 但到目前为止 除蓝藻外 自生固氮菌很少
易生长 而且固氮酶活性高 木本双子叶植物能与 作为肥料在土壤中应用
其共生结瘤固氮 该固氮体系固氮持续时间长 固
１．４ 联合固氮 定殖于植物根系等部位 与植物 固氮微生物具有固氮作用 如果将固氮基因进行人
间有较密切的关系而在植物根上不形成特异化结构 工转移 就可能获得具有固氮作用的新物种 在这
的固氮菌被称为联合固氮菌 联合固氮菌可与特定 一领域人们已进行了大量的研究 进展显著 固氮
的植物形成联合固氮体系 该体系中的植物主要是 基因已经能够在原核生物界细菌之间转移 例如
衡 另一方面 离体培养菌根菌 使之能廉价 大 菌为代表的模式菌株的基因组工作已经完成 对其
量地制备以满足农业生产的需要［１３］
功能基因组学研究也刚刚兴起 这必将在一个新的
１．５ 自生固氮 主要指生活在土壤中的固氮菌 层次上揭示根瘤菌与宿主植物相互作用机理 我国
能独立地完成固氮作用 它的固氮量远远低于共生 科学家在深入研究在调节基因 ｎｉｆＡ 的表达及其
２１ 世纪 ３０ 年代我国人口将达到 １６ 亿 年需粮食 资源 当前在农业生产应用上较广泛 意义较重要
（按人均 ４００ｋｇ 计算）６．４ 亿吨 每收获 １ 吨粮食约投 的固氮资源有 豆科植物共生固氮 红萍和固氮蓝
入 １００ｋｇ 尿素 总计需尿素 ６４００ 万吨 为了满足 ２０３０ 藻 结瘤的非豆科植物 联合固氮和自生固氮等
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云英根瘤菌 的结瘤固氮基因表达调节的研究 最 近 发现了微生物体内碳代谢与固氮及氮代谢的基
年代末到 ８０ 年代中期 总结了固氮酶催化 Ｎ２ 还原过 程是 ２ＭｇＡＴＰ 与铁蛋白结合 铁蛋白－２ＭｇＡＴＰ 与钼
因表达调节之间 存在着偶联关系 这一发现不仅 铁蛋白结合成复合物 ＡＴＰ 水解 复合物内发生电子
２ 固氮的遗传工程
氮量在 ４５ １５０ｋｇ／ｈｍ２ 现已知能与弗兰克氏菌结瘤
遗传工程是用人工的方法去改变生物的遗传特
的植物分布在 ７ 目 ８ 个科 ２４ 个属中 其种类多 抗 性或按着人们的意愿去创造新的物种 近十多年来
逆性强 在农业和水土保持中具有广阔的应用前景 固氮遗传工程的兴起为研究生物固氮开辟了美好的
Research Progress on Biological Nitrogen Fixation Ci En, Gao Ming
(College of resource and environment, Southwest Agricultural University, Chongqing, 400716, China)
氮效率的基因工程根瘤菌肥而投放到国际市场 与
目前对联合固氮菌研究的重点 一方面是对菌株 粮食作物联合固氮的固氮螺菌的固氮调控机制研究
进行遗传改造 筛选出具有高细胞密度 同时又能 也已逐步明朗 为构建铵阻遏条件下也能固氮的基
大量分泌 ＮＨ４＋的联合固氮菌，使之能与外界环境抗 因工程菌株打下了理论基础 最近 对以苜蓿根瘤
生物氮在现代农业中具有提高作物产量 培肥土 南亚一些国家就利用红萍作为绿肥和饲料 红萍是
壤 维持生态系统平衡的作用 要增加生物氮的数 量 就要有效利用现有的固氮资源和寻找新的固氮
一种水生蕨类植物 它可以与固氮蓝藻共生固氮 其固氮量可达 １５０ ３００ｋｇ／ｈｍ２，高的可在 ４５０ ｋｇ／ｈｍ２
１＊ 基金项目 国家 ９７３ 项目 ００ＣＢ１０８９０５ 第一作者简介 慈恩 男 １９８１ 年 １ 月出生 西南农业大学硕士研究生 通讯地址 重庆市西南农 业大学 １８７＃ 邮编 ４００７１６ 联系电话 ０２３ ６８２５９６０６ Ｅ－ｍａｉｌ ｃｉｅｎ７７７＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ ＊ ＊ 通讯作者 高明 男 副研究员 硕士生导师 投稿 日期 ２００３－０６－１３ 修回日期 ２００３－０８－２０
Abstract: The biological nitrogen fixation is a global strategic problem, and is very significant to environment, food and population and so on. Currently, its research has been being developed on the level of gene, enzyme, cell and ecosystem. The paper reviews home and overseas research works on exhumation and use of nitrogen-fixing resource, genetics engineering of nitrogen fixation, and biochemistry of nitrogenase and chemical modeling of biological nitrogen fixation, and describe the prospect of biological nitrogen-fixing research. Keywords: Nitrogen fixation; Genetics engineering; Nitrogenase; Chemical modeling
原核微生物（细菌和蓝藻） 微生物学中的基因重组
ＮＯ４０ 多糖芽孢杆菌（Ｂａｃｉｌｌｕｓ ｐｏｌｙｍｙｘａ ｓｐ．）和根 和细胞融合等遗传操作新技术为改造生物提供了强
瘤菌后 功能叶中氮 磷 叶绿素含量以及生物学 有力的手段 对于固氮微生物来说 固氮基因 ｎｉｆ
产量均明显提高
操纵和调节固氮酶 Ｎｉｔｒｏｇｅｎａｓｅ 的合成 从而使
Ｂｅｉｊｅｒｉｎｃｋ 分离到好气固氮微生物 圆褐固氮 铵抑制 用此基因工程菌接种水稻和大豆可获得增
菌 １９２８ 年 Ｄｒｅwenku.baidu.comｅｓ 发现某些蓝藻能固氮 并获得 产 近年来 开展了我国特有的华葵中生根瘤菌 紫
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中国农学通报 第 ２０ 卷 第 １ 期 ２００４ 年 ２ 月
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Chinese Agricultural Science Bulletin Vol.20 No.1 2004 February http://zntb.chinajournal.net.cn
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以上 在目前已知的共生固氮体系中 它的固氮量 了多形鱼腥藻 Ａｎａｂａｅｎａ ｖａｒｉａｂｉｌｉｓ 点念珠藻
度已从基因 酶 细胞和生态系水平上逐步展开
洲国家 积极发展种植苜蓿 大豆 播种面积在美
并有了较大进展，现从以下几个方面对生物固氮的 国约占总播种面积 ５０％以上 以发挥生物固氮作用
研究进展作一简要综述． １ 固氮资源的发掘和利用
减少化学氮肥施用量 取得了明显经济效益 １．２ 红萍和固氮蓝藻 在数世纪以前 中国和东
育具有氢酶的固氮微生物的研究也在进行 因为如 递 １ 个电子 并消耗 １ 个 ＡＴＰ 一般公认的固氮反应
高效的 Ｃ４ 植物（如玉米 高粱 甘蔗 黍等） 近年 来有研究表明甘蔗体内的内生固氮菌 它们生活在
已能将肺炎克氏杆菌的固氮基因转移到大肠杆菌中 去 因此 有的学者预言 玉米结瘤固氮可望在 ２１
植物体内 可为植物提供高达 ６０％的氮素 另外 世纪初成功 水稻的固氮也有成功的可能 美国科
Ｇｈｏｎｓｉｋａｒ 等用固氮螺菌接种高粱 结果发现 两者 学家估计 今后 ２０ 年内 生物工程可能使粮食作物
临着能源 粮食 人口和环境等问题 因而生物固 共生固氮方面也进行了大量的研究 新发现结瘤豆
氮的研究倍受世人的关注 随着社会经济和科学技 术的深入发展 生物固氮研究已日新月异，其研究深
科植物 ３００ 种 并经多相分类研究 确定了根瘤菌 新属 ２ 个［３，４］ 新种 ８ 个［５ １０］ 不少国家 特别是美
对生物固氮调控有重要意义 也是对基因表达调控 转移 底物结合与还原 铁蛋白－２ＭｇＡＤＰ 复合物与钼
的基础研究中的一项重要贡献 它为进一步研究光 铁蛋白分离 ２ＭｇＡＴＰ 替换出 ２ＭｇＡＤＰ 又形成铁蛋白
合和固氮之间的联系 提供了理论基础 另外 培 －２ＭｇＡＴＰ 复合物 如此完成一次循环 每循环一次传
可形成联合固氮体系 并且形成联合固氮体系的高 产生自身固氮能力 从而可节约生产氮肥投资的 ９０
梁根量增加 ２９ 根体积增加 ３９ 籽粒增产 １８％［１１］
以上［１４］
李季伦等对从我国土壤中分离出来巴西固氮螺菌
目前 对固氮根瘤菌及其宿主植物的基因组
Ｙｕ６２ 进行了多方面研究［１２］ 铵对该菌固氮酶活性的 功能基因组和蛋白质组研究工作正在蓬勃开展 在
破坏生态平衡 阻碍农业可持续发展 生物固氮可 为农作物提供氮素 与化学肥料相比 生物固氮不
大大超过世界化工合成氨产量的总和（约 ４０００ 万 吨） 成为农业生产的主要氮源［２］ 豆科植物共有
降低土壤生产力 不污染环境 而且是取之不尽
１９７００ 多种 分属三个亚科 目前 对其共生固氮体
用之不竭的廉价氮源 目前 世界其它国家同样面 系进行过研究的只占豆科植物种数的 ０．５％ 我国在
ＷＵ Ｆ．Ｂ． 发 现 苗 期 海 岛 棉 （Ｇｏｓｓｙｐｉｕｍ 前景 遗传工程发源于分子生物学和微生物学 而
ｂａｒｂａｄｅｎｓｅ Ｌ．） 接 种 自 生 固 氮 菌 （Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ 自然界有生物固氮能力的生物只限于极少数低等的
ｓｐ．） 巴西固氮螺菌 Ａｚｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍ ｂｒａｓｉｌｅｎｓｅ
是最高的 在水稻田里放养红萍 既能增加土壤中 等的纯培养 １９５６ 年中国水生生物研究所开始了固
生物氮数量 又能提高水稻的产量 因此 红萍这 氮蓝藻的研究 并分离出 ４ 种固氮蓝藻 其中 ３ 种
种蕨类植物与蓝藻的共生固氮体引起世界各国的普 属于鱼腥藻属 １ 种是林克氏念珠藻 它们的固氮能
遍重视
力均很强 盆栽和田间试验表明 对一些作物如水
固氮量 约在 １．５ｋｇ／ｈｍ２ 左右 对自生固氮菌的研究 产物 ＮｉｆＡ 活性调节机制的基础上 构建了携带
开始于 １９ 世纪 １８９３ 年维诺格拉斯从土壤中分离到 有能组成型表达 不受铵阻遏 ｎｉｆＡ 质粒 将其引
第一个自生固氮菌 厌氧的巴斯德菌 １９０１ 年
入阴沟肠杆菌和大豆根瘤菌后 其固氮作用不再受
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中国农学通报 第 ２０ 卷 第 １ 期 ２００４ 年 ２ 月
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生物固氮的研究进展＊
慈 恩 １ 高 明＊＊
西南农业大学资源环境学院 重庆 ４００７１６
摘 要 生物固氮是一个全球性的战略课题 它对环境 粮食 人口等问题有着重要意义 目前这方面研 究已从基因 酶 细胞和生态系水平上逐步展开 本文从固氮资源的发掘和利用 固氮的遗传工程以及固 氮酶生物化学和化学模拟生物固氮三方面对国内外的研究进展进行了全面的阐述 并对生物固氮研究的前 景进行了展望 关键词 生物固氮 遗传工程 固氮酶 化学模拟
抑制已基本研究清楚 构建成脱铵阻遏的工程菌株 一个新的层面上认识生物固氮及其与之相关的微生
ＵＢ３７，在玉米田间小区实验中达到减少氮肥用量 ２０％ 物与高等植物相互作用机理 必将取得新的突破
的效果 从这一系列研究和发现可以看出 联合固 重组苜蓿根瘤已构建成功 并作为第一个可提高固
氮在农业生产上有着广阔的应用前景
年对氮肥的需要 至少还要新建年产 ３０ 万吨尿素厂 ３００ 座［１］ 这不仅投资巨大（约千亿元） 而且消耗不
１．１ 豆科植物的共生固氮 根瘤菌 豆科植物 共生固氮体系是自然界固氮效率很高的一个体系
可再生的化石能源和污染大气 此外 大量施用化 该体系广泛分布于地面各处 据估计 其年固氮量
肥 既提高了农业生产成本 也招致水体严重污染 约占各种生物固氮体系总量 １７５００５ 吨 的 ５０％