豆科植物根瘤菌分类研究进展

豆科植物根瘤菌分类研究进展

史晓霞,师尚礼,杨晶,王正凤

(甘肃农业大学草业学院,甘肃兰州730070)

摘要:根瘤菌是一类与农业生产关系密切的细菌,与豆科植物共生具有很高的固氮效率。根瘤菌分类作为生物固氮和细菌分类两个领域的结合点,具有十分重要的意义。随着根瘤菌资源的不断发现和科学技术的不断发展,根瘤菌分类从以互接种族为依据的传统分类逐步过渡到了以系统发育关系为依据的现代系统分类,特别是近十几年来,生物技术应用于根瘤菌系统发育及其分类的研究进一步促进了根瘤菌资源的开发利用,使得根瘤菌的分类及其系统发育研究有了突破性进展。

关键词:根瘤菌;分类;研究进展

中图分类号:S144.3文献标识码:A文章编号:1009-5500(2006)01-0012-06

根瘤菌(rhizobia)是一类广泛分布于土壤中的革兰氏阴性细菌,它可以侵染豆科植物根部形成根瘤,固定空气中的分子态氮形成氨,为植物提供氮素营养。据统计,全球每年生物固氮量达1.75@108t[1],为世界工业氮肥产量的4.37倍[2]。根瘤菌与豆科植物的共生是生物固氮体系中作用最强的体系,所固定的氮约占生物固氮总量的65%[3~5]。在农业生产和固氮生态体系中起着极其重要的作用[6]。根瘤菌分类体系是根瘤菌理论和应用研究的基础,它对于人们研究根瘤菌基本的生态过程,认识根瘤菌与生态系统之间的关系,根瘤菌与其他有关物种的亲缘关系及其自身的演化、系统发育过程,保证根瘤菌资源和生态系统的合理开发与持续利用等具有十分重要的意义。随着新的根瘤菌资源的不断发现和科学技术的发展,根瘤菌分类从以互接种族为依据的传统分类逐步过渡到了以系统发育关系为依据的现代系统分类。特别是近十几年来,现代分子生物学技术的迅速发展和广泛应用,使得根瘤菌的分类及其系统发育研究有了突破性进展。因此,通过对根瘤菌分类和自身进化过程的研究,为确定根瘤菌的系统分类地位提供了科学依据[7]。

收稿日期:2005-04-05;修回日期:2005-11-14

基金项目:科技部奶业专项/优质饲草高效生产关键技术

与产业化开发0(编号:2002BA518A03)作者简介:史晓霞(1982-),女,陕西省华县人,在读硕士。

师尚礼为通讯作者。1根瘤菌分类研究的历史

早在1838年,Bonssingablt根据他的田间试验结果指出,豆科植物的营养生理和禾本科植物不同,三叶草和豌豆都可以从空气中取得氮素营养。后来, Lacham ann(1858)和Bopo M C(1886)发现豆科植物根瘤中含有微生物,并且指出根瘤的形成是微生物侵入植物的结果。到1886年,德国植物化学家H ellrgel 和Wilfarth等人在柏林一次科学大会上发表研究报告证明豆科植物根瘤是由细菌感染引起的,只有形成根瘤才能固定大气中的氮素。1888年,荷兰学者Beijer-inck M W用植物叶片汁加天门冬酰胺,蔗糖和明胶缓冲液配制的培养基,从豌豆根瘤中第一次成功分离到根瘤菌,并将其命名为B acillus r ad icicd a。一年后,波兰学者Prozm ow ski用根瘤菌纯培养物接种豆科植物,形成了根瘤,并将之改称为B acter ium r adicicola。1889年,Frank建议将可在豆科植物根上结瘤的细菌属名改为根瘤菌属(Rhiz obium),并一直沿用至今。当时,Frank以为感染所有豆科植物结瘤的都是同一种根瘤菌,并取名为豆类根瘤菌(Rhiz obium legum ino-sar um),它只包括了3种根瘤菌:豌豆根瘤菌,苜蓿根瘤菌和百脉根根瘤菌。但自1984年以后,随着根瘤菌寄主范围的不断扩大和分子生物学技术的不断应用,根瘤菌分类突飞猛进,新属新种不断建立。目前,已由原来的2属4种发展到了7属36种。

2根瘤菌分类系统的发展

2.1根瘤菌的早期分类系统

根瘤菌的早期分类一直是以互接种族(cr oss-in-o culation group)为主要依据的[8]。1926年,Dang eard 根据宿主的种类和互接种族的关系,结合一些形态和生理性状,将根瘤菌分为若干种。1932年,Fred等人又在此基础上,首次提出了根瘤菌分类系统,他们根据互接种族的关系,将全部根瘤菌定义为1属5种。表1列出了这5个种以及每个种寄主植物的属名[9]。

1964年,Craham用数值分类法,依据表型特征的差异,将根瘤菌分为两大类群,并建议将其定为两个属,但当时未被接受。直到1974年,在5伯杰细菌鉴定手册6(第八版)中,Jordan和Allen根据互接种族,生长速度及鞭毛类型将细菌分为两个相互区别的类群,并与土壤杆菌属一起构成根瘤菌科。

表1根瘤菌分类系统

Table1Fred Rhizobium classification system

种名寄主植物的属名

苜蓿根瘤菌(R.meliloti)苜蓿属(Medicago)

胡芦巴属(T r igo nella)

三叶草根瘤(R.tr if olii)车轴草属(T rif olium)

豌豆根瘤菌(R.leg uminasar um)豌豆属(Pisum)野豌豆属(Vicia),香豌豆属(L athy r us)兵豆属(L ens)

菜豆根瘤菌(R.p haso li)菜豆属(P haseolus)

羽扇豆根瘤菌(R.lup ini)羽扇豆属(L up inus)随着研究工作的广泛深入和结瘤豆科植物的不断发现,互接种族的概念陷入了混乱,族间结瘤的报道剧增。例如,有些根瘤菌可以与不同的豆科植物共生结瘤,而有些根瘤菌则不能在其互接种族的全部宿主上结瘤;有些根瘤菌可以与非豆科植物结瘤,而有些根瘤菌却只能与某一品种或具有地区特异性的豆科植物结瘤。鉴于原有根瘤菌分类系统的不合理性,Jordan在1984年出版的5伯杰系统细菌学手册6(第一卷)中,总结了前人数值分类、DNA碱基组成、DNA同源性、血清血分析、胞外多糖成份分析、全细胞可溶性蛋白电泳和rRNA-DNA杂交等大量研究结果,对根瘤菌科分类系统进行了修订(图1)[10]。

Jordan提出的分类系统是对根瘤菌分类工作的一个阶段性总结,由于他所研究的菌株覆盖面有限,还有许多菌株没能确定分类地位,所以该系统仍不完善。

根瘤菌科

Rhizobiaceae

根瘤菌属

Rhiz obium

豌豆根瘤菌R.leg uminasar um

苜蓿根瘤菌R.melilo ti

百脉根根瘤菌R.loti

慢生大豆根瘤菌B.j ap onicum

慢生根瘤菌属Br ady r hiz obium

土壤杆菌属A gr obacter ium

叶瘤菌属Phy llobacter ium

图1Jordan根瘤菌分类系统

Fig.1Jordan Rhizobium classification system

2.2根瘤菌分类研究的现状

早期的根瘤菌分类系统以互接种族和寄主范围以及一些简单的形态和生理性状为依据,但对根瘤菌与其他菌的关系研究是零星的、不系统。随着原核生物分类技术的改进和根瘤菌研究工作的深入,对根瘤菌系统发育的研究也随着根瘤菌分类系统的不断补充与完善而得以系统化、科学化。其后又发现了许多新种,并确定了其分类地位,目前,根瘤菌科已发展到7属36种(表2)。

2.2.1根瘤菌属(Rhiz obium)根瘤菌属是根瘤菌科中建立最早的一个属(Frank,1889)。本属根瘤菌的重要特征是能侵入温带和某些热带的豆科植物的根毛,促使其形成根瘤,并在根瘤内成为细胞内共生体。所有菌株都表现出寄主特异性,而且根瘤菌在根瘤内能呈类菌体。该属的分类一直处于非常活跃的状态。目前共有12种,即:菜豆根瘤菌(R.etli),高卢根瘤菌(R.gallicum),海南根瘤菌(R.hainanense)[11],豌豆根瘤菌(R.leguminosar um),内蒙根瘤菌(R.mongo-lense),热带根瘤菌(R.tr op ici),山羊豆根瘤菌(R. galeg ae),贾氏根瘤菌(R.giard inii),胡特根瘤菌(R. huautlense),杨陵根瘤菌(R.y ang lingense),木兰根瘤菌(R.indigof er ae),黄土根瘤菌(R.loessense)[12]。模式种为豌豆根瘤菌。

2.2.2中华根瘤菌属(S inor hiz obium)1988年陈文新等[13,14]对快生大豆根瘤菌进行了系统研究,将其确定为一个独立的新属。该属细菌能结瘤固氮的寄主范围并不广泛,主要能在野生大豆和栽培大豆上结瘤[15]。目前该属有9个种,即:弗氏中华根瘤菌(S.

f r edii),苜蓿中华根瘤菌(S.meliloti)[16~18],撒哈拉中华根瘤菌(S.saheli),多宿中华根瘤菌(S.terangae),新疆中华根瘤菌(S.x inj iangensis),鸡眼草中华根瘤菌(S.kumm erow iae),莫雷兰中华根瘤菌(S.mor e lense),木本中华根瘤菌(S.ar bor is),柯斯梯中华根瘤