根瘤菌及其应用

根瘤菌与豆科植物及其应用

摘要：自贝叶林克1888年首次从豆科植物根瘤中分离获得根瘤菌以来，国内外的许多学者都为揭开这一大自然的奥秘进行着孜孜不倦的研究，成为生命科学最为活跃的领域之一。人们从生物学，生态学，生理生化，分类和遗传等方面对根瘤菌进行了广泛研究，在根瘤菌和根瘤的形态结构，固氮酶的结构和功能，固氮机理和作用调件，根瘤菌在细菌分类学中的地位直到固氮基因，结瘤基因，固氮生态等应用方面都有着较快发展，20世纪90年代共生固氮体系已进入分子水平，研究转入根瘤菌与宿主豆目植物植物的相互识别和信息传递以及根瘤菌群体感应等方面。

关键词：根瘤菌生物固氮根瘤菌应用

一．根瘤菌的生物学特征

根瘤菌：根瘤菌主要指与豆类作物根部共生形成根瘤并能固氮的细菌，一般指根瘤菌属和慢生根瘤菌属；两属都属于根瘤菌目。根瘤菌侵入寄主根内，刺激根部皮层和中柱鞘的某些细胞，引起这些细胞的强烈和生长，使根的局部膨大形成根瘤；根瘤菌在根内定居，植物供给根瘤菌以矿物养料和能源，根瘤菌固定大气中游离氮气，为植物提供氮素养料，两者在拮抗寄生关系中处于均衡状态而表现共生现象。

根瘤菌的形态特征：根瘤菌是短杆状细菌，因生活环境和发育阶段的不同，在形态上有显著变化.根瘤菌在固体培养基上和土壤中呈杆状，端生或周生鞭毛能运动，革兰氏染色阴性，无芽孢，培养较久

菌体粗大，染色不均。

生存习性：根瘤菌与植物的共生体系具有很强的固氮能力。已知全世界豆科植物近两万种。根瘤菌是通过豆科植物根毛、侧根杈口(如花生)或其他部位侵入，形成侵入线，进到根的皮层，刺激宿主皮层细胞分裂，形成根瘤，根瘤菌从侵入线进到根瘤细胞，继续繁殖，根瘤中含有根瘤菌的细胞群构成含菌组织。

根瘤菌进入这些宿主细胞后被一层膜套包围，有些菌在膜套内能继续繁殖，大量增加根瘤内的根瘤菌数，以后停止增殖，成为成熟的类菌体；宿主细胞与根瘤菌共同合成豆血红蛋白，分布在膜套内外，作为氧的载体，调节膜套内外的氧量。

类菌体执行固氮功能，将分子氮还原成NH3，分泌至根瘤细胞内，并合成酰胺类或酰尿类化合物，输出根瘤，由根的传导组织运输至宿主地上部分供利用。与宿主的共生关系是宿主为根瘤菌提供良好的居住环境、碳源和能源以及其他必需营养，而根瘤菌则为宿主提供氮素营养。

二．根瘤菌与豆科植物

根瘤菌(root nodule bacteria)是与豆科植物共生，形成根瘤并固定空气中的氮气供植物营养的一类杆状细菌。这种共生体系具有很强的固氮能力。已知全世界豆科植物近两万种。根瘤菌是通过豆科植物根毛、侧根杈口(如花生)或其他部位侵入，形成侵入线，进到根的皮层，刺激宿主皮层细胞分裂，形成根瘤，根瘤菌从侵入线进到根

瘤细胞，继续繁殖，根瘤中含有根瘤菌的细胞群构成含菌组织。根瘤菌进入这些宿主细胞后被一层膜套包围，有些菌在膜套内能继续繁殖，大量增加根瘤内的根瘤菌数，以后停止增殖，成为成熟的类菌体；宿主细胞与根瘤菌共同合成豆血红蛋白，分布在膜套内外，作为氧的载体，调节膜套内外的氧量。类菌体执行固氮功能，将分子氮还原成NH3，分泌至根瘤细胞内，并合成酰胺类或酰尿类化合物，输出根瘤，由根的传导组织运输至宿主地上部分供利用。与宿主的共生关系是宿主为根瘤菌提供良好的居住环境、碳源和能源以及其他必需营养，而根瘤菌则为宿主提供氮素营养。

大豆、花生等属于豆科植物。它们的根瘤中，有能固氮的根瘤菌与之共生。根瘤菌将空气中的氮转化为植物能吸收的含氮物质，如氨，而植物为根瘤菌提供有机物。

根瘤菌的代谢类型为异养需氧型。

豆科植物幼苗期间的分泌物吸引了分布在其根附近的根瘤菌，使其聚集在根毛周围大量繁殖，随后，根瘤菌产生的分泌物使根毛卷曲、膨胀，并使部分细胞壁溶解，根瘤菌由壁被溶解处侵入根毛，在根毛中滋生，聚集成带，外被粘液和根细胞分泌的纤维素，形成侵入线。侵入线为管状结构，根瘤菌沿其侵入根的皮层并迅速在该处繁殖，皮层细胞受刺激亦迅速分裂，致使根部形成局部突起，即成根瘤。根瘤菌居于根瘤中央的薄壁细胞内，逐渐破坏其核与细胞质，本身转变为拟菌体；同时该区域周围分化出与根维管束相连的输导组织、外围薄壁组织鞘和内皮层。拟菌体通过输导组织从皮层细胞吸收碳水化合

物、矿物盐类和水进行繁殖，同时进行固氮作用。同时由于根瘤的脱落、残留以及一部分分泌到土壤中的氮，可以增加土壤肥力。生产上用豆科植物与其他作物间作、轮作，就是利用根瘤菌的固氮作用。

根瘤菌可以将大气中的无机氮转化为有机氮，但是它从植物体内获取营养，在生态系统中为消费者。

三.根瘤菌应用

1. 根瘤菌剂

根瘤菌剂是指以根瘤菌为生产菌种制成的微生物制剂产品，它能够固定空气中的氮元素，为宿主植物提供大量氮肥，从而达到增产的目的，在多年不种绿肥或新开垦地种植豆科绿肥时接种根瘤菌，能确保豆科绿肥生长良好。

根瘤菌剂是种植豆科作物的主要菌性肥料，因为它里面含有大量、活体的根瘤菌，人们称它为活肥料。根瘤菌剂最早于1896年在欧洲问世。目前根瘤菌剂的生产既有工业化的生产方法也有花钱少的简易生产方法。工业化生产根瘤菌肥，技术比较复杂，投资较多。由于工业生产的根瘤菌剂还不够普及。采用简单易行的干瘤法和鲜瘤法也可收到事半功倍的效果。

2.根瘤菌直接侵染非豆科植物

通过人工诱导或者自然筛选，筛选出有固氮功能的非豆科植株，从而通过培养筛选，得出具有固氮功能的稳定基因的非豆科农作。1985年，谢应先等采用聚乙酶融合原生质体的方法，将具有光合固氮能力的一种蓝藻引入到烟草、玉米、水稻和小麦白化苗原生质体内。

此法的成功，大大降低农业成本。

四 .发展及前景

从1862年发现生物固氮现象到目前为止，其研究已经涉及到形态结构、细胞水平、分子水平及遗传等诸多领域，其应用已对农业生产方面产生巨大作用。生物固氮是指固氮微生物将大气中的氮气还原成氨的过程，是自然生态系统中氮的主要来源。海洋生态系统与陆地生态系统生物固氮量总和约3.3×1014g，而工业固氮量为1.4×1014g，可见，生物固氮尤其是根瘤菌在农、林业生态系统平衡中起着巨大的作用,随着科技与研究的深入，将有更大的应用前景。

[参考文献]

M.T.马迪根·《BROCK微生物生物学》第10版影印版生命科学名著，第977页

韩素芬，林树燕著《豆目树种与根瘤菌》中国林业出版社78页孙勇民著《应用微生物学》北京师范大学出版社第63页

曹晶编《微生物应用技术》化学工业出版社 92页