根瘤菌的概念及分类

根瘤菌的概念及分类

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.

根瘤菌(root nodule bacteria)是一类广泛分布于土壤中的革兰氏阴性细菌，与豆科植物共生，通过侵染豆科植物根部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。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%。在农业生产和固氮生态体系中起着极其重要的作用。

已知全世界豆科植物近两万种。据统计蝶形花亚科的植物98%以上能形成根瘤固氮，含翔草亚科约90%，云实亚科约28%。

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。

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。

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，Lachamann(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Hellrgel

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氦素。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Bacillus radicicda。一年后，波兰学者Prozmowski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Bacterium radicicola。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(Rhizobium)，并一直沿用至今。当时，Frank以为感染所有豆科植物结瘸的都是同一种根瘤菌，并取名为豆类根瘤菌(Rhizobium legumino—SetFUD'I)，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。

根瘤菌的早期分类一直是以互接种族(cross—in—oculation group)为主要依据的。1926年，Dangeard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l属5种。如下表：

根瘤菌分类系统

种名寄主植物的属名

1980年在澳大利亚堪培拉举行的第四届国际固氮讨论会上，专家们认为根据互接种族对根瘤菌分类有许多不妥之处，建议对根瘤菌重新分类。1983年出版的贝捷细菌鉴定手册中对根瘤菌科做了新的分类，已将原来的两个属（根瘤菌属、土壤杆菌属）依靠现代科学的概念和鉴定工作，将其重新分离为四个属。即根瘤菌属、慢生型根瘤菌属、土壤杆菌属和叶瘤菌属。

根瘤菌属

在YMA平板上3-5天内菌落直径为2-4mm，其代时为2-4h。慢生型根瘤菌在YMA平板上5-7天内菌落直径不超过1mm，其代时为6-8h或更多。根瘤菌细胞一般含有大质粒1-3个，其大小范围为90×106-250×106，这些质粒携带有不同功能的基因，如结瘤基因、固氮基因、细菌素基因、宿主专一性基因、胞外多糖基因和色素基因等，证明有些根瘤菌的结瘤、固氮基因只存在于质粒上，有些则同时存在于质粒和染色体上。包括有豌豆、菜豆、苜蓿、三叶草根瘤菌。

慢生型根瘤菌属

是D.C.乔丹于1982年从根瘤菌属中分化出来的，属内暂有一种，即曾经称为大豆根瘤菌的大豆慢生根瘤菌，包括大豆和羽扇豆根瘤菌2个种。

土壤杆菌属

1942年由H.J.康恩建立。其性状与前述两属的根瘤细菌颇相似，但不能在豆科植物根上形成能共生固氮的根瘤。本属细菌能够通过外伤入侵多种双子叶植物和裸子植物，致使植物细胞转化为异常增生的肿瘤细胞，产生根癌、毛根和杆瘿等病状。土壤杆菌属内各个种诱发根癌的能力与其所特有的Ti质粒有关。本属细菌为土传性植物病原菌。

叶杆菌属

1984年D.H.克内泽尔发表的1属细菌。其表现性状与前述3属相近,特点是在紫金牛科和茜草科中某些热带种的叶片上形成共生叶瘤。细菌在叶瘤内也呈多态，但是否能共生固氮还没能断定。共有两个种：紫金牛叶杆菌和茜草叶杆菌。

Jordan在1984年出版的《伯杰系统细菌学手册》(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。如图：

豌豆根瘤菌R.1eguminasarum

苜蓿根瘤菌R.meliloti

根瘤菌属

Rhizobium 百脉根根瘤菌R.1oti

根瘤菌科慢生大豆根瘤菌B.japonieum

Rhizobiaceae

慢生根瘤菌属Bradyrhizobium

土壤杆菌属Agrobacterium

叶瘤菌属Phyllobacterium

Jordan根瘤菌分类系统

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。目前，根瘤菌的分类已由原来的2属4种发展到了7属36种。如图：

根瘤菌科最新分类系统