第十一章_微生物与植物之间的相互关系

11-1植物的根际 1、渗出物 2、分泌物 3、植物黏液 4、黏质 5、溶胞产物 植物根 土壤 根际物质
第十一章 微生物与植物之间的相互关系
植物的地上部分和地下部分，尽管所处的环境差异较大，但无论茎、叶、花、果、种子以及根等器官上都存在着各种有机物，为微生物的生存、生长和繁殖提供营养，因此不同类群的微生物以各自的方式生活在植物体上，与植物发生互生、共生、寄生等关系，对植物的生长发育产生多方面的影响。

第一节 微生物与植物的互生关系
一、根际微生物
植物在其生长过程中，既从外界吸收养料和水分，也向外界环境中释放各种无机和有机物质，根际中的有机物质包括以下几类：（1）渗出物，是指根细胞向外释放的小分子物质，如有机酸、氨基酸等；
（2）分泌物，指根细胞主动向外分泌的
化合物，如维生素、核酸等；（3）植物黏
液，包括植物和微生物分泌的多糖类产
物；（4）黏质，由植物和微生物细胞及其
代谢产物组成；（5）溶胞物质，植物脱落
的表皮细胞分解物。

由于植物根周围环境
的特殊性（图11-1），为微生物创造了一
种特殊的生态环境——根际。

根际（rhizosphere ）是指可被根释放
物质所影响的根部土壤。

1904年，德国
微生物学家Hiltner 就提出了根际的概
念，根际的范围很狭小，仅包括离根几毫
米的土壤区域。

在根际内，根分泌各种有机物，
如氨基酸、维生素等，可作为微生物的生长因
子；此外，脱落的根表皮和皮层细胞内容物也
是微生物良好的营养源，因此根际是一个对微
生物生长十分有利的特殊生态环境。

在根际内，根系对微生物群落的影响称为根际效应。

根际中微生物群落的密度明显比一般土壤中高，仅细菌就达每克109之多，根际土壤中微生物数量与非根际土壤的微生物数量的比值称为根土比（R/S ），是反映根际效应的重要指标。

根土比一般在5～20之间，农作作比树木的根土比高，豆科植物比非豆科植物高。

而且，根土比的数值随土质、植物种类及季节等因素的影响而发生变化。

根际土壤中以细菌数量最多，但由于根际分泌物的选择作用，细菌的种类较
少，以低分子有机物为营养的革兰氏阴性细菌占绝对优势，有假单胞菌（Pseudomonas）、黄杆菌（Flavobacterium）、土壤杆菌（Agrobacterium）等。

随植物的生长，革兰氏阴性细菌会有所减少，在植物生长后期，根部脱落物增多，芽孢杆菌（Bacillus）和放线菌逐渐增加。

根际中也有真菌分布，酸性土壤中常有镰孢霉属（Fusarium），中性土壤中柱孢属（cylindrocarpon）较多，这两种霉菌能侵入到根的内皮层，甚至进入中柱。

青霉（Penicillium）、被孢霉（Mortierella）、黏帚霉（Glicocladium）分布在根面上，即使侵入根内，也限于在外皮层中，植物生长前期，根际土壤中真菌较少，随植物的成长，真菌数量逐渐增加，在植物营养生长高峰期，真菌活性最强，主导着纤维素、半纤维素、果胶物质的分解。

根际土壤中也有食细菌的原生动物，如波多虫、肾形虫和小变形虫等。

根面和根际微生物的活动一般有利于植物的生长发育，如改善土壤矿质营养状况，提高土壤中磷、铁、锰等化合物的有效性；根际固氮微生物可以丰富土壤中的氮素供给，为植物提供吲哚乙酸、赤霉素等生长激素和其它有机物；而且，根际微生物通过竞争或拮抗作用可以抑制杀死土壤中的植物病原菌。

但是，根际微生物过度繁殖，会和植物争夺矿质养分造成植物的各种缺素症，例如，果树缺锌产生小叶病，缺铁则叶片黄化等。

由于病原菌对植物宿主具有选择性，棉花多年连作的根际土壤中轮枝霉（Verticillium）大量繁殖会引发黄萎病，镰刀霉（Fusarium）会产生枯萎病。

此外，有些根际微生物还会分泌毒素，如根际大量繁殖的假单胞菌会产生氰化物，而对马铃薯产生毒害作用。

二、附生微生物
在植物地上部分各个器官表面生活的微生物称附生微生物，植物的茎、叶、花、果实和种子表面都有少量的分泌物和水分，异养细菌、光合菌、真菌、藻类及地衣都可能在这里生存，但是植物表面裸露在空气中，有些部位受阳光直射，干湿交替，温差极大，因此附生微生物需具有一定的机制才能适应这种环境。

如光合菌具有色素能利用光能，有些微生物则通过增加细胞壁的厚度来保护自己；生长在树木茎叶上的鞘氨醇细胞属（Sphingomonas）的一些种，甚至能在高强度的紫外光照射下生存；这些微生物除通过风、降水或昆虫进行传播外，有的还有特殊的传播方法：如掷孢酵母（Sporobolomycetaceae），产生掷孢子向外传播。

叶面微生物是附生微生物的主要组成部分生活在叶面的细菌有假单胞菌属、乳酸菌属、黄单胞菌属和鞘氨醇单胞菌属等；叶面真菌有各种酵母菌，子囊菌和担子菌等。

树干上经常分布地衣、多孔菌和层孔菌等。

花的雌雄蕊上有丰富的蜜糖和其它有机物，酵母菌是这里的优势种。

苹果、葡萄、草莓等果实的表面酵母菌也占优势，但小麦等种子上却是霉菌居多。

上述互生关系使植物从微生物生命活动中获得各种养料、生长因子，并受到
某种程度的保护。

如固氮的附生菌可以为植物提供氮素营养，酵母菌分泌的不饱和脂肪酸能抑制革兰氏阳性病菌的生长等。

但是附生微生物对植物也存在着不利影响，如叶面上有些真菌就会引起病害，果实上一些附生菌，条件合适时会转化为腐生，造成水果腐烂，谷物种子上的各种霉菌，在湿度增大，通风不良时，往往导致粮食霉烂变质。

此外假单胞菌属的某些野生附生菌株是冰晶形成菌，它产生一种能诱导冰晶形成的表面蛋白，在-2～4℃的环境中，促使植物表面结冰，造成冻害。

目前，已培养出无冰晶形成的突变株，即使气温降至-9℃，也不会在植物表面形成冰晶，对农作物防冻有极好的效应。

第二节微生物和植物的共生关系
共生是微生物为适应环境而产生的一种生存方式。

细菌、放线菌、蓝细菌和真菌都能与植物建立共生关系。

一、细菌与植物的共生
1886年德国学者赫尔利格尔（Hermann Helliegel）首次指出根瘤菌与豆科植物之间存在着共生关系。

根瘤菌在常温、常压的条件下，吸收氮气并将其转化为氨，供给植物氮素营养，根瘤菌的分泌物还能提高铁、磷、钾等矿质盐的有效性。

豆科植物为根瘤菌提供生活场所，并为其生长繁殖供给水分、碳源和能源。

根瘤菌生活在豆科植物根部，它们相互作用形成根瘤共生体，在共生体内的根瘤菌固氮效率远高于自生固氮菌。

据估计结瘤豆科植物的生长每年可为每公顷土壤固定300kg氮素，因此在首次引种豆科植物的地区，应施用根瘤菌剂，以增强其固氮作用。

根瘤通常长在根部，但田菁等少数植物却在茎上结瘤，又称茎瘤。

碗豆、大豆的根瘤在根表形成，极易剥离；花生的根瘤因从中柱长出，附在根表，故十分牢固；苜蓿、花生的根瘤具有顶端分生组织，所以能够伸长；大豆、豇豆根瘤因有周生分生组织，故呈圆形。

不是所有根瘤菌的菌株都有固氮能力，只有那些“有效”菌株才能固氮；因此，根瘤也分为有效根瘤和无效根瘤，有效根瘤体积大而饱满，内部呈粉红色。

按照寄生的类型，根瘤菌可分为：大豆根瘤菌（Rhizobium japonicum）、菜豆根瘤菌（R. phaseoli）、豌豆根瘤菌（R. leguminosarum）、苜蓿根瘤菌（R. meliloti）和紫云英根瘤菌（R. astragali）等。

根瘤菌与豆科植物的共生有明显的专一性，某一特定的根瘤菌能感染一种或少数几种豆科植物，因此根瘤菌的学名并不代表宿主的专一性。

如豌豆根瘤菌，不仅感染豌豆，也能感染蚕豆、鹰咀豆、兵豆等豆科植物。

另外，1973年Trinick在巴布亚新几内亚发现榆科植物中的parasponia rogosa，也能与根瘤菌共生形成固氮根瘤。

二、放线菌与植物的共生
放线菌中的弗兰克氏菌（Frankia）能与非豆科植物共生，结瘤固氮。

与放
11-2 红萍叶内的蓝细菌
线菌共生的植物都是多年生的双子叶木本植物，有灌木也有乔木。

目前已知包括7个目，8个科和25个属中的279个种都能与放线菌共生形成根瘤，这些植物统称为放线菌结瘤植物。

放线菌根瘤有两种形式，珊瑚形和裂片形。

放线菌根瘤的形成可分三个时期：⑴ 入侵期：放线菌经根毛入侵，在根皮层细胞内或细胞间生长形成网状菌丝体；⑵ 泡囊期：菌丝末端膨大成棒状或球状的泡囊；⑶ 孢囊期：部分菌丝加粗，分隔形成孢子囊，囊内有卵形厚壁孢子。

大多数弗兰克氏菌侵染宿主具有跨越科、属、种的特点，该菌比根瘤细菌容易生长，固氮活性高，持续时间长，尤其是具有根瘤菌没有的，防止固氮受氧损伤的独特机制，因此对其在固氮作用的理论和实际应用都值得做深入研究。

放线菌结瘤植物遍及全球，其中有些植物对贫瘠、干旱环境有很强的适应能力，因此可以利用它们培肥土壤，绿化荒山，固定沙粒及防止水土流失。

三、蓝细菌与植物的共生
蓝细菌能进行光合作用，也能在低氧分压或异形胞内进行固氮，只有鱼腥藻属（Anabaena ）、念珠藻属（Nostoc ）等少数蓝细菌能与苔藓、厥类、裸子植物和被子植物共生。

1、蓝细菌和苔藓的共生
苔藓植物中的角苔属（Anthoceros ）、壶苞苔属（Blasia ）等五个属能和鱼腥藻、念珠藻共生。

念珠藻从苔藓的腹腔孔侵入，并在其中繁殖，产生约25～35%的固氮异形胞，发挥共生后的固氮作用。

2、蓝细菌和厥类植物的共生
我国南方水稻田或池塘中常见的红萍，实际上
是红萍鱼腥藻（Anabaena azollae ）和水生厥类植
物满江红属（Azolla ）一些种的共生体（图11-2）。

红萍鱼腥藻生活在满江红小叶鳞片腹面的小腔中，
并在其中固氮，为宿主植物提供氮素。

红萍在热带
和亚热带地区生长十分迅速，其干物质中含3～6%
的氮，是一种很好的绿肥。

3、蓝细菌和裸子植物的共生
念珠藻和鱼腥藻能与裸子植物苏铁共生。

我国
四川省发现攀枝花苏铁与蓝细菌共生，在接近地面
的土表形成粗棒状瘤瓣组成的根瘤共生体，共生根
呈绿色，其共生菌的纯培养能固氮既能异养也能自养。

4、蓝细菌和被子植物的共生
被子植物中小二仙草科（Haloragaceae ）根乃拉草属（Gunnera ）中的约50余个种能和念珠藻共生，与根乃拉草属各个种共生的念珠藻无感染专一性。

在宿
主植物幼苗期念珠藻侵入叶片基部的腺体中，在叶柄着生的茎上形成密集的、三个一组的瘤体。

生活在瘤体内的念珠藻虽然含有叶绿素，却无光合能力，靠宿主供给碳源和能源，但其固氮能力要比自生状态下强，其固氮酶活性在光照下比黑暗中高10余倍。

四、真菌和高等植物共生
真菌感染植物根系后形成的共生体称菌根，早在19世纪80年代就被发现，自然界中已发现有菌根的植物有两千多种，其中木本植物最多。

在真菌和植物共生关系中，植物的根系为真菌提供生存场所，供给碳水化合物，菌根中的真菌帮助根系扩大吸收面积，并使土壤中磷、铁等矿质有效化，真菌合成某些维生素，促进植物生长发育，还能抑制土壤中病原菌的繁殖，从而提高植物的抗病性等。

根据菌根的形态特征，可将其划分为外生菌根、内生菌根和内外生菌根；按宿主植物的类型又可以分兰科菌根，杜鹃花菌根，浆果莓类菌根等。

菌根真菌有极高的经济价值和生态效益，牛肝菌、松茸、松茹是珍贵的食用菌，用形成外生菌根的真菌纯培养物接种，可以增强苗木的抗逆性、抗病性，提高成活率，促进树苗生长，对苗木培育，荒山绿化，植树造林有极大贡献。

第三节固氮根瘤
一、根瘤菌
根瘤菌（Rhizobia）是一类存在于土壤中的革兰氏阴性细菌，它能够侵染豆科植物的根部或茎部形成共生体——根瘤（或茎瘤），并在其中将空气中游离态的氮气转化成植物可以利用的化合态氮，为宿主植物的生长提供必需的氮素营养。

根瘤菌与豆科植物形成的固氮体系具有高效、不消耗矿物质能源和不污染环境的特点，研究和开发利用这一固氮体系具有巨大的生态、经济和社会价值。

（一）根瘤菌的形态特征
根瘤菌为杆状，大小0.5～0.9 ×1.2～3.0μm，能运动，不形成芽孢，有鞭毛，鞭毛为一根端生或侧生，或2～6根周生。

细胞内常有类脂颗粒，细胞外多形成荚膜和粘液物质。

常用的根瘤菌培养基为酵母汁甘露醇营养琼脂，在此培养基上，根瘤菌菌落为圆形，直径0.5～1.5cm，边缘整齐，无色、白色或乳脂色，有光泽；个别种类具有其它颜色，如从百脉根上分离的根瘤菌形成红色菌落。

（二）根瘤菌的生理生化特性
根瘤菌是化能异养型微生物，快生型能够利用糖、多元醇和有机酸为碳源，最合适的碳源是葡萄糖、蔗糖、甘油、半乳糖、木糖、阿拉伯糖、果糖和甘露醇等；慢生型根瘤菌碳源利用范围较窄，容易利用五碳糖。

根瘤菌分解碳水化合物时不产气，有些种类产生微量的酸。

根瘤菌虽然可以利用铵盐和硝酸盐为唯一无
机氮源生长，但在培养基中加入酵母汁、豆芽汁等生长因子类物质时，根瘤菌生长更好；除共生固氮的条件以外，在实验室培养条件下，部分根瘤菌也可以利用分子态氮。

根瘤菌的生长需要各种无机盐，例如磷酸盐、Ca2+和Mg2+。

一些微量元素也是根瘤菌生长必需的，铁是合成血红蛋白所必需的元素，钼是固氮酶的成分，钴是合成维生素B12所必需的。

根瘤菌是好气性微生物，进行液体深层培养时需要通气供氧，但根瘤菌对氧气的要求不是很高，可以控制氧化还原电位在150～450mV之间。

根瘤菌的培养温度范围为25～30℃，适合在中性或偏碱性的条件下生长，适宜的pH范围在6.5～7.5之间。

不同根瘤菌菌株的耐酸能力是不同的，如苜蓿根瘤菌耐酸性较差，豇豆根瘤菌则较耐酸。

（三）根瘤菌的结瘤性、专一性和固氮性
结瘤性是根瘤菌最为突出特点，该菌能够进入某些植物的根内，在其中繁殖并形成根瘤。

根瘤菌侵染宿主时具有一定的专一性，不同菌株的感染宿主范围不同，有的菌株只能感染固定的一种豆科植物，有的菌株则能感染多种豆科植物，根据每种根瘤菌只能在特定的一种或若干种豆科植物上结瘤的现象，人们把根瘤菌及其豆科宿主分成不同的族，这些族也叫做互接种族。

一种豆科植物的根瘤菌只能使同一个互接种族内的其他豆科植物结瘤。

常见的互接种族及所含的豆科植物有：⑴苜蓿族，包括苜蓿属和草木犀属植物；⑵三叶草族，只有三叶草属一个属；⑶豌豆族，包括豌豆属、蚕豆属、山黧豆属、兵豆属和鹰嘴豆属植物；⑷四季豆族，包括四季豆属中四季豆等植物；⑸大豆族，只有大豆属一个属；⑹豇豆族，包括豇豆、花生、绿豆、赤豆等植物；⑺紫云英族，只有黄芪属一个属（包括紫云英、沙打旺等）。

形成互接种族现象的主要原因为宿主植物与根瘤菌的信号识别，豆科植物的根毛能够分泌一类特殊的蛋白质，根瘤菌细胞的表面则存在着多糖类物质，只有同族豆科植物根毛分泌的蛋白质与同族根瘤菌细胞表面的多糖物质才能产生特异性结合，进而侵入并共生结瘤。

固氮活性是根瘤菌的另一重要特性，能在根瘤中进行固氮即根瘤菌的有效性。

但不是能够形成根瘤的根瘤菌都能固氮，有些菌株是无效的，形成根瘤但并不固氮。

根瘤菌的某些菌株对一种豆科植物的某些品种是有效的，而对另一些品种可能无效。

根瘤菌的结瘤性、专一性和固氮性都是相对的，是特定菌株与特定宿主植物信号交流和相互作用的结果。

（四）根瘤菌的分类
根据伯杰氏系统细菌学手册第二版，根瘤菌科（Rhizobiaceae）上升为目，根瘤菌目（Rhizobiales）下设5个科，即根瘤菌科（Rhizobiaceae）、布鲁氏菌科（Brucellaceae）、叶瘤菌科（Phyllobacteriaceae）、丝微菌科（Hyphomicrobiaceae）和慢生根瘤菌科（Bradyrhizobiaceae）。

与豆科植物结瘤固氮的细菌已达11个属
中，共有56个种。

其中，另类根瘤菌属（Allorhizobium）内1个种，固氮根瘤菌属（Azorhizobium）内2个种，慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）内6个种，根瘤菌属（Rhizobium）内17个种，中慢生根瘤菌属（Mesorhizobium）内12个种，中华根瘤菌属（Sinorhizobium）内11个种。

此外，还有一些先前被分类于非共生细菌属中的共生固氮细菌，包括苍白杆菌属内的2 个种Ochrobactrum lupine、O. cytisi、结瘤甲基杆菌（Methylobacterium nodulans）、假含羞草戴维斯菌（Devosi neptuniae）、结瘤伯克氏菌（Burkholderiatubrum tuberum）、植物伯克氏菌（Burkholderiatubrum phymatum）以及台湾罗尔斯通氏菌（Ralstonia taiwanensis）。

另外，从豆科植物的根瘤内共分离得到叶瘤杆菌属（Phyllobacterium）内的7个种，分别是Phfllobacterium myrsinacearum（紫金牛叶瘤杆菌）、Phfllobacterium trifolii（三叶草叶瘤杆菌）、P. catacumbae、P. leguminum、P. ifriqiyense、P. brassicacearum和P. bourgognense。

二、根瘤的结构
（一）根瘤的外形
根瘤菌主要与宿主植物的根形成共生体系，根瘤的外形不同，有球形、枣状等；它们在根系上的分布也不一样，有的集中在根茎部位，有的则较分散。

根瘤的形状和分布的差异（图11-3），主要是由植物决定的，有少数豆科和非豆科植物除形成根瘤外，也在地上部分形成茎瘤，如具喙田菁。

图11-3 根瘤的形态
（二）豆科植物根瘤的结构
按照根瘤内是否有分生组织存在，可以将其划分为无限生长型和有限生长型（图11-4）。

豌豆、苜蓿等植物的根瘤，由于具有分生组织，是无限生长型根瘤，成熟后呈枣状、园柱型或鸡冠状，基本结构分为：⑴根瘤表皮；⑵根瘤皮层；⑶顶端分生组织；⑷含菌组织，是起固氮作用的功能区，包括侵染区、早期生长区、后期生长区及衰败区；⑸维管束系统：它与根中柱的输导组织相联系，承担水分和养料的运输。

大豆等植物的根瘤一般呈球形，由于无分生组织，发育成熟后不再增大，属有限生长型根瘤。

图11-4根瘤结构示意图
A.有限型根瘤
B.无限型根瘤
含菌组织中的根瘤菌在形态和功能上与培养基上生长的根瘤菌差别很大，称为类菌体（bacteroids）。

类菌体的形状受宿主细胞的制约，在蚕豆根瘤中类菌体为梨形或膨大杆状；在花生根瘤中呈大圆球形；在大豆根瘤中呈杆状。

在根瘤中，根瘤菌被一层植物产生的膜所包裹，该膜称为类菌体周膜（peribacteroid membrane）。

在类菌体周膜内外存在豆血红蛋白（leghaemoglobin，Lb），它是一种红色的含铁蛋白，由蛋白质和血红素两部分构成，前者由宿主植物细胞合成，后者由类菌体合成，对根瘤中氧气的调节起着重要作用。

豆血红蛋白与氧的结合能力极强，可以调节根瘤中膜内氧浓度，氧浓度高时与氧结合，氧浓度低时又可释放出氧，从而保证了类菌体生长所需的氧，又不致对其固氮酶产生氧伤害。

图11-5 放线菌根瘤结构示意图
（三）放线菌根瘤的结构
放线菌根瘤有顶端分生组织，根瘤菌生存在外皮层和内皮层之间的细胞内。

（图11-5），放线菌以营养菌丝在宿主细胞内分裂繁殖，其菌丝穿过细胞壁感染
相邻的宿主细胞，有的营养菌丝生长时在顶端形成泡囊。

有的放线菌还在衰老含菌组织区产生孢子囊，囊内有数量不等的多角形颗粒体，颗粒体出现后菌丝体和泡囊开始解体。

三、豆科植物根瘤的形成
（一）根瘤形成的过程
根瘤形成包括以下步骤：豆科植物释放的信号物质被根瘤菌识别；根瘤菌发出相应的信号，根毛发生变形，根瘤菌进入根毛细胞并形成侵染线（infection thread）；侵染线增长并伸入根的皮层；与此同时皮层细胞进行有丝分裂，产生根瘤原基；侵染线继续增长和分枝，伸入各原基细胞，根瘤菌从侵染线中释放出来；根瘤原基发育为根瘤，其中根瘤菌分化为类菌体；由植物形成的周膜将类菌体包裹成为共生体，类菌体将分子态氮还原为氨态氮，转送到植物其它部分进行同化（图11-6）。

A B
C D
A.根瘤菌开始进入根毛细胞
B.电镜下观察到的分枝状侵染线
C. 根瘤菌穿过侵染线在宿主细胞间扩散
D.类菌体形成，并分化成固氮共生体
图11-6 根瘤菌导致的根瘤形成
根瘤的形成是根瘤菌与宿主植物之间相互作用的结果，这个过程涉及到两者间的信号识别、基因表达调控和营养物质的交换，具体过程如下。

首先，根瘤菌紧密的黏附于宿主根毛上，这一过程可分为两个步骤。

根瘤菌通过根钙黏附蛋白（rhicadhesin）的介导黏附在宿主植物的根毛上；之后是由根瘤菌合成纤维素所介导的一个更紧密的结合过程，宿主植物的凝集素也参与进来，这些凝集素通常位于根毛顶端，此时它们被运送到植物细胞壁和根瘤菌的接触面。

根瘤菌与宿主植物之间的第一步分子识别是在低氮或缺氮的环境下，根瘤菌接触到宿主植物分泌的类黄酮类化合物和相关分子物质。

由植物根分泌的类黄酮信号被根瘤菌的NodD蛋白识别，NodD是一个转录调节因子能够直接与信号分子结合，NodD多聚体能结合到nodABC基因的启动子，并藉此来调控它们的表达，合成结瘤因子（nod factors，NFs）。

在根瘤菌NFs作用下，宿主植物根毛内部肌动蛋白骨架发生改变，导致根顶端生长方向发生改变，根毛产生变形；对结瘤因子敏感区域的根毛生长停滞，并发生卷曲，而其它不敏感区域的根毛则不受影响。

与此同时，根瘤菌被包裹到卷曲的根毛部位，伴随根毛形态的变化，在根毛卷曲部位植物细胞壁局部水解，细胞质膜向内生长，新的细胞壁物质沉积在内陷的质膜处，形成这样一种管状结构，即侵染线；根瘤菌就是通过侵染线进入到根内皮层的植物细胞中去的。

随着侵染线向根毛基部延伸，在被侵染部位高度液泡化的根皮层细胞被激活，这些活化的细胞进行细胞质重排，形成横跨中央大液泡的辐射状胞质桥，这种胞质桥被称为前侵染线。

同时引起发生根毛细胞碱性化，质膜去极化，钙离子浓度、质子浓度均发生变化，根瘤菌侵入植物根毛形成侵染线。

图11-7 根瘤菌诱导豆科植物形成根瘤的早期结构示意图
A：根瘤原基的形成B：根瘤的分化
在根瘤菌侵染根毛细胞的同时，宿主植物的根皮层细胞也被激活并开始细胞分裂（图11-7）。

根外皮层细胞被激活形成前侵染线结构，根内皮层细胞分裂构成根瘤原基（nodule primoridum）。

侵染线通过前侵染线向根瘤原基生长、分叉，并在根瘤原基细胞中释放出根瘤菌。

侵染线所释放根瘤菌被根瘤原基细胞形成的膜套所包裹，成为可以固氮的类菌体，从而形成宿主植物与根瘤菌的共生体。

而在根瘤原基顶端的细胞则很小，富含细胞质，构成顶端分生组织。

分生组织基部分化形成中央组织和外周组织。

中央组织是被根瘤菌侵染的组织，而外周组织不是，它包括根瘤皮层、内皮层和根瘤薄壁组织，后者是根瘤维管束存在的地方。

分生组织不断地分化形成根瘤组织，根瘤原基则发育为根瘤。

（二）参与根瘤形成的基因
1、结瘤基因
根瘤菌侵染宿主植物及形成根瘤所必需的基因可以分为两类，一类是决定结瘤作用的基因，包括nod、nol和noe基因，这些基因的失活将导致不结瘤、结瘤过程推迟或宿主范围改变等。

某些结瘤基因在不同品种或亚种间可以相互交换而不改变结瘤功能，被称为共同结瘤基因。

而另一些结瘤基因为特定宿主结瘤所必须，称为宿主专一性结瘤基因。

在大多数快生型根瘤菌中，nod基因和固氮基因（nif / fix）位于同一个质粒上；在大豆慢生根瘤菌和茎瘤固氮根瘤菌中，与共生有关的基因则定位于染色体上。

第二类是决定细胞表面组分的基因，包括合成胞外多糖的exo基因、脂多糖的lPs基因及合成荚膜多糖、K抗原和β-1,2-葡聚糖的ndv基因等。

上述基因的突变将不同程度扰乱根瘤菌的侵染过程，如不能形成侵入线或形成不能固氮的空瘤。

2、共同结瘤基因
共同结瘤基因nodABC是最早被鉴定的结瘤基因，其基因结构十分保守，在不同根瘤菌中功能上可以互补。

在大多数根瘤菌中，nodABC构成单一转录单位。

nodABC失活将不能引起宿主的根毛卷曲、侵染线的形成、皮层细胞的分裂和根瘤的形成等，而与宿主类型、侵染方式、根瘤发育类型和根瘤的位置无关。

nodA 和nodB的产物定位在细胞质中，nodC是一种膜蛋白，在接种物中加入抗NodC 专一性抗体会降低结瘤效率。

NodIJ存在于豌豆根瘤菌、三叶草根瘤菌、大豆慢生根瘤菌和茎瘤固氮根瘤菌中，也具有相当高的保守性。

它们位于nodC下游,属于nodABC操纵子的一部分。

（三）结瘤因子
根瘤菌产生的结瘤因子是根瘤形成的信号物质，它的化学名称是脂几丁寡聚糖（lipochitooligosaccharides，LCDs）。

不同根瘤菌的结瘤因子都具有相似的骨架结构：由3～5个β-1,4-N-乙酞-D-葡萄糖胺组成的糖骨架，非还原糖末端的C2通过N-乙酞基团连接一条脂肪酸链，还原末端被不同程度修饰（图11-8）。

不同根瘤菌来源的结瘤因子在还原端和非还原端侧链取代基团、脂肪酸链的长度和不饱和度方面表现出较大的差异，而这些结构的差异是与根瘤菌的宿主范围、有效。