固氮菌研究现状及前景分析

固氮菌的研究现状及应用前景观望
(山东农业大学生科院生物工程2010级3班司庆刚20102917)
摘要：
固氮作用是分子态氮被还原成氨和其他含氮化合物的过程。

自然界氮（N2）的固定有两种方式：一种是非生物固氮，即通过闪电、高温放电等固氮，这样形成的氮化物很少；二是生物固氮，即分子态氮在生物体内还原为氨的过程。

大气中90%以上的分子态氮都是通过固氮微生物的作用被还原为氨的。

固氮菌所进行的生物固氮作用是土壤中氮素的主要来源，也是固氮微生物参与自然界氮素循环的主要环节，固氮菌主要包括自生固氮菌、共生固氮菌和联合固氮菌，涵盖固氮细菌和固氮蓝细菌两者共59个属[1]。

本文将对固氮菌固氮作用的应用、基因工程育种在固氮菌研究上的应用以及固氮菌的最新研究进展等方面进行分析。

关键词：
固氮菌应用前景
Summary:
Nitrogen fixation (nitrogen fixation) is reduced into ammonia and other nitrogenous compounds to the process of molecular nitrogen. Nature nitrogen (N2) fixation in two ways: a non-biological nitrogen fixation, nitrogen fixation by lightning, high temperature discharge nitride formed so rarely; biological nitrogen fixation, molecular nitrogen to ammonia in vivo reduction process. More than 90% of the atmosphere of molecular nitrogen through nitrogenase action of microorganisms is reduced to ammonia. Biological nitrogen-fixing is the main source of nitrogen in soil, also is the main process that N-fixing bacteria take part in natural nitrogen cycle. N-fixing bacteria include free-living nitrogen fixing bacteria, symbiotic nitrogen fixing bacteria and associative nitrogen fixing bacteria. This article will introduce the application of nitrogen bacteria and the perspective of nitrogen fixing bacteria. [2]
Key word：
Nitrogen-fixing bacteria Application Perspective
研究现状：
固氮微生物包括自生固氮菌、共生固氮菌以及联合固氮菌三大类型。

对固氮菌的研究在农业生产，增加作物产量以及合成蛋白质等方面有着极其重要的应用。

目前固氮菌肥料的生产是最主要的固氮菌应用方式。

固氮菌肥料是利用固氮微生物将大气中的分子态氮气转化为农作物能利用的氨，进而为其提供合成蛋白质所必需的氮素营养的肥料[3]。

固氮菌肥料是最理想的、最有发展前途的肥料。

目前固氮菌肥料的生产基本上采用液体发酵的方法。

产品可分液体菌剂和固体菌剂。

从发酵罐发酵结束后及时分装即成液体菌剂，发酵好的液体再用灭菌的草炭等载体吸附剂进行吸附即成固体菌剂[4]。

自身固氮菌不与高等植物共生，没有寄主选择，而是独立生存于土壤中，利用土壤中的有机质或根系分泌的有机物作碳源来固定空气中的氮素，或直接利用土壤中的无机氮化合物。

固氮菌肥对各种作物及蔬菜都有一定增产作用。

一. 固氮作用分类：
1.生物固氮
自生固氮菌是自由生活在土壤或水域中，能独立进行固氮作用的某些细菌。

以分子态氮为氮素营养，将其还原为NH3，再合成氨基酸、蛋白质。

包括好氧性细菌，如固氮菌属、固氮螺菌属以及少数自养菌；兼性厌氧菌，如克雷伯氏菌属；厌氧菌，如梭状芽孢杆菌属的一些种。

还有光合细菌如红螺菌属、绿菌属以及蓝细菌（蓝藻），如鱼腥藻属、念珠藻属等。

1.1共生固氮
共生固氮菌在与植物共生的情况下才能固氮或才能有效地固氮，固氮产物氨可直接为共生体提供氮源。

共生固氮效率比自生固氮体系高数十倍。

主要有根瘤菌属的细菌与豆科植物共生形成的根瘤共生体，弗氏菌属与非豆科植物共生形成的根瘤共生体；某些蓝细菌与植物共生形成的共生体，如念珠藻或鱼腥藻与裸子植物苏铁共生形成苏铁共生体，红萍与鱼腥藻形成的红萍共生体等。

在实验条件下培养自生固氮菌，培养基中只需加入碳源（如蔗糖、葡萄糖）和少量无机盐，不需加入氮源，固氮菌可直接利用空气中的氮（N2）作为氮素营养；如培养根瘤菌，则需加入氮素营养，因为根瘤菌等共生固氮菌，只有与相应的植物共生时，才能利用分子态氮（N2）进行固氮作用。

1.2联合固氮
近年在上述两个类型之间又提出一个中间类型，称为联合固氮。

即有的固氮菌生活在某些植物根的粘质鞘套内或皮层细胞间，不形成根瘤，但有较强的专一性，如雀稗固氮菌与点状雀稗联合，生活在雀稗根的粘质鞘套内，固氮量可达15～93千克/公顷·年。

其他如生活在水稻、甘蔗及许多热带牧草的根际的微生物，由于与这些植物根系联合，因而都有很强的固氮作用。

1.3电离固氮
即采用人工或自然的方式，使空气中的氮气转化为氮化物。

电离作用和大自然中的闪电能使空气的氮气和氧气产生化合作用，形成一氧化氮，一氧化氮极其不稳定，会瞬间被氧化成二氧化氮。

二氧化氮溶于水形成稀薄的硝酸，而硝酸会与土壤里的元素形成氮化物，从而被植物吸收。

自然界有生物固氮能力的生物只限于极少数低等的原核微生物，基因重组和细胞融合等遗传操作新技术为改造生物提供了强有力的手段。

对于固氮微生物来说，固氮基因操纵和调节固氮酶的合成，从而使固氮微生物具有固氮作用。

如果将固氮基因进行人工转移，就可能获得具有固氮作用的新物种。

在这一领域人们已进行了大量的研究，进展显著。

固氮基因已经能够在原核生物界细菌之间转移，例如，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世纪初成功，水稻的固氮也有成功的可能。

美国科学家估计，今后20年内，生物工程可能使粮食作物产生自身固氮能力，从而可节约生产氮肥投资的90%以上[6]。

二．对固氮根瘤菌及其宿主植物的基因组、功能基因组和蛋白质组研究认识生物固氮及其与之相关的微生物与高等植物相互作用机理，必将取得新的突破。

重组根瘤菌已构建成功，并作为第一个可提高固氮效率的基因工程根瘤菌肥而投放到国际市场；与粮食作物联合固氮的固氮螺菌的固氮调控机制研究也已逐步明朗，为构建铵阻遏条件下也能固氮的基因工程菌株打下了理论基础。

最近，对以苜蓿根瘤菌为代表的模式菌株的基因组工作已经完成，对其功能基因组学研究也刚刚兴起，这必将在一个新的层次上揭示根瘤菌与宿主植物相互作用机理。

我国科学家在深入研究在调节基因的表达及其产物活性调节机制的基础上，构建了携带有能组成型表达(不受铵阻遏)的质粒，将其引入大肠杆菌和大豆根瘤菌后，其固氮作用不再受铵抑制，用此基因工程菌接种水稻和大豆可获得增产[7]。

三．内生固氮菌研究进展
有些高等植物与菌根真菌共生形成菌根，非豆科固氮植物固氮能力强，是陆地生态系统中重要的供氮系统，植物内生菌与寄主植物在长期的共同进化过程中形成共生关系。

它们通过固氮作用，产生生理活性物质促进宿主对环境的适应, 在农业中具有重要的应用潜力[8]。

近年来，在甘蔗、玉米中发现了多种具有固氮功能的内生细菌，引起了学术界的高度关注。

3.1微生物体内碳代谢与固氮及氮代谢的基因表达调节之间存在着偶联关系
这一发现不仅对生物固氮调控有重要意义，也是对基因表达调控的基础研究中的一项重要贡献。

它为进一步研究光合和固氮之间的联系，提供了理论基础。

3.2培育具有氢酶的固氮微生物的研究
如果固氮微生物体内具有氢酶，可以吸收氢产生的能量。

这样，就能提高其固氮效率而增加产量。

四、固氮菌研究的前景展望
目前，利用基因工程技术转移固氮基因从而使植物表达固氮作用已成为一项世界性的战略课题。

许多国家的科学家都在运用现代生物技术从事固氮菌的固氮机理和转移微生物固氮能力等各方面的研究，展现固氮菌生物固氮的前景。

针对目前固氮菌研究中存在的问题，目前关于固氮菌的发展主要集中在以下几个方面：
4.1改进现有固氮微生物的固氮效率
改变固氮酶作用中的放氢耗能反应。

由于固氮作用要消耗一定的能量，即消耗了植物光合作用的产物。

因此可以设想，应用基因工程手段，组建菌株，使释放的能量再用于固氮酶的固氮作用[9]。

培养菌株，解除抑制固氮酶合成，使固氮菌环境中能结瘤固氮。

4.2利用生物工程技术, 构建新的固氮微生物
原核生物间的遗传性能转移是比较容易的。

应用质粒转移培育高效固氮的根际细菌群，开辟根际细菌转人固氮质粒的研究。

4.3建立新的共生固氮体系
共生固氮体系是生物界中最有效的固氮组合。

固氮作用所需要的能量来自宿主植物的光合作用。

固氮产物直接为宿主的氮素营养，共生的两方面相互有利，相互支持。

但是，对农、林和牧业生产有价值的共生固氮体系，在自然界中仅限于少数微生物与有限的豆科植物共生。

研究扩大根瘤菌的共生范围，使能在其它植物上结瘤固氮。

或将固氮基因导入高等植物细胞, 创建能固氮的高等植物，自给氮素营养的植物类型是非常有意义的。

4.4加强固氮菌遗传工程的研究
从目前的研究现状来看，试图通过基因工程将固氮基因从豆科植物转移到非豆科农作物中难度比较大，在短期内很难实现，而采用细胞工程方法将根瘤菌导入非宿主农作物细胞内则切实可行。

4.5建立新的共生固氮体系
由于Frankia菌具有对宿主的侵染范围宽、固氮活性比较强和对氨气不敏感等特性，在生物固氮研究中对Frankia茵的研究将更为重要，有可能由此会找到新的突破口。

在Frankia菌与农作物之间建立起新的共生固氮体系将具有更大的可能性。

随着生物科学的快速发展和对环境保护的日益重视，固氮菌必将引起更多的关注与研究，固氮微生物在农业发展、环境保护、工业生产等方面的应用将更加深入的展开，人类也将从中获益匪浅。

参考文献：
[1]樊庆生主编，《固氮微生物学》，北京农业出版社
[2] Vacanti CA, and Vacanti JP. The science of tissue engineering. Orthop. Clin. North Am. 31, 351, 2000.
[3]王亿平，《高效固氮作用机理及其在农业中的应用》
[4]梁如玉主编,农业微生物学. 北京: 中国农业科技出版社, 1997.
[5] 陈声明等主编,经济微生物学. 成都: 成都科技大学出版社, 1997.
[6] 江苏省徐州农业学校主编,兽医微生物学.北京:中国农业出版社.1996
[7] Lanza RP, Langer R, and Vacanti J. 1999. Principles of Tissue Engineering. San Diego: Academic Press, 2000
[8] 徐继，李久蒂，《联合固氮生物学通报》。