禾本科植物联合固氮研究及其应用现状展望
3
张丽梅 方 萍
33
朱日清
(浙江大学环境与资源学院,杭州310029)
【摘要】 综述了近年来从禾本科植物体内和根际发现的内生固氮菌和根际固氮菌的种类、特征及对宿主
的促生机理,以及固氮菌接种剂在农业生产中的应用现状和存在的问题,指出影响联合固氮菌接种效果的主要因素有土著微生物的竞争;植物基因型差异和环境条件的变化,如结合态氮(氨、亚硝酸盐、硝酸盐等)对固氮酶的合成阻遏和较高的氧分压对联合固氮菌的固氮效率影响.提出了发掘和利用禾本科植物的生物固氮潜力的努力方向:从自然界分离筛选获得广谱高效固氮菌株;应用基因工程构建耐铵、泌铵型联合固氮菌;诱导禾本科植物形成固氮根瘤;充分发挥植物内生固氮菌的优势.
关键词 禾本科植物 联合固氮 根际固氮菌 内生固氮菌文章编号 1001-9332(2004)09-1650-05 中图分类号 Q945179文献标识码 A
R ecent advances in research and application of associated nitrogen 2f ixation with graminaceous plants.ZHAN G Limei,FAN G Ping ,ZHU Riqing (College of Environmental and Resource Sciences ,Zhejiang U niversity ,Hangz hou 310029,China ).2Chin.J.A ppl.Ecol .,2004,15(9):1650～1654.
The category ,characteristic of diazotrophs isolated from inside and/or rhizosphere of graminaceous plants in re 2cent year and the mechanism of the promoting effects on their host plant were reviewed in this paper.The cur 2rent status of application of associative nitrogen 2fixation inoculants and the problems in inoculation were dis 2cussed.It was indicated that the main factors influencing the effects of inoculants include the competition of in 2digenous micro 2organism with inoculants for nutritions and energy ,difference of host plant genotypes in associa 2tive relationship ,and variance of environmental conditions such as the concentration of ammonium in soil solution and the oxygen partial pressure in soil air.The trends of future research in this field were prospected ,for exam 2ple ,to isolate and identify the high nitrogen fixing efficiency strains with wider environmental adaptability ,to create associative nitrogen fixing bacteria strain which is able to bear or endure higher concentration of ammoni 2um by gene engineering technique ,to induce graminaceous plant forming root nodule for nitrogen fixation and to exert the predominance of endophytic diazotrophs.
K ey w ords Graminaceous plants ,Associative nitrogen fixation ,Rhizosphere diazotrophs ,Endophytic dia 2zotrophs.
3国家自然科学基金资助项目(30070443).
33通讯联系人.Tel :0571286980595;E 2mail :pfang @https://www.doczj.com/doc/3517251629.html, 2003-05-31收稿,2003-12-11接受.
1 引 言
生物固氮研究已有百余年历史,而作为其中的一个重要分支———联合固氮的研究,则只有几十年的历程.1958年,
D bereiner 和Ruschei 等[3]首次从热带甘蔗的根际分离到固
氮细菌:拜叶林克氏菌(Beijerinckia f luminensis ),并证实禾本科植物同样存在生物固氮潜能.1975年,D bereiner [19]实验再次发现与禾本科植物联合共生的固氮菌:固氮螺菌(A 2
zospirillum ),并提出根际联合固氮的概念,认为根际中存在
一类自由生活的能固氮的细菌,定殖于植物根表或近根土壤,部份则能侵入植物根的皮层组织或维管中,靠根系分泌物生存繁殖,与植物根系有密切的关系,但并不与宿主形成特异分化结构,将植物与细菌之间的这种共生关系称为联合共生固氮(associative symbiotic nitrogen fixation ).继
D bereiner 等的发现之后,又相继发现许多具有重要经济价
值的禾本科作物如甘蔗、水稻、玉米、牧草等存在明显的生物固氮现象,引起了人们对禾本科植物生物固氮的极大关注.然而,由于联合固氮菌与宿主植物根系之间只是一种松散的
联合关系,没有分化出有形结构,使该领域的研究具有较大难度,且由于受多种因素的影响,联合固氮效率不及共生固氮高,限制了联合固氮接种剂在农业中的应用.近年来,随着一些新的研究手段包括化学分析、遗传工程、分子生物学、免疫学等方法的运用,推进了联合固氮领域的研究深度.
2 联合固氮菌种类及其特性
自根际联合固氮菌的概念提出以来,相继从禾本科植物根际发现了许多新的联合固氮细菌,如醋酸固氮菌(Aceto 2
bacter diazot rophics )、草螺菌(Herbaspirillum seropedicae )、内
生固氮菌(A zoarus spp.)、产碱菌(A lcaligenes )、固氮螺菌
(A zospirillum )、芽孢杆菌(B acillus )、肠杆菌(Enterobacter )、
克雷伯氏菌(Klebsiella )、假单胞菌(Pseudomonas )、固氮根瘤
菌(A zorhizobium )等.应用氮素平衡法、15
N 同位素稀释法和15
N 自然丰度技术证实了一些热带禾本科植物特别是甘蔗
应用生态学报 2004年9月 第15卷 第9期
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Sep.2004,15(9)∶1650～1654
(S accharus spp.)、湿生水稻(Oryz a sativa)和卡拉草(L ep2 tochloa f uscu)能通过生物固氮获得其生长所需的部分氮源[31].根据禾本科植物联合固氮细菌的生理生态特征可将其大致分为三类:根际固氮菌、兼性内生固氮菌和专性内生固氮菌.
211 根际固氮菌
包括定殖于植物根表的所有固氮细菌,如雀稗固氮菌(A zotobacter paspali)、拜叶林克氏菌(Beijerinckia spp.).许多研究表明,这类细菌对宿主植物的有益影响主要在于其产生的植物激素改变根系形态而促进植物的生长,因此也将这类菌归为根圈促生细菌(plant2growth promoting rhizobacteri2 a)[7,60].
Boddey等[10]发现,在A zotobacter paspali与Paspalum notatum cv.batatai的联合共生系统中植物每年可通过生物固氮积累氮素20kg?hm-2,且这种联合共生关系具有严格的专一性.但参与这种专一性联合共生关系的化合物还不清楚,推测可能与在根瘤菌2豆科植物共生关系中起作用的分子信号类似.
拜叶林克氏菌(以B.indica和B.f luminensis为主)主要与热带甘蔗形成联合固氮关系.研究发现,植株根系能分泌一些含糖化合物,而这种细菌能优先定殖于含糖化合物释放处,推测植株通过这些分泌物来调节这种细菌在根部的定殖并形成优势菌群[3].
212 内生固氮菌
内生生物(endophyte)原意是指在植物根内定居而不对植物造成伤害,在植物组织内生活而不引起植物病害的微生物(细菌和真菌).后来该定义被延伸,指在土壤中生存能力低,而主要定殖于植物根内部并能促进植物生长的一类微生物.由于一些细菌主要定殖于禾本科植物根内,且能与植物进行联合固氮,因此D bereiner将“endophyte”这个概念引入该领域,称为内生固氮菌[22,33].根据内生固氮菌的特点不同,又可分为兼性内生固氮菌和专性内生固氮菌两类. 21211兼性内生固氮菌 该类固氮菌既能在根内也能在根表和土壤定殖,主要为固氮螺菌属的细菌.该属细菌为革兰氏阴性菌,能利用多种碳源和氮源进行代谢,在不良环境下形成胞囊,同时分泌大量胞外多糖,并在体内形成聚β羟基丁酸作为能源以渡过不良环境[51].目前已分离鉴定出的有5个种.
1)产脂固氮螺菌(A.lipof erum):可利用柠檬酸、葡萄糖为碳源;具N2O还原酶基因,能同化亚硝酸盐及亚硝态氧化物;能产生植物激素,存在IAA合成基因[14,54].
2)巴西固氮螺菌(A.brasilense):能利用柠檬酸为碳源,但不能利用葡萄糖;具N2O还原酶基因;存在IAA合成基因[14,54].
3)亚马逊固氮螺菌(A.am azomense):能利用蔗糖,并能在较广p H值下生存;无N2O还原酶基因;能产生植物激素,存在IAA合成基因[14].
4)伊拉克固氮螺菌(A.irankense):能利用蔗糖作为碳源,并能水解果胶,耐高浓度盐(盐浓度可达3%);无N2O还原酶基因;不存在IAA合成基因[14,34].
5)A.halopraef erens:从盐碱性土壤中分离到,在高盐浓度下生长和固氮,固氮的最适温度为41℃[42].
近年在基因水平上的研究取得了一些进展,发现固氮螺菌具有一些与根瘤菌同源的基因.这些基因在根瘤菌中调节着细菌2植物间的共生关系.
21212专性内生固氮菌 是一类具有独特生理生化特征的固氮菌,在土壤中不能生存或生存能力很差,而以相当高的数量存在于植物组织内.这一类群包括属于原细菌α亚纲的醋酸固氮菌(Acetobacter diazot rophicus)和属于原细菌β亚纲的固氮弧菌(A zoarus spp.)、织片草螺菌(Herbaspirillum seropedicae)、红苍白草螺菌(H.rubrisubalbicans)、B urkholderia spp.这类细菌主要从植物根表皮细胞或次生根形成点的细胞间隙处感染植物,经木质部扩散至植株上部[13,43,49].
1)醋酸固氮菌:具有一定的宿主专一性,主要是一些含糖丰富的植物如甘蔗、甜马铃薯、喀麦隆草等[44].能耐高浓度糖(10%)渗透;在酸性(p H<5)条件下生长和固氮;缺乏硝酸盐还原酶;固氮酶活性不受高浓度的NO3-(25mM)影响,高糖渗透下NH4+能部分抑制固氮作用;耐氧,具有泌铵能力[44,50].含质粒,大小在50～110MDa,在染色体上有nif 基因位点.其遗传多样性有限.这可能与寄主范围较窄及内生环境相对稳定有关[52].
2)织片草螺菌:宿主范围广,从禾本科植物玉米、高粱、水稻、甘蔗、牧草和非禾本科植物油棕中都分离到[3].能在高蔗糖浓度下生长,但不利用蔗糖而偏好有机酸;固氮酶活性仅被10mM的NH4+部分抑制;耐氧.nifA基因已被克隆和测序,用nifA启动子区缺失的突变株研究发现nifA蛋白的表达受NH4+阻遏,但不受氧阻遏[29,39].
3)红苍白草螺菌:宿主较专一,多局限于甘蔗,但最近也从高梁、水稻、油棕中分离到.偏好有机酸,不能利用乙酰氨基葡糖,但能利用内消旋赤藓糖醇.能引起某些甘蔗品种的条纹病,以前将该菌错归为假单胞菌属(Pseudomonas),基于其DNA:rRNA同源性及一些生理特征,现将其归为草螺菌属(Herbaspirillum)[4,25].
4)固氮弧菌:是卡拉草中的优势菌群.在有机酸中生长良好,不能利用碳水化合物,只能利用少数氨基酸;已检测到该菌能产生纤维素酶如胞外葡萄糖酶(exoglucanase)和内葡聚糖酶(endoglucanase).这两种酶可能与细菌入侵组织有关[28].菌体内膜堆叠成管状,利用固氮酶抗血清的研究认为该膜可能是固氮作用的功能膜,称为“diazosome”[27].
5)B urkholderia spp.:近来从水稻、木薯及某些水果上分离到.
3 联合固氮菌的农业应用及存在的问题
针对长期单一施用化学肥料带来的土壤肥力下降,农产品品质下降和农业环境面源污染加剧等一系列对农业可持
1561
9期 张丽梅等:禾本科植物联合固氮研究及其应用现状展望
续发展的负面影响,鉴于业已发现的联合固氮菌的宿主植物大多为具有重要经济价值的作物如甘蔗、水稻、小麦、玉米、牧草等不能自主固氮的禾本科植物,积极发掘和利用联合固氮作用的潜力对农业可持续发展更具特殊的意义.大量的试验表明,联合固氮菌可通过以下方式促进植物的生长:1)直接将固定的铵分泌到菌体外供宿主植物利用或等菌体死亡消化后释放出氮为宿主植物提供氮源[5,15,18,35,57];2)产生植物生长调节物质,如IAA、ABA等影响根的呼吸速率和代谢,刺激根毛和次生根的形成,促进宿主植物对营养物质的吸收[23,28];3)微生态调节,当联合固氮菌在根际微域或植物体内部形成优势菌群后,可以起到调节根际生态平衡,阻止有害菌的入侵和定殖,起到生物屏障的保护作用[58];4)其它作用:如联合固氮菌在植物根部定殖可使宿主根的质子流增加而刺激植物对矿物质的吸收,或增加硝酸盐还原酶的活性而有助于植物吸收同化土壤中的氮素[6,9].
近年来,利用联合固氮菌作为田间接种剂的研究已在世界各国广泛开展,并取得一些可喜的成绩.Okon等[38]评价了20多年来很多国家采用野生型固氮螺菌作为菌剂在田间接种,以统计学上有意义的增产率5%～30%计算,认为60%～70%的接种试验是成功的,但主要作用应归功于固氮菌产生的植物激素.近10多年来,许多研究报道相继证实了植物内生固氮菌的存在及其对宿主植物显著的氮营养贡献.巴西种植甘蔗有上百年的历史,蔗田施氮量一直不高但持续高产,而土壤氮储量并不下降,用15N稀释法和氮素平衡法研究表明,感染内生固氮菌的甘蔗可从生物固氮获得总氮量60%的氮素,有些品种甚至可达80%[2,11,16,21].更多的报道也证实了渍水水稻中内生菌明显的固氮作用[12,51].我国自“七?五”起就开始了水稻联合固氮的研究,随后进行了大规模的联合固氮菌剂的试验研究、示范和推广应用.据中国农业科学院1993～1994年向全国20个省、市、自治区所作的调查结果表明,小麦、水稻、玉米使用相应的根际联合固氮菌剂可增产10%左右[37,55].之后,国家“863”计划课题组开始采用生物技术方法构建基因工程固氮菌株,并将通过鉴定的三株耐铵工程菌:粪产碱菌(A lcaligenes f aecalis)A1523、阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)E2613、催娩克氏杆菌(Klebsiel2 la oxytoca)N G1390,在全国南北方12个省、市、自治区进行试验、推广应用,面积达3.2×105hm2,各地资料汇总分析表明水稻以0.3～0.75kg?hm-2菌剂浸种均有不同程度的增产效果,增产幅度为5.1%～7.4%[37].李永兴等[36]通过3年田间小区试验证明,在玉米上接种导有nifA基因的耐铵工程菌产气肠杆菌(Enterobacter gergoviae)E7与接种野生型及无菌载体相比在增产和节肥上有明显效益,在肥力较低的白浆土、砂壤土中增产幅度可达12.3%,且这个结果有较好的规律性和重现性.然而,相当多的试验研究也得到不一致的结果,施振云等[47]对2年3个试验点产量进行多年多点试验结果联合分析发现,联合固氮菌在习惯用肥量下能有效提高玉米苗期品质,明显增加玉米每穗数6.1%而获得7. 5%的增产率,而在不施肥条件下,增产效果不显著.张英[59]研究也表明,在水稻、小白菜、莴苣上接种根际联合固氮菌有明显的增产趋势,但多数性状未达显著差异,因此认为,在生产上用联合固氮菌剂完全替代氮素肥料是不切实际的,但可作为一种辅助的农业措施.我们应用固氮螺菌NO40在红壤性水稻上的接种结果显示,接种后水稻新展开叶的叶绿素含量、株高及秸杆干物重有显著提高,但水稻的增产作用未达到显著水平[24].
综上所述,接种联合固氮菌剂后都有促进植物生长的趋势,并伴随有一定的增产效应,但这种增产效果不稳定,增产率在5%～30%之间.在中低肥力下,接种处理可提高产量5%～8%,但在高肥水平下接种增产效应不明显,或增产低于正常施肥接种.究其原因,主要是由于联合固氮菌与根系的联合只是松散的结合而没有形成稳定的共生结构,使得固氮效率易受外界环境的影响,导致了接种效果的不稳定.影响联合固氮菌接种效果的主要因素有:
1)土著微生物的竞争.大量研究表明,在自然条件下固氮菌很少能成为根际细菌菌群的优势部分,数量一般占总数的1%～10%,在有机质丰富的土壤中土著菌的数量高,会降低接种菌的定殖和竞争力,只有在氮素贫乏的土壤中才会表现出竞争的优势[7,36,56].一般认为,在新垦土壤上的接种效果好于熟化土壤.经基因工程改良的泌铵突变株、许多具专一性的内生固氮菌株也面临同样的问题[32].
2)植物基因型差异和环境条件的变化.用15N稀释法和15N自然丰度法的研究结果表明,甘蔗能通过联合固氮固定相当一部分氮气,但固氮能力因植物基因型和环境条件的差异而高度可变.Shrestha,Ladha对70个不同水稻基因型研究发现,水稻的Ndfa值从0～20.2%不等[48].Urquiaga 等[53]指出,巴西甘蔗的生物固氮量也依赖于供水量及磷、钾和微量元素特别是钼的有效性.
3)结合态氮.结合态氮(氨、亚硝酸盐、硝酸盐等)会阻遏固氮酶的合成,抑制某些细菌固氮酶的活性,因此当氮源充足的情况下,联合固氮菌优先利用环境中的氮.一般土壤中结合态氮的浓度在5～500mg?kg-1下就能抑制或消除接种后土壤的固氮酶活性[56].
4)氧.微生态环境中氧的水平是影响联合固氮菌的固氮效率一个重要因子,氧不可逆地使大多数固氮菌的固氮酶失活并调节固氮酶的合成,只有在低氧分压下固氮速率才达到最高水平.
4 发掘和利用禾本科植物固氮潜力的研究方向
411 联合固氮关系的强化和有效化是实现禾本科植物生物固氮的近期目标.首先必须获得广谱高效固氮菌株,可通过从自然界分离筛选或基因工程改良来实现.因地制宜,根据各地的土壤类型、气候条件、作物品种选用适宜的接种剂.其次,配合良好的田间管理措施,有报道指出玉米接种后应用地膜覆盖技术或在玉米的行间覆盖稻草可提高地温保持土壤湿度,有利于接种菌在根际的繁殖和定殖,而获得较好的接种效果[36,47].
2561 应 用 生 态 学 报 15卷
412 基因工程手段.1)应用基因工程构建耐铵、泌铵型联合固氮菌.至今已获得多个含抗铵阻遏基因nifA的耐铵固氮菌,如A1523、E2613、N G1390[37];含吸氢酶基因hup的高吸氢效率的工程菌;能将固定的铵分泌出菌体外的突变型泌铵固氮菌株,从接种效果来看,这类工程菌的促生作用好于野生型[36].但需进一步解决提高其与土壤微生物的竞争能力和保持高的固氮活性等问题.2)固氮基因向非豆科植物的转移.要使非豆科植物获得固氮能力,至少需要16个固氮基因的转移,而且需要解决固氮酶的氧敏感性,转移基因在真核生物中的表达调控等问题.这需要相当长时间的努力才能取得成功.
413 诱导禾本科植物形成固氮根瘤.用纤维素酶、果胶酶降解根尖细胞壁[17]或用植物生长调节剂2,42二氯苯氧乙酸(2,42D)[46]处理根后能将根瘤菌、固氮螺菌引入小麦、水稻、玉米并形成类根瘤(Para2nodule)结构,在类根瘤中可以检测到大量细菌存在和较低的固氮酶活性.但目前对宿主植物如何接受结瘤信息、禾本科植物能否像豆科植物那样在适当的时间和空间内合成足够多血红蛋白保持类根瘤内氧平衡等问题尚未得以解决.
414 植物内生固氮菌的发现为禾本科植物实现生物固氮开辟了一条新的途径.与其它根际联合固氮菌比较,内生固氮菌定殖于植物体内部,在木质部导管进行固氮作用.这个部位不仅可满足细菌生长和固氮所需的足够的能源、低氧分压以及交换代谢产物的微环境,还避免了化合态氮的抑制及土著微生物的竞争,固定的氮又可直接供给植物吸收,因而表现出更高的固氮效率[34,45,50].内生固氮菌主要靠传统的甘蔗栽培方法即种茎切段传播[20],也可通过刺食甘蔗叶片的粉虫传播[1],以及通过VA菌根真菌或含有内生菌的VA菌根菌孢子感染植物而引入植物体内[40].近年来应用VA菌根与内生固氮菌共接种甘蔗、高梁、甜菜已获得较大的成功,共接种的细菌降低了真菌在根中的定殖率,而真菌增加了细菌的感染率,也增加了植物的含氮量[30,41].这种固氮菌的接种方式不仅避免了基因工程方法的复杂性和不易实现性,又保证了联合固氮的高效性,无疑给禾本科植物的生物固氮带来了新的曙光.Reis等[44]最近通过调整甘蔗组织培养基成份,使醋酸固氮菌能单独在组培苗上接种成功.
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作者简介 张丽梅,女,1977年生,硕士研究生,主要从事禾本科植物根际联合固氮机理及其应用研究,发表论文3篇. E2mail:zjuzlm@https://www.doczj.com/doc/3517251629.html,
4561 应 用 生 态 学 报 15卷
课题：第六章植物的蒸腾作用与植树造林 第 7周第 2 课时 教学目标： 1、描述植物的蒸腾作用。 2、阐明蒸腾作用对植物生长发育的意义。 3、说明气孔的组成及植物的蒸腾作用在生活中的应用。 教学重点：蒸腾作用的概念、意义 难点：观察实验得出结论过程; 教学方法：实验法，自学 教学过程 自学指导：新课导入：7-8月份正值炎热，这时你走在树荫下就觉得凉爽了。什么原因呢，你想知道吗？那我们就一起学习本课内容。 一、阅读课本44页回答下列问题 1、植物体内的水大部分从散失的。 2、气孔由组成。当叶内水分多时，保卫细胞吸水膨胀，气孔便张开，叶内的水分便释放出来。当保卫细胞失水缩小时，。 二、阅读知识链回答下列问题 1、是蒸腾作用的主要器官，其他器官。 2、根吸收的水分通过运到叶，只有供光合作用和其他生命活动利用， 左右的水分变成水蒸气，从气孔散发到大气中。 3、植物蒸腾作用对植物的意义有：（1） （2）。 三、阅读实际用回答下列问题 1、在花卉农业生产中应用蒸腾作用的有： 2、我们要大力提倡养花种草和植树造林的意义有： 测一测 1．蒸腾作用发生的部位是 ( ) A．根、茎、叶 B．叶和幼嫩的茎 C．所有器官 D．花、果实、种子 3．控制气孔开闭，调节植物体内水分蒸腾的是 ( ) A．表皮细胞 B．叶肉细胞 C．保卫细胞 D．叶脉细胞 4．植物体内水往高处流，这主要是由于_____的结果。 ( )
A．吸收作用 B．光合作用 C．呼吸作用 D．蒸腾作用 5．俗话说“大树底下好乘凉”，你能用本节课所学的知识对这句话进行解释吗? 6．土壤中的水分参与植物蒸腾作用时的途径是 ( ) A．土壤→根毛→导管→叶肉→气孔→大气 B．土壤→导管→叶脉→气孔→大气 C．土壤→根毛→导管→气孔→叶脉→大气 D．土壤→根毛→叶脉→表皮→大气 7．种花或种菜时，最好是在阴天或傍晚，并且要去掉几片叶，这样做的目的是( ) A．操作方便 B．减少蒸腾作用 C．加强水分吸收 D．减少光合作用 8．落叶乔木在冬季吸收水分大大减少，主要是植物几乎停止 ( ) A．光合作用 B．呼吸作用 C．蒸腾作用 D．渗透作用 9．森林地区常常形成独特的“小气候”，降雨量较多，其主要原因是 ( ) A．根能保持水土 B．光合作用旺盛 C．蒸腾作用旺盛 D．呼吸作用旺盛10．关于蒸腾作用的意义，下列说法中错误的是 ( ) A．促进根从土壤中吸收水分 B．提高空气湿度，调节气候 C．植物体吸收的水被蒸腾作用散失是一种极大的浪费 D．降低植物体的温度
植物解剖部分作业参考答案 相同点：均由表皮，皮层，维管柱组成。维管柱又由中柱鞘，相间生的维管束，及薄壁细胞组成。 4. 比较根和茎初生结构的异同点 相同点：均由表皮、皮层、维管柱组成，初生韧皮部均为外始式发育 不同点：
5. 比较双子叶植物和禾本科植物茎初生结构的异同点 双子叶植物的茎维管束是环状排列，可分为表皮、皮层和维管柱三个部分，禾本科植物的茎维管束是散生或者两环排列，因此无明显的皮层和维管柱，分为表皮，基本组织和维管束三个部分 6．比较双子叶植物和禾本科植物叶片结构的异同 相同点：均由表皮、叶肉、叶脉组成 7.如何区分双子叶植物根茎的次生结构 答：双子叶植物根的次生结构中没有皮层，中央一般为呈辐射分布的初生木质部，次生木质部中，而在茎的次生结构中有时有皮层，中央为髓。 8. 如何区分双子叶植物根的初生结构和次生结构 答：根的次生结构中有射线，没有皮层；根的初生结构中有皮层没有射线。 9.简述侧根的发生规律 侧根在母根上的发生位置具有如下规律：如初生木质部为二原型的根上，侧根的发生正对着初生韧皮部和初生木质部之间（如胡萝卜）或正对着初生韧皮部（如萝卜）；三、四原型的根，侧根
是正对着初生木质部发生；在多原型根上，侧根是对着初生韧皮部发生的。 10．如何区分木材三切面 横切面：射线被纵切，其他的结构（木质部，韧皮部，皮层等）均被横切，可观察到同心分布的年轮，射线自中心向四周辐射分布，显示射线的长度和宽度。 径向切面：所有的结构都被纵切，可观察到纵向分布的导管和纤维，射线呈横向分布，显示其高度和长度 切向切面：射线被横切，其他的结构均被纵切，射线呈梭形，显示其高度和宽度 11．简述花粉母细胞（小孢子母细胞）发育成成熟花粉粒的过程。 花粉母细胞（2n,2N ）???→?1减数分裂二分体(2n,N)????→?2 减数分裂四分体(n,N)→单核花粉粒(即小孢子,n,N ） ???→ ?有丝分裂) N ,n ()N ,n ()N ,n () N ,n (精细胞生殖细胞营养细胞有丝分裂???→ ? 二核花粉粒 三核花粉粒 （含一个生殖细胞和一个营养细胞） （含两个精子和一个营养细胞） 二核花粉粒（70%的植物）与三核花粉粒（30%的植物）都是雄配子体，他们都是成熟花粉粒 12．简述花粉囊壁的功能 花粉囊壁在达到完全分化时期，从外到内的细胞层依次是：表皮、药室内壁、中层和绒毡层。当花药裂开后，通常只有表皮和纤维层。 表皮：1层,由幼花药最外一层细胞经垂周分裂而来，有明显的角质层，具有保护功能。 药室内壁：1层,药室内壁初期贮藏大量营养物质供花粉母细胞发育，花药接近成熟时内切向壁和垂 周壁发生纤维化加厚，花药成熟时在相邻花粉囊间裂开,花粉散出. 中层：1-4层，中层细胞内贮藏着营养物质供花粉母细胞发育，当花粉母细胞进行减数分裂时，受 挤压逐渐解体，在成熟的花药中一般不存在中层。少数植物如百合有。 绒毡层：1层，初期是单核的，花粉母细胞进行减数分裂时，通常只进行核分裂而不进行胞质分裂， 所以常具有双核或多核，①贮存有大量的营养物质对花粉粒的发育和形成起营养和调节作用，②合成识别蛋白，运送到花粉粒的外壁上③能合成和分泌胼胝质酶，使单核花粉粒分离，④降解产物作为花粉合成DNA ，RNA ，蛋白质和淀粉的原料，花药成熟时，提供构成花粉外壁中的孢粉素，当花粉母细胞减数分裂接近完成时，绒毡层开始退化、解体、最后消失。 13．简述胚囊发育的过程和功能 胚囊发育和形成过程简示如下： 胚囊母细胞（大孢子母细胞，2n ，2N ）?? ?→?减数分裂 四分体（n ，N ）????????→?发育 珠孔端三个消失，一个单核胚囊（n ，N ）???→?有丝分裂二核胚囊???→?有丝分裂四核胚囊???→?有丝分裂八核胚囊??→?分化成熟胚囊（雌
中文名拉丁名科 名 生 态 习 性 观赏 特性 及园 林用 途 适用 地区 照片照片 连翘Forsythia suspensa 木 犀 科 喜 光 略 耐 阴、 耐 寒、 忌 积 水 早春 花金 黄； 庭院 观 赏， 丛 植， 篱植 东北 至华 中、 西南 金钟花Forsythia viridissima 木 犀 科 喜 光、 耐 寒、 耐 干 旱 稍 差、 耐 湿 早春 花金 黄； 庭院 观 赏， 丛 植， 篱植 东北 至华 中、 西南 迎春Jasminum nudiflorum木 犀 科 喜 光、 耐 阴、 耐 寒、 耐 盐 碱、 耐 干 旱 早春 花金 黄； 庭院 观 赏， 丛 植， 篱植 辽宁 至华 东、 西南
醉鱼草Buddleja lindleyana 马 钱 科 喜 欢 耐 阴、 耐 干 旱、 喜 温 暖、 稍 耐 寒 6~9 月开 花花 紫 色、 庭院 观 赏、 草坪 丛 植、 花篱 华东 至长 江流 域以 南 天目琼花Viburnum sargentii忍 冬 科 喜 光 较 耐 阴 喜 湿 耐 寒 春花 洁 白， 秋 叶、 果 艳， 丛植 点缀 东北 至长 江流 域 锦带花Weigela florida 忍 冬 科 喜 光 半 耐 阴、 耐 寒、 耐 干 旱 贫 瘠 4~6 月开 花、 花密 色 艳、 庭院 观 赏、 丛 植、 篱植 东北 华北 至江 苏
海仙花Weigela coraeensis Thunb 忍 冬 科 喜 光、 忌 水 4~6 月开 花、 花密 色 艳、 庭院 观 赏、 丛 植、 篱植 华北 至江 南各 地 金银木Lonicera maackii(Rupr.)Maxim. 忍 冬 科 喜 光、 耐 寒、 耐 干 旱 庭院 观 赏、 丛植 东 北、 华 东、 西北 西南 五味子Schisandra chinensis木 兰 科 中 性、 耐 寒、 喜 光 8~9 月开 花果 红、 攀援 篱、 棚架 东北 华 北、 华中 各地
联合固氮 l．定义 氮素是构成生命物质最重要的元素之一。自然界只有某些微生物能直接将大气中的氮通过固氮酶还原成NH4+，这类微生物包括细菌、蓝绿藻、放线菌等。在固氮的细菌中有一类属于自由生活的类群，它们定殖于植物根表（有的能侵入根表皮和外皮层的细胞间隙）和近根土壤中，靠根系分泌物生存，繁延，与植物根系有密切的关系。但宿主植物并不形成特异分化的结构。植物与细菌之间的这种共生关系称联合共生固氮。这类固氮菌称联合固氮菌。联合共生固氮的概念是1976年由巴西Dobereiner实验室提出的。20年来联合固氮的研究受到世界各国科学家的重视。 2．联合固氮菌的种类 联合固氮菌中大多数是与禾本科牧草的根相联合，虽然有一些亦从豆科植物的根瘤和根表或从各种其他植物包括单子叶和双子叶植物的根表分离到。通常有一种以上的固氮菌与同一植物联合，而且随着地域的不同固氮菌的分布和频率有相当大的差别，至今已发现的联合固氮菌中最普遍的种属如下：螺菌科（Spirillaceae）固氮螺菌属（Azospirillum）、草螺菌属（Herbaspirillum），肠杆菌科（Enterobacteriaceae）肠杆菌属（Enterobacter）、克雷伯氏菌属（Klebsiella），固氮菌科（Azotobac－teraceae）固氮菌属（Azotobacter）、拜叶林克氏菌属（Beijer-inekia），芽孢杆菌科（Bacillaceae）芽孢杆菌属（Bacillus），假单孢菌科（Pseudomonadaceae）假单孢菌属（Pseudomouas）。 其他还有一些联合固氮菌属于醋杆菌科和盐杆菌科，在这众多的联合固氮菌中固氮螺菌属是被研究得最多的一类。常用的菌种是巴西固氮螺菌Azospirillum brasilense和产脂固氮螺菌Azospirllum lipoferum。 3．联合固氮体系的形成 由于联合共生固氮体系中，固氮菌与植物根系之间只是一种松散的联合，并没形成类似根瘤的结构，所以研究其固氮体系的形成遇到很大困难。Dobereiner建议联合固氮菌在根表定殖作为联合固氮体系形成的标志之一。形成联合固氮体系大致分为趋化、结合和侵入3个过程。 3．1 趋化性很多联合固氮菌有极性鞭毛和周生鞭毛，通过细菌鞭毛的旋转运动对根分泌的有机酸、糖、氨基酸形成的梯度和低氧浓度表现出趋化和化学激活现象。根际的细菌向植物根际靠近。C3植物——小麦根分泌物中草酸含量较高，从小麦根部分离的Azospirillum对草酸趋化性强。而C4植物——玉米根系分泌物中苹果酸含量较高，相应的菌株对苹果酸趋化性强，这种特异性反映了联合固氮细菌对宿主根际环境有一定的选择和适应能力。细菌在寻求营养来源和其他微生物竞争中趋氧性和趋化性都是很重要的功能。 3．2 结合联合固氮菌与宿主植物间的识别与结合是联合固氮体系形成过程中的关键步骤。植物根表或根冠外覆盖着一层由多糖类组成的粘质，联合固氮菌大多聚集在根毛粘质部分。植物凝集素可能参与识别与结合过程，而联合固氮菌产生的孢外多糖能与凝集素结合，细菌表面存在凝集素专一识别的糖结构。最近的研究表明植物根与固氮结合的过程中细菌的极性鞭毛起关键作用，鞭毛蛋白是一种糖蛋白。 3．3 入侵有的联合固氮菌如Azospirillum通过次生根伸出的裂隙、伤口或已退化的根毛进入植物组织内，定殖于表皮和皮层细胞的细胞间隙，有的甚至进入中柱，定殖于维管束细胞。固氮细菌定殖于根组织内对联合固氮的双方都是有益的，它降低了对底物的竞争。因为只有极少数菌能侵入根内，这导致在根内定殖的是一些较高特异性的细菌群落，并且促进了根和菌之间的物质转化。 4．联合固氮体系中细菌和植物的相互关系
植物的蒸腾作用实验设计方案 ——实验组成员：曹文治，陈建钊一·实验探索目的 1、了解植物的蒸腾作用的过程。 2、探索植物的叶是蒸腾作用的主要部位。 3、探索植物叶片上下表面蒸腾作用的差异。 二·实验原理 1、蒸腾作用是水分从活的植物体表面（主要是叶子）以水蒸汽状态散失到大气中的过程， 是与物理学的蒸发过程不同，蒸腾作用不仅受外界环境条件的影响，而且还受植物本身的调节和控制，因此它是一种复杂的生理过程。植物幼小时，暴露在空气中的全部表面都能蒸腾。 2、蒸腾部位：（1）叶片：通过叶片表面上的气孔进行的蒸腾，叫做气孔蒸腾(stommatal trspiration)：约占总蒸腾量的90％以上。通过叶片表面的角质层进行的蒸腾叫做角质层蒸腾(cuticular trspiration )：约占5%~10% （2）茎枝：从茎表皮的皮孔进行蒸腾称为皮孔蒸腾(lenticular stommatal trspiration )：约占0.1%）。 3、不同植物的叶、同一植物不同的叶、同一片叶的不同部位(包括上、下表皮)都有差异， 且受客观生境条件的影响。浮水植物只在上表皮分布，陆生植物叶片的上下表皮都可能有分布，一般阳生植物叶下表皮较多，上表皮接受阳光，水分散失快，所以上表皮少。 三·实验材料、仪器、药品 （1）材料：两枝粗细相近的阔叶枝条，如海南蒲桃枝条；取四株大小相同且叶数相同的嫩枝。 （2）仪器：试管架、试管若干、透明塑料袋七个左右、棉花； （3）药品：凡士林、食用油。 四·实验步骤 1、植物的蒸腾现象 （1）选材：选取两枝粗细相近的阔叶枝条，如海南蒲桃枝条，一枝将叶片去掉，一枝保留叶片。 （2）插管：将两根枝条分别插入两个同一型号的小试管内，枝条要插到试管底，并在两支试管外壁标上A、B。 （3）加液：在两支试管内分别加入一定量的红墨水染红的水，保持两试管内红水的液面高度一样，液面上加适量的食用油，防止水分的蒸发。 （4）标记：用红色橡皮筋从试管底套上，移动到液面位置，标记液面高度。 （5）固定：用棉絮把枝条包住，固定在试管口，然后将两支试管放置试管架上。 （6）罩袋：枝条露出试管外的部分分别用透明塑料袋罩住，袋口扎紧。 （7）照光：将试管架放到阳光下，约3h。 （8）观察 2、植物叶片上表面与下表面蒸腾作用的差异
收稿日期: 2006-09-07; 接受日期: 2006-11-17 基金项目: 国家自然科学基金(No. 30225021和30600034) * 通讯作者。E-mail: guishengli@https://www.doczj.com/doc/3517251629.html, 植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2007, 24 (1): 42－48, https://www.doczj.com/doc/3517251629.html, .综述. 花、基因、禾本科 李贵生*, 陈明生 中国科学院遗传与发育生物学研究所, 北京 100101 摘要 进化发育生物学的一个重要任务就是揭示形态多样性的分子基础, 该领域的研究包含形态、形态发育相关基因和形态所属类群等三个要素。花/花序是进化发育生物学研究的首要对象, 系统发育重建和个体发育剖析的结合将促进认知花的形态进化。发育相关基因的进化表现为等位基因遗传或表观遗传的突变, 基因家族生与死的进化, 不同基因组拥有独特的基因。运用形态学或序列分析方法很大程度揭示了禾本科植物花进化过程中的基因进化。试从学科问题、思路方法以及具体例子介绍植物进化发育生物学。 关键词 进化发育生物学, 形态多样性, 花, 禾本科 李贵生, 陈明生 (2007). 花、基因、禾本科. 植物学通报 24, 42－48. 如果说进化是在改变中传承(d e s c e n t w i t h modification), 发育是生物个体的产生, 那么进化发育生 物学(缩写为evo-devo, 又叫evodevotics)的主要研究内 容就是在分子水平阐明个体发育上的差异性与形态进化 上的多样性之间的因果关系 (Hall, 1998)。简而言之, 进化发育生物学重点研究形态多样性的分子基础。在 这一领域我们曾作过探讨和研究 (Li et al., 2003; Li et al., 2005), 结合已有的资料我们认为该类研究包含形 态、形态发育相关基因和形态所属类群等三个要素。 从这个认识出发, 本文将介绍花/花序的进化和基因的进 化, 以及概述禾本科植物的主要研究进展。1 花的进化被子植物起源于0.9－1.3亿年以前, 随后成为陆地上的优势类群。被子植物的进化深刻地影响了昆虫、人类等其它生物的发展, 在这里起着关键作用的是它的特有结构——花,因此一直以来花的进化是一个研究焦点(Takhtajan, 1991; Endress, 1994)。另一方面, 花的发育生物学研究取得了令人瞩目的进展 (Coen and Meyerowitz, 1991; 马月萍等, 2005)。所以, 在进化发育生物学领域花是首要的研究对象 (Friedman et al.,2004)。在被子植物由低等向高等的线形进化中, 花的形态发生了以下一些规律性变化: 出现萼片和花瓣的分化以及柱头和花柱的分化, 花序形成并且从聚伞花序最终分化出头状花序, 从双珠被分化出单珠被或无珠被, 药隔逐渐退化, 花器官发生从离生到合生、从螺旋状排列到轮状排列、从数目不定到确定等, 从小型花过渡到大型花,从两性花到单性花, 从厚珠心到薄珠心、从线形珠心到曲形珠心, 从上位子房到下位子房 (Takhtajan, 1991; Endress, 1994)。另外, 在被子植物的适应性辐射进化 (adaptive radiation)中, 花的形态会剧烈分化。例如, 夏 威夷silversword 群(菊科)向日葵族的Madiinae 亚族的 3个属(Argyroxiphium 、Dubautia 和Milkesia )共30个 特有种, 其花的大小和数目、花盘的数目及花梗的排布 有很大差异 (Barrier et al., 2001)。值得注意的是, 在 以上任何一种进化模式中, 都会产生关键创新性状(key innovation), 即那些在较大的类群分支(clade)中稳定的 新性状, 如被子植物花的心皮及其后天性闭合和四室的
生物固氮的原理、应用及研究进展 摘要：生物固氮是自然生态系统中氮的主要来源全球生物固氮的量是巨大的，海洋生态系统每年生物固氮量在四百万吨到两千万吨，陆地生态系统生物固氮量在九百万吨到一千三百万吨，而工业固氮量在世纪年代中期每年约为一千三百万吨。可见，生物固氮在农林业生产和氮素生态系统平衡中的作用很大我国农民利用豆科植物固氮肥田历史悠长，直至现在仍保留着豆科植物和非豆科植物轮作套作和间作等耕作制度国外也十分重视固氮生物在农业中的作用。 关键词：生物固氮；联合固氮菌；自生固氮菌 一、生物固氮的原理 1982年，Postage 以肺炎克氏菌为例提出一个固氮酶催化机理模式，至今 仍被广泛采用其总反应式为：N 2 + 6H+ + nMg-ATP +6e-(酶)→2NH 3 +nMg-ADP+nPi 固氮微生物的固氮过程是在细胞内固氮酶的催化作用下进行的不同固氮微生物的固氮酶，其催化作用的情况基本相同在固氮酶将还原成的过程中，需要e和H+，还需要ATP提供能量生物固氮的过程十分复杂[1]，简单地说，即在ATP提供 能量的情况下，e和H+通过固氮酶传递给N 2，使它们还原成NH 3 ，而乙炔和N 2 具 有类似的接受e还原成乙烯的能力。 二、固氮微生物的种类 固氮微生物多种多样，不同的划分标准满足了不同的要求。从它们的生物固氮形式来分，有自生固氮、联合固氮、和共生固氮3种。 ①自生固氮微生物是指能够在自由生活状态下固氮的微生物总称。在自然界，自生固氮微生物种类很多，分散地分布在细菌和蓝细菌的不同科、属和不同的生理群中；并大致可以分为光合细菌和非光合细菌两类。前者如红螺菌、红硫细菌和绿硫细菌等，其中的某些种类可与其它微生物联合而相互有利；后者的种类很多。根据非光合细菌的自生固氮菌对氧的需求，可以分为厌氧的细菌如梭状芽胞杆菌[2]；需氧细菌如自生固氮菌、贝捷林克氏固氮菌、固氮螺菌等；以及兼性细菌如多粘芽胞杆菌、克鲁伯氏杆菌、肠杆菌等。自生固氮微生物中的某些种类，在有些情况下可以与植物进行联合固氮。 一般地，自生固氮微生物固定的氮素满足本身生长繁殖需要以后就不再固氮了，多余的氮反过来会抑制它们自身的固氮系统。同时，它们固氮效率也比较低。
第三章绿色植物与生物圈的水循环教案 课题一植物的蒸腾作用（20113319 王丹）一、教学目标 （一）知识与技能 1、了解什么是蒸腾作用及蒸腾作用的意义； 2、了解叶片的基本结构； 3、解释气孔控制水分和二氧化碳进出叶片的机制。 （二）过程与方法 1、通过讲解和讨论说明蒸腾作用的意义； 2、通过图片展示和绘制简图说明叶片的结构； 3、通过课件展示和讨论说明气孔的作用机制。 （三）情感态度与价值观 1、让学生理解蒸腾作用的重要性； 2、形成保护森林，保护植被的意识。 二、教学重难点 （一）教学重点 1、什么是蒸腾作用以及蒸腾作用的意义； 2、叶片的结构。 （二）教学难点 1、气孔控制水分和二氧化碳进出叶片的机制。
二、教学方法 讲授法、讨论法、演示法、归纳总结法 三、教学准备 多媒体教学课件 四、教学过程 （课程引入） 【师】同学们，现在开始上课。今天我们要学习的内容是植物的蒸腾作用。那什么是蒸腾作用呢？首先，我们来看一下这幅图。这幅图表示的是什么呢？ 【生】人们在种树。 【师】对。大家可以看到，他们移栽的树木和一般的树木有什么区别呢？ 【生】移栽的树木的叶片都被剪掉了。 【师】同学们我们可以思考一下，为什么在移栽树木的时候，我们需要把叶片剪掉吗？ 【生】防止蒸腾作用使植物体内水分散失，保持移栽树木体内的水分，有利于植物存活。 （课程讲解） 【师】那么什么是蒸腾作用，蒸腾作用有什么意义？下面我们就带着这个问题进行我们今天的学习。
【师】首先，我们要知道蒸腾作用的概念。蒸腾作用是指水分从活的植物体表面以水蒸气状态散失到大气中的过程。从这句话中我们可以找出几个关键词，同学们找到了吗？我请一位同学来告诉我。【生】活的植物体、水蒸气状态 【师】对。所以同学们只要记住这两个关键词，就很容易理解蒸腾作用的概念了。这里还要了解，蒸腾作用的部位是叶片。 【师】同学们已经了解了什么是蒸腾作用，也知道蒸腾作用的部位是叶片，那么要想知道植物是怎样通过蒸腾作用散失水分，我就先要了解叶片的结构。 【师】大家翻到书本112页先观察一下叶片的结构示意图。从图中我们可以发现，叶片由哪几部分组成呢？ 【生】由表皮、叶肉和叶脉三部分组成。 【师】表皮是指叶片上下表面的一层排列紧密的细胞，分别称为上表皮和下表皮。 【师】叶肉是指位于叶上、下表皮之间的绿色组织，是叶内最发达和最重要的组织。叶肉细胞内含有大量的叶绿体，是植物进行光合作用的主要部分。 【师】再来看看叶脉，叶脉在叶片内交错分布，将叶片分为无数小块，每一小块都有细脉脉梢伸入，形成叶片内的运输通道。大家可以找一个叶脉书签来进行观察，这样可以清楚地看到叶脉的形态了。【师】在叶片表皮上还有一个比较神奇的结构，叫做气孔。气孔是植物进行蒸腾作用的重要结构，它相当于蒸腾作用的“门户”，同时也
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/3517251629.html, 禾本科植物腋生分枝发生的分子与激素调控作者：王镜淞杨文鹏柴友荣 来源：《天津农业科学》2012年第03期 摘要：综述了禾本科植物在花序结构、腋生分生组织发生、腋芽发育等方面的特点，重 点介绍了关键调控基因的表达，激素、生长素极性运输以及它们的互作在调控腋生分枝形成和花序形态中的作用机理。 关键词：腋生分枝；基因表达；禾本科植物；激素；调控 中图分类号：S51 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006－6500.2012.03.004 Molecular and Hormonal Regulation on the Origin of Axillary Branches of Gramineous Plants WANG Jing-song1, YANG Wen-peng2, CHAI You-rong1 （1.Engineering Research Center of South Upland Agriculture，College of Agronomy and Biotechnology, Southwest University, Chongqing 400715，China；2. Guizhou Institute of Upland Food Crops, Guiyang, Guizhou 550006，China） Ａｂｓｔｒａｃｔ: The features of Gramineous plants in inflorescence morphology, axillary meristem initiation and axillary bud development were reviewed, with an emphasis on introducing mechanisms of axillary branch origin and inflorescence morphology regulated by expression of key regulatory genes, hormones, polar auxin transport and their mutual interactions. Key words: axillary branch; gene expression; gramineous plants; hormone; regulation 禾本科(Poaceae；Gramineae)是植物中一個极为重要的分支，其中的玉米(Zea mays L.)、水稻(Oryza sativa L.)和小麦(Triticum aestivum L.)等都是极其重要的粮食作物，其产量对于人类社会的存在与发展起着基础作用。生殖器官的发育与生长是形成经济器官和产量的核心。在分子水平的系统性发育研究方面，双子叶植物主要围绕模式植物拟南芥等进行，而单子叶植物中主要集中在禾本科植物。腋生分枝和分蘖影响禾本科植物的株型、单株穗数、抗倒伏性、穗型等产量性状，具有重要的农学和生物学意义，解析其发育调控机理是其研究的重点和难点。以水稻和玉米为主，近年来在腋生分枝发生的分子生理学机理上取得了较为系统的研究进展。 1 禾本科花序结构及腋生分生组织的分化形成 1.1 禾本科的花序结构和分化特点 禾本科的花序结构与双子叶甚至是单子叶植物有着较大差异，其花序被看作是由大量小穗集合而成的穗。每个小穗都含有几朵小花，因而被看成是微小花序或次级花序，并且在许多禾
《植物的蒸腾作用》 唐山市第三十八中学周俊玲 教学目标： 1.知识目标： 描述植物的蒸腾现象，解释植物水分散失的主要原因。理解蒸腾作用的概念和意义。 了解植物叶片表皮上的气孔在水分散失中的作用。 2．能力目标： 通过观察植物蒸腾失水的演示实验，说出蒸腾作用的概念，培养观察能力和分析能力。 通过植物气孔数目和分布的探究，理解植物结构和功能相适应。 3．情感目标：通过实验，培养学生团结协作的精神 增强生态意识，提高绿化祖国，保护环境的认识。 教学重点：理解蒸腾作用的概念和意义 气孔数目和分布与植物蒸腾作用的关系 难点：气孔数目和分布与植物蒸腾作用的关系 教学准备：证明植物可以散失水分（蒸腾作用）的演示实验装置。即，选取同种植物大体相同的三根枝条，一根剪除叶片记为A,两根保留数量相同的叶片分别记为B、C ,分别插入三个试管中，试管中装等量的水，水中滴几滴植物油，用透明的保鲜袋套住枝条，扎紧塑料袋口，使其不漏气。A、B组置于室外有阳光的地方，C组置于室内阴暗的地方，留待上课时使用。 自制多媒体课件一份 教学过程：
教学设计思想和课后反思： 依据课改的课程标准要求，我在课堂教学设计中，充分考虑到从学生的实际出发，与学生的经历和经验相联系，注重学生的亲身体验，注重培养学生的探究能力，并充分体现学生在学习中的主体地位，增强学生学习积极性，通过教学情境的创设、实践环节的开发和学习渠道的拓宽，丰富学生的经历和经验，从而改变学生的学习方式。 本节课是学生了解植物体内的水分是如何散失到植物体外的，因此，教学中，引导学生探究植物的蒸腾作用实验非常重要，为了使学生对蒸腾作用有一个比较深入的认识，除了“讨论与活动”中的蒸腾作用的实验外，将“思考与练习”中的活动在课上也给同学以探究的形式展示出来，以习题代替课本
联合固氮菌研究进展 田颖1,陈萍2 (1.陕西科技大学,陕西西安710016;2.陕西省仪祉农业学校,陕西咸阳712000) 摘要 过量施用化学肥料,对维持生态平衡和保护环境不利,微生物肥料具有长效、无毒、无污染、节约能源、成本低等特点,可弥补化学肥料的不足,因此,生物固氮引起各国科学家的关注。通过阐述联合固氮菌的研究现状、进展及相关技术,为研究者提供相关的参考。关键词 联合固氮菌;联合固氮作用;进展 中图分类号 Q936 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2005)11-2131-03 R esearch on the Improvem ent of Associative N itrogen Fixation B acteria TIAN Ying et al (Shanxi University of Science&T echn ology,X ian,Shanxi710016) Abstract It is n ot g ood to retain ecologic balance and protect environm ent under over use of chem ical fertilizer.T he m icrobiological fertilizer,which has s o m any advances,such as the long effectiveness,n o toxic and n o pollution etc,can give support to chem ical fertilizer.S o biological fixation of nitrogen has been paid attention to by scientists. K ey w ords Ass ociative nitrogen fixation bacteria;Research progress 人类当前面临的最紧迫的问题是:粮食短缺、环境污染、能源枯竭。对生物固氮各环节的了解有助于解决上述问题。联合固氮作用在自然界广泛存在,对该体系的深入研究和探讨对于开发非豆科植物的固氮潜力具有重要意义。 1 联合固氮菌的概念及研究意义 20世纪70年代,巴西学者D bereiner从热带禾本科牧草雀稗根际分离获得雀稗固氮菌(Azotobacter paspali),并提出根际联合固氮的概念,认为根际中存在一类自由生活的能固氮的细菌,定殖于植物根表或近根土壤,部分则能侵入植物根的皮层组织或微管中,靠根系分泌物生存繁殖,与植物根系有密切关系,但不与宿主形成特异分化结构,并将植物与细菌之间的这种共生关系称为联合共生固氮(Ass ociative symbi2 otic nitrogen fixation),现称为联合固氮作用[1]。这种固氮作用在自然界广泛存在,是介于根际自生固氮和结瘤固氮之间的过渡类型。继D bereiner等人的发现之后,又发现许多具有重要经济价值的非豆科作物如:甘蔗、水稻、玉米、棉花、牧草等存在明显的生物固氮现象,这引起人们对非豆科植物生物固氮的极大关注。进入21世纪,人类社会普遍面临粮食、人口、环境、能源、资源等问题的困扰,加之目前化肥用量不断增加,土壤肥力日趋下降,如何保持农业生态环境的良好循环已成为当今世界现代农业的一个重大课题,在此背景下根际联合固氮作用逐渐显出其特殊的意义。 2 联合固氮菌种类 联合固氮的种类和分布非常广泛,从禾本科作物到木本植物以及竹子的根际中都有发现。其中研究的较为普遍和深入的有:雀稗固氮菌(Azolobacter paspali)、粪产碱菌(Alcali2 gens f accalis)、肺炎克雷伯氏菌(K oeb siella pneumonia)、印度拜叶林克氏菌(Beijerinckia india)、德氏拜叶林克氏菌(Bderxii)、弗李明拜叶林克氏菌(Bflumnensis)、多粘芽孢杆菌(Bacillus polymyxa)、梭菌属(Clo stridium)、德克氏菌属(Derxia)、阴沟肠杆菌(E cloacae)、凝聚肠杆菌(E agglomerans)、草生欧文氏菌(Erwoma herbicola)、稻草杆菌(Flavobacterium oryzae sp now)、生脂刚螺菌(Azo spirillum lipo ferum)、假单孢菌(P seudomonas sp)等。 作者简介 田颖(1971-),女,陕西西安人,硕士,讲师,从事微生物学的教学与研究工作。 收稿日期 2005208216 根据生理生态特征联合固氮菌大致可分成为3类:根际固氮菌、兼性内生固氮菌、专性内生固氮菌[2]。 2.1 根际固氮菌 根际固氮菌指定殖于根表的所有固氮细菌。这类细菌不仅为植物提供氮素营养,其促进植物生长的主要原因在于产生的激素影响了植物的生理过程。这类固氮菌主要包括雀稗固氮菌(Azotobacter paspali)、拜叶林克氏菌(Beijerinckia spp)等。 2.2 内生固氮菌 内生固氮菌是指那些定殖在植物根内而与宿主植物联合固氮的固氮菌。它们的来源之一是种子和无性繁殖材料(块根、块茎等)。另一个来源是根围和叶围,其中主要是根围。根据内生固氮菌的特点不同,又可分为兼性内生固氮菌和专性内生固氮菌2类。 2.2.1 兼性内生固氮菌。这类固氮菌既能在根内也能在根表和土壤中定殖,主要为固氮螺菌属(Azo spirillum)的细菌。该属细菌分布广泛,能与许多寄主联合固氮,目前已分离鉴定出的有5个种:产脂固氮螺菌(A.lipo ferum)、巴西固氮螺菌(A.brasilense)、亚马逊固氮螺菌(A.amazomense)、伊拉克固氮螺菌(A.irankense)、高盐固氮螺菌(A.haloprae ferens)。 2.2.2 专性内生固氮菌。这类固氮菌在土壤中不能生存或生存能力很差,主要存在于植物组织内。它们可为宿主提供相当数量的氮素。这类细菌主要从寄主植物的自然开口(排水口、气孔、皮孔)、根表皮裂细胞或次生根形成点细胞间隙感染植物,经木质部扩散至植株上部。该类群包括重氮醋酸固氮菌(Acetobacter diazotrophicus)、固氮弧菌(Azoarus spp.)、草螺菌属(H erbaspirillum spp)、红苍白草螺菌(H erbaspirillum rubrisubalbicans)和伯克霍尔德氏菌(Burkholderia spp.)。 3 几种联合固氮细菌的特征 3.1 重氮营养醋杆菌(Acetobacter diazotrophicus) 重氮营养醋杆菌是Dǒbereiner1988年从甘蔗当中分离得到的[3],其固氮酶活性很高,可为甘蔗提供60%的氮素。该菌是严格的专性内生菌,大量存在于甘蔗的根茎叶当中,主要与富含糖分并以茎节或块根作为繁殖材料的植物,如甘蔗、甘薯、紫花狼尾草等共生。重氮营养醋杆菌为好气性杆菌,尾部圆形,革兰氏阴性,具1～3条鞭毛,以N2为唯一氮源,高浓度(10%)蔗糖是其生长和固氮的最好碳源,在蔗糖浓度高达30%时仍可生长,生长过程中会产酸,甚至使环境的pH值达3.0以 安徽农业科学,Journal of Anhui Agri.Sci.2005,33(11):2131-2133 责任编辑 罗芸 责任校对 罗芸
固氮菌的生产应用现状及研究方向 前言：固氮菌可以增加作物的产量，在农业生产中具有重要的作用。目前应用最多的主要是根瘤菌，生物固氮越来越受到重视，它将向更深更远的方向发展。 population can increase the plant's output in agriculture has an important role. at present, the most applied largely root nodule truffles, and biological nitrogen fixation more attention, it will more further developed. 引言：固氮作用是将空气中的氮气固定成氨。人类与许多其它生物一样需要氮素作为合成蛋白质的原料，但不能自我合成有机氮。虽然空气中有78%是氮气，但是绝大多数生物不能直接利用空气中的氮气。 关键词：固氮菌生产根瘤菌应用研究方向 这里所说的固氮菌类肥料是指以自生固氮和联合固氮微生物菌生产 出来的固氮菌类肥料生产中以联合固氮菌肥为。这是由于联合固氮体系存在广泛，特异性不强，应用的范围；它的不足之处是作物与微生物只是松散的联合，它们之间没有形成共生的组织结构，因此固氮的活动容易受许多条件的制约。例如，环境中速效氮含量高时，固氮活动受到抑制，有些芽胞细菌在有氧情况下常常停止 1应用基础此类微生物肥料在生产实践中应用不少，其原因是除了它们能固定一定量的氮以外，这些微生物当中的许多菌株在生长繁殖过程中，它们能够产生多种植物激素类物质，促进作物生长。 2目前，用于生产此类微生物肥料的菌种主要有：园褐固氮菌或称为褐球固氮菌(Azotobacter chroococum)；棕色固氮菌亦称维涅兰德固氮菌(Azotobacter chroococum)；德氏拜叶林克氏固氮菌(Beijerinckia derxii)和克氏杆菌属(Klebsiella spp.)、肠道杆菌属(Enterobacter spp.)及产碱菌属(Alcaligenes spp.)中的某些菌种。 圆褐固氮菌是固氮菌属中的一种，革兰氏阴性杆菌，细胞呈大卵圆形，大小2微米×5微米，常成对，周生鞭毛运动，不形成芽胞，但能形成厚壁的胞囊和荚膜粘液。不产生水溶性的色素，但在琼脂培养基上的生长物具有特征性的非水溶性的褐色色素，有些菌株的这种色素时间长会变成黑色。细胞内含有许多颗粒体，菌体外面有荚膜。需要说明的是，园褐固氮菌的菌体形态多变，幼龄时菌体为杆状，细胞单独存在或两个联接呈”8”字形，老龄细胞缩短，呈椭圆形或圆形。不同的园褐固氮菌菌株固氮作用存在明显差异，低的菌株利用1克葡萄糖仅能固定氮素5毫克，最高的可达20毫克。 棕色固氮菌也是固氮菌属中的一个种，在形态和培养特征上都非常相似，但能产生在紫外光灯下呈绿色水溶性的荧光色素；在琼脂培养基上的生长物具有特征性的非水溶性的棕色色素；它可利用鼠李糖，这是棕色固氮菌与该属的其它种的区别。 肺炎克氏杆菌(Klebsiella pneumoniae)的某些菌株发现有一定的固氮作用和刺激作用，从分类的角度上看，该菌属于可能的条件致病菌，1997年山东潍坊医学院报导了9例新生儿脐带感染的9株病原菌中有4株是肺炎克氏杆菌。所以选用肺炎克氏杆菌作生产菌株必须进行有关毒性、病源等方面的鉴定，证明其无毒和非病源性后才能应用。 ③在应用中须注意的几个问题：A.适用作物：多为禾本科，也有用于蔬莱；有小麦、玉米和水稻专用；也有不强调作物种类的。B.使用剂量：符合国家标准的固体菌剂每亩地用量250～1000克，液体菌剂每亩100～200毫升。C.使用
第三章绿色植物与生物圈的水循环 （蒸腾作用） 一、水分的吸收与运输 1.植物主要通过哪个器官吸收水分——根 根吸收水分的主要部位——根尖成熟区 原因：成熟区有大量根毛，增大了吸收水和无机盐的表面积 2.导管与筛管的比较 3.无机盐只有溶解在水中，才能被植物体吸收并运输到植物体的各个器官。 二、蒸腾作用 （一）定义：水分从活的植物体表面以水蒸气状态散失到大气中的过程。（二）形式：水蒸气（三）主要部位：叶片 （四）散失门户：气孔 （五）途径：根尖成熟区茎中导管叶脉气孔大气
（六）意义： ①蒸腾作用能降低叶片表面的温度 1.对植物体本身的意义②蒸腾作用促进根对水分的吸收 ③蒸腾作用促进水和无机盐的运输 ①蒸腾作用能够提高大气湿度，增加降水，参与了生物圈 的水循环 2.对生物圈的意义：②植物的茎叶承接着雨水，能够大大减缓雨水对地面的冲刷 ③落叶能够吸纳大量的雨水，也使大量雨水渗入地下，补充地下水 （七）影响蒸腾作用的因素（一定范围之内）（类比晒衣服的过程） 1.光照：光照越强，蒸腾作用越强（注意：夏日正午十二点，蒸腾作用会减弱，原因是保卫细胞失水，大多数气孔关闭，防止水分过度散失） 2.温度：温度越高，蒸腾作用越强 3.湿度：湿度越低，蒸腾作用越强 4.空气流速：空气流速越快，蒸腾作用越强 三、叶片的结构 1.叶片由表皮（包括【1】上表皮和【3】下表 皮）、【2】叶肉、【5】叶脉三部分组成。 2.表皮属于保护组织，由一层细胞组成，分布 有【6】气孔，该结构是由两个半月形的【4】 保卫细胞组成的，对于大多数陆生植物来说， 气孔在【3】下表皮分布较多； 【5】叶脉中有导管和筛管，属于输导组织；【2】叶肉属于营养组织，这一部分的细胞中含有可进行光合作用的叶绿体。
禾本科植物联合固氮研究及其应用现状展望 3 张丽梅 方 萍 33 朱日清 (浙江大学环境与资源学院,杭州310029) 【摘要】 综述了近年来从禾本科植物体内和根际发现的内生固氮菌和根际固氮菌的种类、特征及对宿主 的促生机理,以及固氮菌接种剂在农业生产中的应用现状和存在的问题,指出影响联合固氮菌接种效果的主要因素有土著微生物的竞争;植物基因型差异和环境条件的变化,如结合态氮(氨、亚硝酸盐、硝酸盐等)对固氮酶的合成阻遏和较高的氧分压对联合固氮菌的固氮效率影响.提出了发掘和利用禾本科植物的生物固氮潜力的努力方向:从自然界分离筛选获得广谱高效固氮菌株;应用基因工程构建耐铵、泌铵型联合固氮菌;诱导禾本科植物形成固氮根瘤;充分发挥植物内生固氮菌的优势. 关键词 禾本科植物 联合固氮 根际固氮菌 内生固氮菌文章编号 1001-9332(2004)09-1650-05 中图分类号 Q945179文献标识码 A R ecent advances in research and application of associated nitrogen 2f ixation with graminaceous plants.ZHAN G Limei,FAN G Ping ,ZHU Riqing (College of Environmental and Resource Sciences ,Zhejiang U niversity ,Hangz hou 310029,China ).2Chin.J.A ppl.Ecol .,2004,15(9):1650～1654. The category ,characteristic of diazotrophs isolated from inside and/or rhizosphere of graminaceous plants in re 2cent year and the mechanism of the promoting effects on their host plant were reviewed in this paper.The cur 2rent status of application of associative nitrogen 2fixation inoculants and the problems in inoculation were dis 2cussed.It was indicated that the main factors influencing the effects of inoculants include the competition of in 2digenous micro 2organism with inoculants for nutritions and energy ,difference of host plant genotypes in associa 2tive relationship ,and variance of environmental conditions such as the concentration of ammonium in soil solution and the oxygen partial pressure in soil air.The trends of future research in this field were prospected ,for exam 2ple ,to isolate and identify the high nitrogen fixing efficiency strains with wider environmental adaptability ,to create associative nitrogen fixing bacteria strain which is able to bear or endure higher concentration of ammoni 2um by gene engineering technique ,to induce graminaceous plant forming root nodule for nitrogen fixation and to exert the predominance of endophytic diazotrophs. K ey w ords Graminaceous plants ,Associative nitrogen fixation ,Rhizosphere diazotrophs ,Endophytic dia 2zotrophs. 3国家自然科学基金资助项目(30070443). 33通讯联系人.Tel :0571286980595;E 2mail :pfang @https://www.doczj.com/doc/3517251629.html, 2003-05-31收稿,2003-12-11接受. 1 引 言 生物固氮研究已有百余年历史,而作为其中的一个重要分支———联合固氮的研究,则只有几十年的历程.1958年, D bereiner 和Ruschei 等[3]首次从热带甘蔗的根际分离到固 氮细菌:拜叶林克氏菌(Beijerinckia f luminensis ),并证实禾本科植物同样存在生物固氮潜能.1975年,D bereiner [19]实验再次发现与禾本科植物联合共生的固氮菌:固氮螺菌(A 2 zospirillum ),并提出根际联合固氮的概念,认为根际中存在 一类自由生活的能固氮的细菌,定殖于植物根表或近根土壤,部份则能侵入植物根的皮层组织或维管中,靠根系分泌物生存繁殖,与植物根系有密切的关系,但并不与宿主形成特异分化结构,将植物与细菌之间的这种共生关系称为联合共生固氮(associative symbiotic nitrogen fixation ).继 D bereiner 等的发现之后,又相继发现许多具有重要经济价 值的禾本科作物如甘蔗、水稻、玉米、牧草等存在明显的生物固氮现象,引起了人们对禾本科植物生物固氮的极大关注.然而,由于联合固氮菌与宿主植物根系之间只是一种松散的 联合关系,没有分化出有形结构,使该领域的研究具有较大难度,且由于受多种因素的影响,联合固氮效率不及共生固氮高,限制了联合固氮接种剂在农业中的应用.近年来,随着一些新的研究手段包括化学分析、遗传工程、分子生物学、免疫学等方法的运用,推进了联合固氮领域的研究深度. 2 联合固氮菌种类及其特性 自根际联合固氮菌的概念提出以来,相继从禾本科植物根际发现了许多新的联合固氮细菌,如醋酸固氮菌(Aceto 2 bacter diazot rophics )、草螺菌(Herbaspirillum seropedicae )、内 生固氮菌(A zoarus spp.)、产碱菌(A lcaligenes )、固氮螺菌 (A zospirillum )、芽孢杆菌(B acillus )、肠杆菌(Enterobacter )、 克雷伯氏菌(Klebsiella )、假单胞菌(Pseudomonas )、固氮根瘤 菌(A zorhizobium )等.应用氮素平衡法、15 N 同位素稀释法和15 N 自然丰度技术证实了一些热带禾本科植物特别是甘蔗 应用生态学报 2004年9月 第15卷 第9期 CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Sep.2004,15(9)∶1650～1654