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玉米根系固氮菌研究进展王健1，2，3，4 张海欧1，2，3，4发布时间：2023-07-04T05:33:52.818Z 来源：《科技新时代》2023年8期作者：王健1，2，3，4 张海欧1，2，3，4[导读] 氮是植物生长发育过程中不可或缺的营养元素，氮缺乏会导致植物生长缓慢，分蘖和果实数量减少，影响作物产量。
现阶段，施用氮肥是缓解我国耕地压力的主要方式。
我国的耕地面积仅占世界的7%，但氮肥消耗量约占世界氮肥消耗量的37%。
其中，绝大多数肥料没有被作物利用，而是通过土壤淋失或挥发的途径而损失。
不仅对环境造成了危害，也大大增加了农民的种地成本。
因此，寻找既能满足植物对氮的需要，又能减少对环境危害的复合型肥料是满足可持续发展的重要渠道。
本文综述了玉米根系固氮菌的作用机理、分类以及未来发展潜力。
1.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司西安 7100752.陕西省土地工程建设集团有限责任公司西安 7100753.自然资源部退化及未利用土地整治重点实验室西安 7100754.陕西省土地整治工程技术研究中心西安 710075摘要：氮是植物生长发育过程中不可或缺的营养元素，氮缺乏会导致植物生长缓慢，分蘖和果实数量减少，影响作物产量。
现阶段，施用氮肥是缓解我国耕地压力的主要方式。
我国的耕地面积仅占世界的7%，但氮肥消耗量约占世界氮肥消耗量的37%。
其中，绝大多数肥料没有被作物利用，而是通过土壤淋失或挥发的途径而损失。
不仅对环境造成了危害，也大大增加了农民的种地成本。
因此，寻找既能满足植物对氮的需要，又能减少对环境危害的复合型肥料是满足可持续发展的重要渠道。
本文综述了玉米根系固氮菌的作用机理、分类以及未来发展潜力。
关键词：固氮菌，玉米，联合固氮菌氮是农作物生长发育所必需的重要营养元素，也是农业生产中的关键限制因素。
氮素缺乏会导致植物生长缓慢，分蘖和果实数量减少，影响作物产量。
当前，在我国人口激增与耕地锐减矛盾日益突出的情况下，为补充土壤氮素的损失，工业化学氮肥的施用仍然是向土壤补给氮素的重要方式。
植物固氮研究与应用现状氮是生命的必需元素，对于植物生长至关重要。
但是，空气中的氮是一种不可利用的氮气（N2）形式，无法直接被植物吸收。
植物固氮是指一些特定的细菌通过一些生物过程将氮气转化成植物可以利用的氮形式，从而提供植物所需的氮元素。
因此，植物固氮研究与应用对于丰富农业资源、提高农作物产量、促进可持续农业发展具有重要意义。
目前，固氮效率较高的植物主要有豆科植物和蓝藻植物。
豆科植物种子表皮中的根瘤菌可以利用大气中的氮气产生氨，以供植物吸收。
而蓝藻通过固氮作用，将氮固定到土壤中，使得氮素得到利用。
因此，众多豆科植物如大豆、豌豆、四季豆等经常作为农田轮作、绿肥、饲料种植。
在农业生产中，通过增加种植豆科植物的比例，可以降低农田施氮量，从而减少氮肥对环境的污染。
进一步研究铜藻、青毛藻、锯齿藻等蓝藻植物，在土壤增加合适的根瘤菌，也是提高植物固氮效率的途径。
这种方法的优点是能够对各种类型的土壤，尤其是沙土、红壤等特殊土地进行有效地固氮，提高农作物产量。
近年来，科学家们也在探索非豆科植物的固氮能力。
比如，从农田集菌石中分离的微生物可以促进水稻吸收大气中的氮气。
另外，一些植物也有内生可固氮细菌，比如黑麦草。
科学家利用遗传改良技术培育出高固氮、高产草种，为养殖业提供了优质饲料资源。
这些尝试都为植物固氮提供了新的思路和途径。
同时，不同的植物固氮机理也在逐渐被研究清楚。
比如，固氮转录因子的发现，促进了植物吸收和利用氮源的过程。
在此基础上，开展遗传改良，提高植物固氮及吸氮能力将更为易行。
此外，植物固氮与微生物群落之间的互作逐渐成为一个热门研究方向。
通过建立微生物群落多样性的数据库，科学家们能够预测固氮功能及其在土壤中的分布格局，为未来的应用提供了基础保障。
总的来说，植物固氮研究与应用具有重要而广泛的前景。
除了农业生产，固氮技术在旅游观光和生态环保上也有应用前景，比如在城市中绿化植栽上利用固氮植物，减轻土壤污染，降低氮含量。
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。
禾本科植物固氮研究进展农作物固氮是指借助微生物将空气中的氮气还原为农作物能够利用的氨的过程。
本文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，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。
标签：禾本科植物;联合固氮;联合固氮菌;根际固氮菌;内生固氮菌人类当前面临的最紧迫的问题之一是粮食短缺，粮食作物主要为禾本科植物。
对禾本科植物固氮的了解和研究有助于解决粮食短缺问题。
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。
虽然联合固氮的固氮效应不及共生固氮高，但其分布广，受益作物多，因此对于非豆科植物而言，联合固氮可能成为将来农、林、牧业中潜在的稳定氮源，其生态意义和经济效益都是不可低估的。
一、联合固氮菌的概念及研究意义20世纪70年代，巴西学者Dobereiner从热带禾本科牧草雀稗根际分离获得雀稗固氮菌，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，部分则能侵人植物根，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，又称为联合固氮作用。
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。
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。
二、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的根际中都有发现。
根据生理生态特征联合固氮菌大致可分成为三类：根际固氮菌、兼性内生固氮菌、专性内生固氮菌。
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。
禾本科用物根际联合固氮菌肥效研究
马玉珍;张晓英
【期刊名称】《山西农业科学》
【年(卷),期】1990(000)011
【摘要】1988—1989年在玉米、高粱和谷子三种作物上分别进行了禾本科作物
根际联合固氮菌肥效研究,产量结果经数理统计分析表明,在高肥区(全氮含量在0.1％以上)接种效果不显著,中低肥区(全氮含量在0.1％以下)接种总有效率达50％,增产幅度5.8—8.2％。
同时,接种可提高玉米和谷子根系的固氮酶活性,平均增加20％,
而施用硝酸铵则有较高的抑制作用。
【总页数】2页(P12-13)
【作者】马玉珍;张晓英
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】S51
【相关文献】
1.高寒地区燕麦根际联合固氮菌研究Ⅰ固氮菌分离及鉴定 [J], 姚拓;张德罡;胡自治
2.根际联合固氮菌抗铵阻遏的化学调控研究 [J], 徐征;李杰;宋光煜
3.结缕草根际联合固氮菌培养条件研究 [J], 张晓波;赵艳
4.重视性物技术积极开展工作：在小麦根际联合固氮菌试验鉴定会上的发言 [J],
廖德广
5.几种禾本科豆科植物根际微生物和根际维生素B2的研究 [J], 黄隆广;束中立
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植物固氮及其应用研究在自然界中，氮素是大气中最为丰富的元素之一，而植物生长所需要的氮素却往往不足。
植物通常通过吸收土壤中的氮素来满足生长所需，但是由于大面积耕地和氮肥的大量使用，导致土壤中的氮素含量越来越低。
因此，寻找新的途径用于提高植物的氮素吸收量就成为了人们关注的焦点。
植物固氮技术的出现为世界农业的可持续发展提供了新的思路。
一、植物固氮的原理植物固氮指的是一种植物利用氮化细菌将大气中的氮转化成亚硝酸盐或氨的过程。
这种过程发生在植物根部的根瘤中。
这些根瘤中生长着一种称为根瘤菌的细菌。
根瘤菌能够与植物根部上分泌的一种物质－糖类，产生一种共生关系。
这种关系能够使植物吸收到以糖类为基础的生物活性氮，从而促进植物的生长。
二、植物固氮的应用前景植物固氮技术是非常重要的一种技术。
通过使用这种技术，能够提供更好的生态环境、改进农业制度和生产方式。
植物固氮技术可以提高土壤中氮素含量，从而提高植物的生长速度和产量，促进农业生产的发展。
此外，还可以有效地减少农业生产过程中氮肥的使用，可以降低农业生产的成本，并对环境保护产生积极作用。
三、植物固氮的应用实践在实践中，植物固氮技术被广泛应用于国内外的农业生产和生态工程中。
植物固氮技术可以降低氮肥使用量，促进农业生产方式的可持续发展。
例如，植物固氮可以广泛用于花卉生产、蔬菜种植、水果生产和林木种植等领域。
此外，植物固氮技术也可以在城市基建中发挥重要作用。
例如在城市沿海堤防上种植植物固氮的灌木，可以有效地改善城市的环境，减轻海水侵蚀的影响，还能起到防止自然灾害的作用。
四、未来展望未来，植物固氮技术还有很大的开发空间。
其潜力在于，在未来的环保、可持续农业技术和珍贵物种保护方面，植物固氮技术都将会发挥重要作用。
一方面，利用植物固氮技术可以减少化学工业的使用量，如发电厂和化工厂的氮氧化物排放，提高环保问题的解决率；另一方面，植物固氮的技术可以在珍贵物种的保护方面有着重要的应用，特别是对生态系统保护和动物保护有一定组成，对人类的生存和发展也有积极的影响。
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 AR 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 @ 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 2zospirillum ),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 2bacter 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、15N 同位素稀释法和15N 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15619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.参考文献1 Ashbolt NJ and Inkerman PA.1990.Acetic acid bacterial biota of the pink sugar cane mealybug,S accharococcus sacchari,and its en2 virons.A ppl Envi ron Microbiol,56:707～7122 Asis CAJ r,Kubota M,et al.2000.Isolation and partial characteri2 zation of endophytic diazotrophs associated with japanese sugarcane cultivar.Soil Sci Plant 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E2mail:zjuzlm@4561 应 用 生 态 学 报 15卷。
