生物固氮與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展

[摘要] 生物固氮是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮素的主要來源。本文概述了生物固氮，闡述了共生固氮的分子機理及生物固氮對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展的意義。

[關(guān)鍵詞] 生物固氮 共生固氮 可持續(xù)發(fā)展

一、前言

氮是構(gòu)成蛋白質(zhì)和核酸的主要物質(zhì)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少的肥料。在大氣中分子態(tài)氮約79%，不能為大多數(shù)生物（包括所有植物和動物）直接利用；而地球水圈和土壤含有相當數(shù)量的硝態(tài)氮，可絕大部分在海洋中，難以被生物有效利用，限制了生物體的發(fā)展。生物界氮素輸入的最主要物質(zhì)形式是大自然含量極低的氨態(tài)氮（銨離子），因此氨態(tài)氮的供應(yīng)成為生物界繁榮發(fā)展的主要決定因素。自然界中，氨態(tài)氮的來源主要就是通過固氮作用（分子態(tài)氮被還原成氨及其他氮化物的過程稱為固氮作用）。固氮作用有兩種方式：一是非生物固氮，即通過閃電﹑高溫放電等現(xiàn)象固氮，這樣形成的氮化物較少；二是生物固氮，即通過微生物的作用固氮，這樣形成的氮化物占90%以上。

二、生物固氮

固氮生物自1862年發(fā)現(xiàn)以來，已有100多年的歷史。現(xiàn)在已知的固氮生物，多數(shù)為原核生物，主要的生物類群有真細菌，放線菌和藍藻三大類。根據(jù)不同的固氮方式可分為自生固氮和共生固氮兩大類。自生固氮生物的種類多，分布廣，但固氮效率低，固氮量少。這類固氮生物主要有：①需氧的自身固氮菌，如固氮菌等；②厭氧的自生固氮菌，如巴氏梭菌等；③兼性厭氧的自生固氮菌，如克氏桿菌等；④光合自養(yǎng)的自生固氮菌，如紅螺菌等?，F(xiàn)在已知的自生固氮菌有15個科37個屬的100多種。共生固氮的微生物固氮效率高，固氮量大，在自然條件下必須與另一生物共同生活才能固氮，這類生物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和自然界氮素平衡中發(fā)揮著重要的作用。這類微生物有：①與豆科植物共生的根瘤菌（快生型大豆根瘤菌為中國特有）；②與滿江紅（紅萍）共生的魚腥藻；③與榿木共生的弗蘭克氏菌等。次外，有些自生固氮微生物也可與其他生物聯(lián)合，形成松散的結(jié)構(gòu)，進行固氮，它們在一起生活時對彼此雙方生長都有利，但關(guān)系不如共生固氮那么密切。這種固氮方式稱為聯(lián)合固氮。近20年來，聯(lián)合固氮的研究也正得到了各國政府的重視。

共生固氮在生物固氮中占有十分重要的地位，它的固氮量約占生物固氮量的五分之四，相當于當今全世界合成氨生產(chǎn)的三倍，而主要的固氮共生體是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的一類重要經(jīng)濟作物——豆科植物。因此，共生固氮主要指的是豆科植物與根瘤菌之間的共生固氮作用。共生固氮作用是根瘤菌與植物雙方有關(guān)基因共同參與，相互識別，相互作用，其生理、生化過程是非常復(fù)雜的?；具^程為：（a）植物分泌特定的類黃酮物質(zhì)；（b）類黃酮物質(zhì)被根瘤菌識別（nodD基因產(chǎn)物是傳感器）；（c）nodD基因的產(chǎn)物NoD-D蛋白能識別出正確的類黃酮物質(zhì)，就會激活其他的nod基因，然后由這些基因編碼的蛋白會共同形成結(jié)瘤因子；（d）植物再識別確認正確的結(jié)瘤因子。于是，結(jié)瘤因子就啟動了結(jié)瘤的早期過程；（e）除結(jié)瘤因子之外，根瘤菌的胞外多糖可能在以后結(jié)瘤過程中（細菌侵入植物細胞）也起到重要的識別作用。

幾十年的研究表明，共生固氮研究在根瘤菌的形態(tài)學(xué)、生理學(xué)、生物化學(xué)、遺傳學(xué)和生態(tài)學(xué)等方面已經(jīng)取得了重要的進展。20世紀70年代后，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，共生固氮研究也進入到分子遺傳學(xué)研究階段。近年來，在研究根瘤菌共生固氮基因的定位、調(diào)控以及根瘤菌與豆科植物的相互作用等方面取得了許多新的進展。

三、共生固氮的分子遺傳研究

1862年，人們就確定了固氮生物的存在，并發(fā)現(xiàn)了自身固氮菌以及根瘤菌與高等植物共生后能固定空氣中氮素的現(xiàn)象。但是，一直到1960年，固氮的研究都是以固氮菌的整體細胞為材料，探索的是生物固氮代謝的途徑，大部分研究僅局限于生理水平。1960年以后，隨著生化技術(shù)的發(fā)展，獲得了高純度的固氮酶，便開始了固氮生化和酶學(xué)方面的研究。在此后的二十多年里，對生物固氮的能量來源、電子傳遞和防氧機制等進行了深入的研究。在固氮酶的結(jié)構(gòu)與功能，酶促反應(yīng)及催化機理、氧防護機制以及固氮酶活性的調(diào)節(jié)，電子傳遞等方面都有了較深入地了解。

二十世紀七十年代初，在固氮生物化學(xué)方面取得了比較大的進展，對固氮酶的性質(zhì)和固氮的基本原理也有了較為全面的了解后，開始了固氮遺傳學(xué)方面的研究。肺炎克氏桿菌最先用于固氮遺傳研究的材料，根瘤菌的分子遺傳學(xué)研究是在研究了肺炎克氏桿菌（Klebsiellapneumoniae）固氮酶基因（nif）的結(jié)構(gòu)和功能研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[27]。近年來，在根瘤菌共生固氮基因的定位、調(diào)控、基因組研究及其與豆科植物的相互作用等方面都取得了不少突破性進展。

根瘤菌的共生固氮機理是一個十分復(fù)雜的過程。根瘤菌中有大量的基因參與了這個過程。目前對于根瘤菌與豆科植物相互作用機理的了解仍然較少。隨著基因組序列及功能深入的研究，一定會極大地促進人們對根瘤菌與豆科植物之間的共生關(guān)系機理的了解。隨著新的研究方法與技術(shù)手段的運用和研究工作的深入，還將會發(fā)現(xiàn)更多新的根瘤菌共生固氮基因和調(diào)控機制，徹底揭開共生固氮作用的奧秘，并進一步定向改造和提高根瘤菌的共生固氮效率，實現(xiàn)非豆科植物的共生固氮。

當今生物固氮的熱點之一是研究禾本科植物的固氮。Reddy等利用豆科植物早期結(jié)瘤素基因作為探針，與不同水稻品種的基因組進行雜交，發(fā)現(xiàn)水稻中也存在早期結(jié)瘤素基因，如enod2、enod5、enod12、enodl4、enod40、enod55、enod70和enod93的同源基因。中科院上海生命科學(xué)院俞冠翹等人的研究也表明，在水稻基因組中廣泛存在豆科植物結(jié)瘤素基因的同源基因。王彥章等將大豆早期結(jié)瘤素基因Gmenod2B的啟動子與報告基因β-葡萄糖苷酶(GUS)基因融合構(gòu)建成嵌合基因Gmenod2BP-GUS，以此嵌合基因作為探索水稻細胞感受結(jié)瘤因子信號的分子標記；結(jié)果轉(zhuǎn)基因水稻中的大豆早期結(jié)瘤素基因enod2B啟動子的表達可以受結(jié)瘤因子誘導(dǎo)，僅在水稻根部的皮層薄壁細胞和內(nèi)皮層細胞中呈特異性表達，且受到氮源的調(diào)控，由此推測在水稻中可能存在結(jié)瘤因子所誘導(dǎo)的豆科早期結(jié)瘤素表達的類似機制。

四、意義

目前，世界各國都面臨著能源、糧食、人口和環(huán)境等問題，因而生物固氮的研究備受關(guān)注，生物固氮研究已經(jīng)被列為“國際生物學(xué)計劃”中的重點研究內(nèi)容，各國政府都將其視為重點科技攻關(guān)項目。據(jù)美國國家科學(xué)院1979年估計，地球表面每年約有14 500萬t分子氮通過生物固氮轉(zhuǎn)化為肥料氮，約占全球氮素供應(yīng)量的70%。上世紀初以來全球農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量不斷增長，在一定程度上依賴于氮肥的施用量不斷增加。大量施用化肥，既提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，也招致水體嚴重污染，破壞生態(tài)平衡，阻礙農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。而生物固氮既不降低土壤肥力，也不污染環(huán)境，而且是取之不盡，用之不竭的廉價氮源，應(yīng)用生物固氮，能有效減少化肥的使用，改善土壤和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，提高農(nóng)業(yè)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，有利于農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，取得良好的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益。生物固氮對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的戰(zhàn)略意義，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

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