禾本科植物固氮研究進展

史秀超

摘 要： 農(nóng)作物固氮是指借助微生物將空氣中的氮氣還原為農(nóng)作物能夠利用的氨的過程。本文綜述了近年來從禾本科植物體內(nèi)和根際發(fā)現(xiàn)的內(nèi)生固氮菌和根際固氮菌的種類、特征及對宿主的促生機理，提出了發(fā)掘和利用禾本科植物的生物固氮潛力的努力方向。

關(guān)鍵詞：? 禾本科植物;聯(lián)合固氮;聯(lián)合固氮菌;根際固氮菌;內(nèi)生固氮菌

人類當前面臨的最緊迫的問題之一是糧食短缺，糧食作物主要為禾本科植物。對禾本科植物固氮的了解和研究有助于解決糧食短缺問題。聯(lián)合固氮作用在自然界廣泛存在，對該體系的深入研究和探討對于開發(fā)非豆科植物的固氮潛力具有重要意義。雖然聯(lián)合固氮的固氮效應不及共生固氮高，但其分布廣，受益作物多，因此對于非豆科植物而言，聯(lián)合固氮可能成為將來農(nóng)、林、牧業(yè)中潛在的穩(wěn)定氮源，其生態(tài)意義和經(jīng)濟效益都是不可低估的。

一、聯(lián)合固氮菌的概念及研究意義

20世紀70年代，巴西學者Dobereiner從熱帶禾本科牧草雀稗根際分離獲得雀稗固氮菌，并提出根際聯(lián)合固氮的概念，認為根際中存在一類自由生活的能固氮的細菌，定殖于植物根表或近根土壤，部分則能侵人植物根，但不與宿主形成特異分化結(jié)構(gòu)，并將植物與細菌之間的這種共生關(guān)系稱為聯(lián)合共生固氮，又稱為聯(lián)合固氮作用。這種固氮作用在自然界廣泛存在，是介于根際自生固氮和結(jié)瘤固氮之間的過渡類型。進入21世紀，人類社會普遍面臨糧食、人口、環(huán)境、能源、資源等問題的困擾，加之目前化肥用量不斷增加，土壤肥力日趨下降，如何保持農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的良好循環(huán)已成為當今世界現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一個重大課題，在此背景下根際聯(lián)合固氮作用逐漸顯出其特殊的意義。

二、聯(lián)合固氮菌種類

聯(lián)合固氮的種類和分布非常廣泛，從禾本科作物到木本植物的根際中都有發(fā)現(xiàn)。根據(jù)生理生態(tài)特征聯(lián)合固氮菌大致可分成為三類：根際固氮菌、兼性內(nèi)生固氮菌、專性內(nèi)生固氮菌。

1.根際固氮菌。根際固氮菌指定殖于根表的所有固氮細菌。這類細菌不僅為植物提供氮素營養(yǎng)，其促進植物生長的主要原因在于產(chǎn)生的激素影響了植物的生理過程。這類固氮菌主要包括雀稗固氮菌、拜葉林克氏菌等。

2.內(nèi)生固氮菌。內(nèi)生固氮菌是指那些定殖在植物根內(nèi)而與宿主植物聯(lián)合固氮的固氮菌。它們的來源之一是種子和無性繁殖材料。另一個來源是根圍和葉圍，其中主要是根圍。根據(jù)內(nèi)生固氮菌的特點不同，又可分為兼性內(nèi)生固氮菌和專性內(nèi)生固氮菌兩類。

（1）兼性內(nèi)生固氮菌。兼性內(nèi)生固氮菌既能在根內(nèi)也能在根表和土壤中定殖，主要為固氮螺菌屬的細菌。該屬細菌分布廣泛，能與許多寄主聯(lián)合固氮，目前已分離鑒定出的有五種：產(chǎn)脂固氮螺菌、巴西固氮螺菌、亞馬遜固氮螺菌、伊拉克固氮螺菌、高鹽菌固氮螺菌等。

（2）專性內(nèi)生固氮菌。專性內(nèi)生固氮菌在土壤中不能生存或生存能力很差，主要存在于植物組織內(nèi)。它們可為宿主提供相當數(shù)量的氮素。這類細菌主要從寄主植物的自然開口、根表皮裂細胞或次生根形成點細胞間隙感染植物，經(jīng)木質(zhì)部擴散至植株上部。該類群包括重氮醋酸固氮菌、固氮弧菌、草螺菌屬、紅蒼白草螺菌和伯克霍爾德氏菌等。

三、聯(lián)合固氮菌對植物的有利作用

1.為植物提供氮素。有些聯(lián)合固氮菌將固定的氮素直接提供給植物吸收同化，有些則將固定大氣中的氮氣部分提供給宿主吸收利用，其余部分被細菌轉(zhuǎn)化為細胞氮，由于細菌的生命周期比植物短得多，細菌死亡崩解后釋放的有機氮也能逐步為植物根系吸收。

2.產(chǎn)生植物激素。有些根際聯(lián)合固氮菌還可以產(chǎn)生植物激素，這些植物激素影響宿主根的呼吸速率和代謝，并刺激側(cè)根生長，使根毛數(shù)目增多，根系發(fā)達。從而在不同的環(huán)境和土壤條件下促進植物的生長，尤其是幼苗期的生長。

3.促進內(nèi)根際的生理變化。主要可以促進植物內(nèi)根際多元酚的分泌，促使根部氧化酶活性降低還原酶活性提高，多元酚的功能與植物色素形成、細胞壁構(gòu)建、紫外線殺害的保護和真菌浸染的防御有關(guān);氧化酶活性降低可能是造成內(nèi)源激素和多元酚水平提高的原因。同時還可以促進植物內(nèi)根際ATP含量增加從而增強植株的生活力。

4.固氮菌可有效地抑制不同病菌引起的植物病害。由于內(nèi)生固氮菌定殖在植物體內(nèi)占據(jù)了植物上的生態(tài)位點，使病原菌由于生存空間的限制而難以入侵和定殖，這些細菌還可以與病原菌形成營養(yǎng)競爭關(guān)系，使病原菌得不到營養(yǎng)而死亡。另一方面是由于有些聯(lián)合固氮菌能夠分泌鄰苯二酚等高鐵載體，可以抑制土壤病源微生物的生長與繁殖，增強植物抗逆性。楊海蓮研究發(fā)現(xiàn)陰溝腸桿菌對水稻稻瘟病、紋枯病、白葉枯病都有一定的抑制作用。Braun等也發(fā)現(xiàn)成團腸桿菌對丁香假單胞菌引起的小麥粒瘟病的防治效果達45%～74%。

四、發(fā)掘和利用禾本科植物聯(lián)合固氮潛力的研究方向

1.聯(lián)合固氮關(guān)系的強化和有效化。聯(lián)合固氮是實現(xiàn)禾本科植物生物固氮的近期目標。首先必須獲得廣譜高效固氮菌株，可通過從自然界分離篩選來實現(xiàn)。因地制宜，根據(jù)各地的土壤類型、氣候條件、作物品種選用適宜的接種劑。其次，配合良好的田間管理措施，有報道指出玉米接種后應用地膜覆蓋技術(shù)或在玉米的行間覆蓋稻草可提高地溫保持土壤濕度，有利于接種菌在根際的繁殖和定殖，而獲得較好的接種效果。

2.誘導禾本科植物形成固氮根瘤。用纖維素酶、果膠酶降解根尖細胞壁或用植物生長調(diào)節(jié)劑2，4-二氯苯氧乙酸處理根后能將根瘤菌、固氮螺菌引入小麥、水稻、玉米并形成類根瘤結(jié)構(gòu)，在類根瘤中可以檢測到大量細菌存在和較低的固氮酶活性。植物內(nèi)生固氮菌的發(fā)現(xiàn)為禾本科植物實現(xiàn)生物固氮開辟了一條新的途徑。這個部位不僅可滿足細菌生長和固氮所需的足夠的能源、低氧分壓以及交換代謝產(chǎn)物的微環(huán)境，還避免了化合態(tài)氮的抑制及土壤微生物的競爭，固定的氮又可直接供給植物吸收，因而表現(xiàn)出更高的固氮效率。這種固氮菌的接種方式不僅避免了基因工程方法的復雜性和不易實現(xiàn)性，又保證了聯(lián)合同氮的高效性，無疑給禾本科植物的生物固氮帶來了新的曙光.

五、展望

生物固氮研究是一項長期而艱巨的工作，在理論和實踐上都還有不少需要解決的問題。目前還沒有一種完全滿意的應用于田間檢測固氮效果的方法。尤其是非豆科作物在缺乏共生固氮的情況下，涉及到作物和固氮菌兩方面的研究，應針對其特點分不同層次和不同步驟開展工作?？v向深入研究的方法一直被視為科學研究的焦點，力求突破;而橫向聯(lián)系平衡遺傳效應研究，也許更適合自然規(guī)律，有利于固氮作用的應用。徐興良的研究為人們提供了一個嶄新的視角。要建立固氮微生物與小麥真正的共生固氮，至少要有侵染識別、固氮的能量供應和控氧機制三大方面的突破。

參考文獻：

[] 張麗梅，方萍，朱日清.禾本科植物聯(lián)合固氮研究及應用現(xiàn)狀展望[J].應用生態(tài)學報，2004，15（9）：1650-1654.

[2] 劉曉璐，楊柳青，呂樂，等. 煙草根際固氮菌的篩選、鑒定及優(yōu)化培養(yǎng)[J]. 中國煙草學報. 2015（01）： 89-94.