我國(guó)豆科綠肥根瘤菌資源研究現(xiàn)狀

張俊杰 尚益民 郭晨 彭姍姍 陳文峰

摘要：對(duì)紫云英、三葉草和箭筈豌豆3種主要豆科綠肥作物的特性及其共生根瘤菌多樣性進(jìn)行綜述指出，這3種豆科綠肥作物均具有較強(qiáng)的固氮能力，可提高肥力，改善土壤結(jié)構(gòu);與其共生的根瘤菌具有較強(qiáng)的多樣性，針對(duì)不同地區(qū)接種匹配的高效根瘤菌菌株，可達(dá)到較為理想的增產(chǎn)固氮效果.今后應(yīng)加強(qiáng)適宜不同地區(qū)的根瘤菌菌種選育，添加甘油、海藻糖等保護(hù)劑制作不同劑型的根瘤菌菌劑，并對(duì)其大田生產(chǎn)運(yùn)用開展研究，以更好發(fā)揮綠肥在現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展中的作用.

Abstract：The characteristics and the diversity of rhizobia symbiosis on the three main leguminous green manurecrops （Astragalus sinicus， Trifolium repens and Vicia sativa） were summarized. It was pointed out that the three kinds of leguminous green manure crops had strong ability of nitrogen fixation， could improve the fertility and soil structure. The symbiosis of rhizobia had a strong diversity， inoculating matched strains of highly effective rhizobia in different regions could achieve an ideal effect of increasing yield and fixing nitrogen. In the future， the selection and breeding of rhizobia strains suitable for different regions should be strengthened， protective agents such as glycerin and trehalose should be added， rhizobia agents with different dosage forms should be prepared， and research on their field production and application should be carried out， so as to betterplay the role of green fertilizer in the development of modern green agriculture.

關(guān)鍵詞：豆科綠肥;紫云英;三葉草;箭筈豌豆;根瘤菌

Key words：leguminous green manure;Astragalus sinicus;Trifolium repens;Vicia sativa;rhizobia

中圖分類號(hào)：Q939.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.3969/j.issn.2096-1553.2019.04.005

文章編號(hào)：2096-1553（2019）04-0030-07

0 引言

綠肥是指直接或經(jīng)堆漚后施入土壤作為肥料使用的栽培或野生綠色植物體[1]，作為生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其栽培利用歷史悠久，曾對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到舉足輕重的作用[2-3].綠肥能夠吸碳固氮，促進(jìn)養(yǎng)分良性循環(huán)，有效培肥改土等[4-8]，具有節(jié)能、減排、增效等特點(diǎn)，有助于環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的建立[9].綠肥對(duì)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的作用主要表現(xiàn)為：增加耕層土壤養(yǎng)分，改善土壤理化性狀;作為開墾荒地的先鋒作物，為后作創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)條件，使得開墾初期即可得到增產(chǎn)增收;覆蓋地面，固沙護(hù)坡，防止水土流失，改善生態(tài)環(huán)境，等等[10].按植物學(xué)科分類，可將綠肥分為豆科綠肥和非豆科綠肥.豆科綠肥有紫云英、三葉草、箭筈豌豆、毛葉苕子等72種，非豆科綠肥有黑麥草、滿江紅、蓮子草等26種[1，11].此外，研究表明[12]，豆科綠肥的肥料價(jià)值和飼料價(jià)值均高于非豆科綠肥.豆科綠肥具有生物固氮作用，不僅可以提高土地的生產(chǎn)力，改良土壤，而且翻壓綠肥并利用其根茬可有效改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)情況，使下茬作物產(chǎn)量明顯提高[13].但是豆科植物需要與相應(yīng)的根瘤菌互作以形成共生匹配關(guān)系，才能發(fā)揮共生固氮體系的優(yōu)勢(shì)[14].根瘤菌與豆科植物共生關(guān)系的建立，是細(xì)菌、植物和環(huán)境三方相互作用的結(jié)果，而不只是細(xì)菌與植物間的相互對(duì)話[15]，且其共生關(guān)系因區(qū)域地理環(huán)境的差異而具有多樣性.

因此，不同地區(qū)應(yīng)選擇適宜的豆科綠肥作物，并接種與之相匹配的高效根瘤菌菌株，這樣才能使其發(fā)揮更大的生物固氮作用，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)提供更大的價(jià)值.目前關(guān)于豆科綠肥根瘤菌的遺傳多樣性及其生物地理學(xué)分布的研究已有許多，但是豆科綠肥的種類眾多，不同地區(qū)的土壤特性也有明顯的差異，因此需要系統(tǒng)地對(duì)豆科綠肥根瘤菌的遺傳多樣性和生物地理學(xué)分布規(guī)律展開研究，以便為不同地區(qū)的豆科綠肥種植提供技術(shù)指導(dǎo).

本文擬對(duì)紫云英、三葉草、箭筈豌豆3種主要豆科綠肥作物的特性及其共生根瘤菌多樣性進(jìn)行綜述，以期為不同地區(qū)選育合適的豆科綠肥作物、接種匹配的高效根瘤菌菌株提供參考.

1 主要豆科綠肥作物特性

1.1 紫云英

紫云英（Astragalus sinicus），又名紅花草、翹搖、草子等，屬于豆科黃芪屬作物，一般在秋季套播于稻田，是我國(guó)南方稻田主要的冬季綠肥[16-17].紫云英含有較高的營(yíng)養(yǎng)成分，約含氮0.48%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），五氧化二磷0.11%，氧化鉀 0.24%，即 100 kg鮮草相當(dāng)于尿素2.08 kg，過磷酸鈣0.92 kg，氯化鉀0.24 kg，此外還含有大量的有機(jī)質(zhì)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可多得的有機(jī)肥源[18].通過紫云英還田可以增加稻田土壤養(yǎng)分，改善稻田的物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀，提高水稻產(chǎn)量[19-22].紫云英還可以固定空氣中的氮，從而減少氮肥的施用和氮素的流失[23-24]，減少稻田溫室氣體N2O和CH4的排放，改善稻田的生態(tài)環(huán)境[25-26].此外，紫云英作為牧草和蔬菜，也可以生產(chǎn)一種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高的花蜜[27].我國(guó)紫云英的種植歷史悠久，且種質(zhì)資源豐富，按開花和成熟期來分，其品種可分為特早熟種、早熟種、中熟種和遲熟種[28].紫云英作為一種豆科綠肥，和與其匹配的根瘤菌結(jié)合進(jìn)行共生固氮，在結(jié)瘤良好的情況下，固氮量可占植株總氮量的80%[29]，按紫云英氮積累量為140 kg/hm2計(jì)算，來自生物固氮的氮積累量約為110 kg/hm2，可節(jié)約大量的能源和工業(yè)投入[27].磷肥可促進(jìn)結(jié)瘤，達(dá)到以磷增氮的效果.不同稻區(qū)的試驗(yàn)表明[30-32]，種植翻壓紫云英可以減少無機(jī)化肥的施用量，紫云英翻壓 15 000～30 000 kg/hm2，減施化肥20%～40%，仍能保證水稻不減產(chǎn).

1.2 三葉草

三葉草（Trifolium repens），又名車軸草，豆科一年生或多年生草本植物，是一類優(yōu)質(zhì)牧草和優(yōu)良豆科綠肥，至今已有上千年的種植歷史.目前國(guó)內(nèi)種植的三葉草品種主要是白三葉草、紅三葉草和絳三葉[33-34]，其中白三葉草是本屬植物中具有推廣前途的一個(gè)種群[35].三葉草不僅可以作為牧草，還可以在果園間種，有效地改善果園土壤的生態(tài)環(huán)境和果樹的生產(chǎn)狀況.三葉草作為綠肥，具有較強(qiáng)的固氮能力，可提高土壤肥力，保持土壤溫度，并且可作為防風(fēng)固沙的好材料[34].此外，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究也證明，三葉草屬植物具有調(diào)節(jié)激素平衡、抗癌、抗腫瘤、降血壓、抗菌、消炎、抗自由基和防治骨質(zhì)疏松等多方面的藥理作用[36].

1.3 箭筈豌豆

箭筈豌豆（Vicia sativa），又名大巢菜，豆科野豌豆屬，一年生或越年生豆科草本植物[37].

箭筈豌豆原產(chǎn)于歐洲南部和亞洲西部，目前在國(guó)內(nèi)新疆、青海、江蘇、臺(tái)灣等29個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)）均有種植[38].箭筈豌豆生育期較短，土壤和氣候適應(yīng)性較強(qiáng)，具有固氮、改善土壤結(jié)構(gòu)等功能，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益較高，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用十分普遍的一種綠肥種質(zhì)資源[39-40].箭筈豌豆可以通過生物固氮的作用來抑制土壤的退化，并減少化肥的使用量，是各種作物的良好前作.箭筈豌豆的大量根部殘留物和脫落的葉片可以增加土壤的腐殖質(zhì)，顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，起到改良土壤結(jié)構(gòu)和提升土壤肥力的作用[41-42].Z.Berzsenyi等[43]研究發(fā)現(xiàn)，在有箭筈豌豆參與的輪作系統(tǒng)的農(nóng)田中，土壤中的有機(jī)質(zhì)含量較麥類作物連作模式的土地提高了近20%.

總之，紫云英、三葉草和箭筈豌豆這3種豆科綠肥作物具有較強(qiáng)的固氮能力，可提高土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)，利用其共生固氮體系來減少化肥的使用量，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，符合現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)的要求，可以大面積推廣種植.

2 主要豆科綠肥作物共生根瘤菌多樣性

2.1 紫云英根瘤菌

根瘤菌并不是土壤的常住微生物區(qū)系，種植紫云英的關(guān)鍵在于接種有效的根瘤菌.無論是初次種植紫云英還是多年種植紫云英的地區(qū)，都可以通過接種優(yōu)良根瘤菌菌種顯著增加鮮草產(chǎn)量和質(zhì)量[44].陳華癸在1940年代首次從紫云英根瘤中分離發(fā)現(xiàn)根瘤菌，因其具有高度的宿主專一性，定名為紫云英根瘤菌（Rhizobium astragali）[45].C.L.Chan等[46]研究了從中國(guó)南京和日本Otaki等地采集的11個(gè)菌株，將其歸于Bradyrhizobium.1991年，陳文新采用數(shù)值分類法，將紫云英根瘤菌重新命名為“華癸根瘤菌”（R.huakuii），以紀(jì)念已去世的陳華癸院士.1997年陳文新又將其并入Mesorhizobium屬，稱為“華癸中慢生根瘤菌”（Mesorhizobium huakuii）[47].2001年，J.L.Gao等[48]對(duì)95株紫云英根瘤菌多樣性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)這些菌株分別歸為Mesorhizobium，Agrobacterium，Rhizobium和Sinorhizobium屬.2004年，在上述研究的基礎(chǔ)上，J.L.Gao等[49]報(bào)道了兩個(gè)紫云英根瘤菌的新種M.septentrionale和M.Temperatum.2010年，張曉霞等[45]對(duì)分離自廣西玉林、廣東梅縣、安徽室州等地共13個(gè)紫云英菌株進(jìn)行鑒定發(fā)現(xiàn)，這些菌株屬于Mesorhizobium，Agrobacterium 和Stenotrophomonas 3個(gè)屬.2012年，管鳳貞等[50]從采自福建各地的紫云英根瘤中分離出具有一般根瘤菌特征的菌株18株，經(jīng)過分子生物學(xué)鑒定，這些菌株分別屬于Mesorhizobium，Agrobacterium和Rhizobium.2013年，W.T.Zheng等[51]研究了中國(guó)東南部4個(gè)省份的232株紫云英根瘤菌，發(fā)現(xiàn)有5株來自江西省的紫云英根瘤菌為新種群，并將其命名為M.qingshengii.2015年，李艷梅等[52]在四川地區(qū)結(jié)瘤大豆土壤中再次種植紫云英，并分離得到14株根瘤菌，經(jīng)過鑒定，這些菌株屬于Rhizobium.2018年，J.J.Zhang等[53]對(duì)分離自河南省信陽地區(qū)酸性土壤中的257株紫云英根瘤菌分析發(fā)現(xiàn)，所有菌株均為Mesorhizobium，且M.jarvisii為主導(dǎo)種群.

總之，紫云英根瘤菌具有多樣性，其中M.huakuii 分布最為廣泛.針對(duì)不同的區(qū)域，選用不同的紫云英根瘤菌制作豆科綠肥菌劑，有望達(dá)到較為理想的增產(chǎn)固氮效果.

2.2 三葉草根瘤菌

2002年，劉曉云等[54]用16S rDNA PCR|RFLP分析和表型特征數(shù)值分類方法研究了來自江西、湖北等5省的三葉草根瘤菌，并將其歸為快生根瘤菌屬、中華根瘤菌屬、中慢生根瘤菌屬和慢生根瘤菌屬.2004年，齊春梅[55]用分子生物學(xué)方法將四川和重慶地區(qū)的三葉草根瘤菌鑒定為Sinorhizobium和Rhizobium.2008年，呂飛等[56]對(duì)50株分離自新疆和陜西地區(qū)的三葉草根瘤菌進(jìn)行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)所有供試菌株產(chǎn)生了5種16S rDNA基因型，歸屬于根瘤菌屬，土壤桿菌屬和葉桿菌屬3個(gè)系統(tǒng)發(fā)育分支.2010年，劉曉云等[57]從云南、湖北、河北等6個(gè)地區(qū)分離得到120株三葉草根瘤菌菌株，并采用SDS|PAGE分子標(biāo)記法將其分為6個(gè)類群.2014年，潘明洪等[58]對(duì)四川部分地區(qū)的69株野生白三葉草根瘤菌進(jìn)行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)所有供試菌株均歸為根瘤菌屬和土壤桿菌屬，且大部分菌株屬于根瘤菌屬并與豌豆根瘤菌三葉草生物型（R.leguminosarum bv.trifolii）ATCC 14480T的親緣關(guān)系較近.同年，李艷梅等[52]發(fā)現(xiàn)四川地區(qū)結(jié)瘤大豆根基土壤中的三葉草根瘤菌為Rhizobium.2016年，張俊杰等[33，35，59]從中國(guó)東部和北部堿性土壤中分離得到83株白三葉草根瘤菌，經(jīng)分子生物學(xué)鑒定，這些供試菌株歸屬為 R.leguminosarum和R.anhuiense，且R.anhuiense為主要種群.2017年，韋興迪等[60]調(diào)查了貴州部分地區(qū)野生白三葉草根瘤菌資源，在分離的全部根瘤菌株中，共鑒定出6個(gè)屬20個(gè)種，其中Rhizobium的分布頻率高達(dá) 81.31%，是所調(diào)查地區(qū)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)屬.同年，C.T.Huang等[61]分離了臺(tái)灣北部與三葉草等7個(gè)宿主豆科植物所共生的根瘤菌，并將其中的三葉草根瘤菌鑒定為Rhizobium.

總之，三葉草根瘤菌也具有多樣性，且目前根瘤菌屬在國(guó)內(nèi)分布最為廣泛.通過前人對(duì)三葉草根瘤菌資源的調(diào)查研究，可以篩選出一些針對(duì)于不同地區(qū)共生效果好的菌株，從而提高三葉草的質(zhì)量和產(chǎn)量.

2.3 箭筈豌豆根瘤菌

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于箭筈豌豆根瘤菌資源的研究相對(duì)缺乏，大部分業(yè)內(nèi)學(xué)者的研究重點(diǎn)是箭筈豌豆的種質(zhì)資源及其栽培與管理技術(shù)[40，62，63]，對(duì)于根瘤菌來說，大部分還是選用與豌豆屬共生的根瘤菌接種至箭筈豌豆來提高固氮效果.王雪翠等[37]為獲得抗逆性強(qiáng)的根瘤菌菌株，在青海主產(chǎn)區(qū)采集樣本，經(jīng)分離、鑒定得到61株箭筈豌豆根瘤菌，并篩選出5株對(duì)宿主結(jié)瘤生長(zhǎng)促進(jìn)作用較強(qiáng)的根瘤菌，但是并沒有對(duì)這些菌株進(jìn)行分子鑒定，只是做了抗逆性分析.付萍[38]研究了根瘤菌對(duì)箭筈豌豆結(jié)瘤固氮的影響，發(fā)現(xiàn)通過接種根瘤菌可以顯著促進(jìn)箭筈豌豆的單株株高、根長(zhǎng)、根瘤數(shù)、根瘤鮮重、植物全氮含量和固氮酶活性等.筆者所在實(shí)驗(yàn)室對(duì)山西、青海、甘肅3個(gè)省份部分地區(qū)的箭筈豌豆根瘤菌資源進(jìn)行了系統(tǒng)研究，其結(jié)果將擇機(jī)發(fā)表.

總之，國(guó)內(nèi)對(duì)于箭筈豌豆根瘤菌資源的研究成果比較匱乏，業(yè)界應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)不同地區(qū)的箭筈豌豆根瘤菌資源的研究，特別是青海、甘肅等箭筈豌豆的主產(chǎn)區(qū)，接種合適的箭筈豌豆根瘤菌顯得十分必要.

3 總結(jié)與展望

本文通過對(duì)紫云英、三葉草和箭筈豌豆這3種主要豆科綠肥作物的特性及其共生根瘤菌多樣性的綜述，認(rèn)為：這3種豆科綠肥作物具有較強(qiáng)的固氮能力，可提高土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)，與共生的根瘤菌具有較強(qiáng)的多樣性，針對(duì)不同的地區(qū)接種匹配的高效根瘤菌菌株，可達(dá)到較為理想的增產(chǎn)固氮效果.

鑒于目前對(duì)于這3種豆科綠肥作物根瘤菌資源的調(diào)查研究尚不深入，今后應(yīng)深入開展對(duì)不同地區(qū)的豆科綠肥根瘤菌資源的調(diào)查，以發(fā)現(xiàn)更為高效的根瘤菌菌株.另外，選育適宜當(dāng)?shù)氐母鼍N只是第一步，后續(xù)還需要考慮根瘤菌菌劑（固體菌劑、液體菌劑等）的制作、如何通過添加保護(hù)劑（甘油、海藻糖等）保持這些菌種的活性，以及如何將這些菌劑運(yùn)用到大田中來提高田間綠肥的質(zhì)量和產(chǎn)量等.總之，綠肥是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)肥料不可或缺的一部分，豆科綠肥作物的地位尤為重要，并且豆科綠肥的種類眾多，遠(yuǎn)不止本文所闡述的這3種，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)對(duì)于豆科綠肥根瘤菌的研究相對(duì)比較匱乏的現(xiàn)狀，尚需要更多的理論研究來指導(dǎo)大田生產(chǎn)，進(jìn)而推動(dòng)現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展.

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