联合固氮

固氮菌

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，繁衍，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。

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。

综述

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。

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。

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。

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。

相互关系

植物对根际固氮的影响

能源是细菌与植物联合的基本限制因子之一。根际细菌数比周围土壤中的菌数多100倍。植物根系分泌物的成份、含量，随着植物种类的不同，植物的生育期，不同的环境条件（如温度、光强、土质、湿度）有很大变化。不同植物根分泌物的组成依赖它们的代谢类型C4植物玉米根的分泌物中含大量苹果酸，而C3植物小麦和水稻根分泌物中草酸是最丰富的。这些变化在很大程度上影响了根际固氮菌的种类和聚集程度。

根际固氮菌对植物的影响

3．2．l 提供植物氮源联合固氮菌利用根系分泌物作为能源固氮，大部分固定的氮为自身利用不分泌或分泌很少量的氮到体外。因此联合固氮菌提供给植物的氮素是很少的，只有菌体裂解后的氮素才能被植物吸收。一些含糖高的作物如甘蔗及湿生水稻中联合固氮菌对宿主的氮素供给相对比较高。在巴西某些甘蔗田中常年不施N肥，甘蔗60%的氮素是由生物固氮提供的。

3．2．2 产生植物激素类物质大量的研究表明，接种根际联合固氮菌在不同的环境和土壤条件下对植物的生长，特别是在幼苗期有明显的促进作用。主要原因是由于联合固氮菌产生植物激素影响了宿主根的呼吸速率和代谢，也刺激了根毛和次生根的形成，使根毛和次生根数量增加。植物激素的种类主要是生长素（IAA）和类细胞分裂素及类赤霉素，亦有报道表明接种联合固氮菌影响了宿主植物内源激素的代谢。

3．2．3 促进宿主根的生理变化

根际酸化是矿物质向植物移动的机制。联合固氮菌在植物根定殖使宿主根的质子流增加从而刺激了宿主植物对矿物质的吸收。接种Azospirillum后提高了宿主根三羧酸循环中和糖酵解途径有关的一些酶的活性，也有报道接种联合固氮菌降低了一些氧化酶的活性如IAA氧化酶、多酚氧化酶，增强了氮同化和有机磷分解有关酶的活性，这些生理变化同时亦增强了根的抗病菌能力。

应用

联合固氮菌主要的共生对象是与人类密切相关的粮食作物。利用联合固氮菌作为田间作物的接种剂已在世界各国广泛开展，有一些国家已形成商业产品。20年来田间接种联合固氮菌的结果表明，在不同地区和气候条件下对农业上一些重要作物如玉米、水稻、小麦接种是有增产作用的。接种实验多数是采用固氮螺菌，用草炭菌剂拌种。最适接种量为1×107菌落形成单位/苗，种子。接种实验获得成功的最主要因素是保证接种最适量。由于联合固氮菌与根系的联合只是松散的联合没有形成稳定的共生结构，联合固氮的效率受植物生长状况、土壤、肥力、气候及土著菌竞争等因素的影响很大，联合固氮菌的固氮效率仍然是很低的。

影响联合固氮效率的主要因素如下：

（l）土著菌的竞争根际细菌的种类繁多，接种固氮菌面临的是与土著菌之间对底物的强烈竞争。大多数的研究表明在自然条件下固氮菌很少能为根际细菌菌群的优势部分，数量一般占总数的1%～10%，只有在氮素很贫乏的土壤中固氮菌才会表现出竞争的优势。微生物之间的竞争显然是影响固氮菌在根定殖的主要因子。

（2）结合态氮结合态氮（氨、亚硝酸盐、硝酸盐）阻遏固氮酶的合成，抑制某些固氮菌固氮酶的活性，因此土壤中的结合态氮的浓度（范围从5～500mgN/kg土壤）就能消除和降低接种后土壤中的固氮活性。土壤溶液和植物根分泌物中结合态氮的水平在某种程度上控制与根联合的固氮速率，在高肥力水平的土壤中根际固氮作用降低甚至消失，而在低肥力水平的土壤中根际固氮作用相对比较高。

（3）氧在联合固氮菌的微生态环境中氧的水平是影响联合固氮另一重要的因子。氧不可逆地使大多数固氮菌的固氮酶失活和调节固氮酶的合成。只有在低氧分压条件下固氮菌的固氮速率达到最适程度。植物根分泌粘质覆盖于根冠或根表形成根表粘液鞘，造成低氧环境为联合固氮菌提供了良好的生存条件。湿生水稻的淹水环境亦有利于固氮菌的固氮作用。

研究进展

在巴西有上百年的甘蔗种植史，蔗田施氮量不多但持续高产。而土壤氮储量并不下降，用15N实验表明，某些品种从生物固氮获得总氮量的60%。这种异常活跃的生物固氮不可能从根际群落得到，暗示存在不同于以往的高效生物固氮系统。1986年以来巴西Dobereiner实验室从甘蔗根、茎、叶内分离到3种具有独特生理、生化特性的固氮菌。这类固氮菌给宿主提供相当高的氮素。它们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。没有引起宿主任何不良反应，称其为内生固氮菌。已发现的内生固氮菌在甘蔗中有2类：①醋酸固氮菌Acetobacter diazotropHicu；②草螺菌Herbaspirillum spp．（在其它禾谷类作物如水稻、玉米中亦被分离到）。内生固氮菌代表了一个新的固氮系统，它的发现和研究扩展了经典的根际联合固氮系统，并将开拓出一条生物固氮到其它作物的新途径。

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