植物内生固氮菌及其固氮机理研究进展

氮素是植物生长必不可少的元素,植物内生固氮菌不仅能够在植物体内产生氮素以供植物利用,而且在自然界氮素循环过程中发挥积极作用,对农业可持续发展具有重要意义。近年来,植物内生固氮菌逐渐成为研究热点。由植物内生固氮菌的发现、作物共生、侵入途径、固氮机理、促生作用机制等方面系统地综述了植物内生固氮菌的研究进展,探讨了植物内生固氮菌新的研究思路以及一些尚未解决的问题,以期为植物内生固氮菌及生物固氮研究提供参考。     

植物内生固氮菌在绿色农业生产建设中的应用

化学氮肥在解决人类温饱问题中起了极为重要的作用,但近年发现过量施用化肥有较大的负面影响.植物内生固氮菌是近年发现的一类非豆科植物中的高效固氮微生物,这一新型固氮系统为新型绿色农业生产建设提供了一种新的生物固氮途径.本研究综述了化学氮肥在农业生产建设中的危害、生物固氮作用、植物内生同氮菌及其固氮机制、植物内生固氮菌在绿色农业生产建设中的应用,并对应用植物内生固氮菌的可能性和意义,以及需要注意的问题作了一些探讨.     

禾本科植物联合固氮研究及其应用现状展望

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．     

动物的共生菌固氮

介绍了共生菌固氮涉及的动物和微生物类群、动物共生菌固氮的性质和机理。应用乙炔还原法和固氮酶基因检测等研究表明,所涉及的动物有7门13纲23目50科99属174种。动物肠道具有丰富的微生境,供不同生理需求的固氮菌生长发育,所蕴含的共生固氮菌类群也十分丰富,涵盖植物共生固氮菌、植物内生固氮菌、植物根际固氮菌、自生固氮菌等生态类型。一般认为动物共生固氮菌来源于环境,其性质属于联合共生固氮。动物共生固氮菌一般与其他共生生物形成复合体,以满足固氮过程中对电子和质子供体、能量供给、固氮酶活性保护以及氨阻遏解除等方面的需求。动物共生菌固氮产物氨的同化也需要多种共生物的协同作用,可能通过谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶等途径。总体上,食物氮、非蛋白氮和共生菌固氮相互协调,形成营养和解毒的代谢网络,共同维持动物体内氮素营养的动态平衡,并对未来研究提出展望。     

甘蔗联合固氮的回顾与展望

在巴西,某些甘蔗品种能通过生物固氮获得生长所需氮素。对甘蔗根际固氮菌和内生固氮菌的研究曾引领了非豆科植物联合固氮的研究。内生固氮菌Gluconacetobacter diazotrophicus表现出很多特性,与Herbaspirillum seropedicae、H.rubrisubalbicans、Nitrospirillum amazonense和Paraburkholderia tropica组成的固氮菌剂能联合甘蔗固氮并促进甘蔗生长。近年来的研究发现分类上属于Bradyrhizobium和Rhizobium等属的根瘤菌在与甘蔗联合的核心固氮菌群之中,以不结瘤的方式在甘蔗体内活跃地表达固氮酶基因。综述了这些甘蔗联合固氮菌的特色研究并探讨优化甘蔗联合固氮的策略。     

落地生根内生固氮菌多样性和促生特性

【背景】内生固氮菌可以定殖于植物体内为植物提供营养物质,还能通过代谢促进植物生长,目前对于落地生根内生菌的研究鲜见报道。【目的】研究落地生根中内生固氮菌多样性。【方法】从表面消毒的植物组织中分离纯化内生菌,并通过乙炔还原法测定菌株的固氮酶活性。采用SDS-PAGE全细胞蛋白电泳和IS指纹图谱对菌株聚类,各类群代表菌株进行16S rRNA基因系统发育分析和生理生化鉴定。测定菌株固氮、分泌生长素和ACC脱氨酶、产铁载体、溶磷和解钾等促生特性。【结果】从落地生根中分离纯化出26株内生固氮菌,聚为5个类群,隶属于4个属的5个菌种,且各类群代表菌株具有多种促生功能。【结论】从落地生根中分离获得的内生菌具有丰富的遗传多样性和促生特性,并且存在新的微生物资源,有待开发利用。     

野生稻内生固氮菌多样性研究进展

野生稻是一种重要的种质资源,也是宝贵的功能微生物资源库。国内外对植物内生固氮菌的研究较多,但野生稻内生固氮菌的相关研究进展未见报道。目前,野生稻内已发现的固氮菌至少有31个属74个种,大部分为兼性内生固氮菌且寄主范围广、分布地域全球化,而部分菌株是首次被发现或被报道具有固氮能力。野生稻内生固氮菌存在巨大发掘空间,现有研究大多集中在其促进生长、抗病害作用等方面。通过归纳统计已分离鉴定的野生稻内生固氮菌,对其物种多样性、生存环境多样性和生物学功能多样性进行了较全面的概述,以期丰富工农业微生物资源库,并为提高作物产量、开发微生物肥料提供可靠的理论依据和方向指引。     

一株高效甘蔗内生固氮菌NN08200的鉴定及其对甘蔗的促生长作用

【背景】生产上过高的氮肥投入是我国农业可持续发展的重要限制因子之一。利用生物固氮是减少氮肥施用量最为有效的途径,植物内生固氮菌资源的挖掘和利用对我国农业可持续发展具有重要实践意义。【目的】筛选高效甘蔗内生固氮菌,并对其联合固氮效率及促生长功能进行评价。【方法】从广西甘蔗茎基部组织分离筛选到一株内生固氮菌株NN08200,利用乙炔还原法测定固氮酶活性,通过菌落PCR扩增nif H基因确定菌株为固氮菌;通过菌株培养性状和菌体形态观察、Biolog细菌鉴定系统和16SrRNA基因序列分析确定该菌株的分类;采用盆栽接种测定菌株对甘蔗的实际促生长作用,并利用15N同位素稀释法测定其相对固氮效率。【结果】菌株NN08200的固氮酶活性达到2445nmolC2H4/(h·m L),菌株的nif H基因长度为339bp,与甘蔗内生固氮醋酸杆菌Gluconacetobacter diazotrophicus PAL5菌株的nif H相似性达99%;根据菌株培养性状和菌体形态观察、Biolog细菌鉴定系统和16SrRNA基因序列分析结果,菌株NN08200属于泛菌属(Pantoeasp.)细菌;盆栽接种菌株NN08200能显著提高甘蔗幼苗的株高和干重,15N同位素分析结果表明接种该菌株甘蔗植株的根、茎和叶从空气中获得氮素的百分率分别为7.49%、15.02%和10.79%,其联合固氮效率显著优于甘蔗内生固氮模式菌株G. diazotrophicus PAL5,利用后者接种的甘蔗根、茎和叶从空气中获得氮的百分率分别为3.53%、9.44%和4.87%。【结论】菌株Pantoea sp. NN08200是高效甘蔗内生固氮菌,其固氮促生长效果明显高于G. diazotrophicus PAL5菌株,可望研发成为优良固氮微生物肥料生产菌种,并可进一步用于甘蔗联合固氮菌作用机理的相关研究。     

类芦和狗牙根内生固氮菌初步研究

为探索水土保持禾草的固氮能力,利用乙炔还原法(ARA)对类芦(Neyraudia reynaudiana)和狗牙根(Cynodon dactylon)植株内生固氮菌的固氮酶活性进行研究.结果表明:在类芦茎部和狗牙根叶片中存在高固氮酶活性的内生固氮菌群;这些菌群在无氮培养基上经划线分离纯化得到40个菌株,其中26株有微弱固氮酶活性,14株检测不到固氮酶活性;从类芦茎部和狗牙根叶片中筛选到的固氮菌群在兼性厌氧的环境中有较高的固氮酶活性,且在石蜡油密封条件下,两者的固氮酶活性均最高;在不改变自然界微生物之间的协同关系情况下,混合菌群均具有较高的固氮酶活性,而人为组配混合得到的菌群固氮酶活性较低. reynaudiana)和狗牙根(Cynodondxtylon)植株内生固氮菌的固氮酶活性进行研究.结果表明:在类芦茎部和狗牙根叶片中存在高固氮酶活性的内生固氮菌群;这些菌群在无氮培养基上经划线分离纯化得到40个菌株,其中26株有微弱固氮酶活性,14株检测不到固氮酶活性;从类芦茎部和狗牙根叶片中筛选到的固氮菌群在兼性厌氧的环境中有较高的固氮酶活性,且在石蜡油密封条件下,两者的固氮酶活性均最高;在不改变自然界微生物之间的协同关系 况下,混合菌群均具有较高的固氮酶     

非共生固氮菌及其固氮作用

生物固氮作用是生态系统中重要的氮素来源,参与固氮作用的微生物对植物的生长发育至关重要。与共生固氮微生物相比,非共生固氮微生物地域分布更广泛、种类更多,对全球生态系统中氮素循环有着重要意义。本文总结了非共生固氮菌的分类及系统发育,非共生固氮菌的群落构建过程和机制;归纳了不同生态系统(如草原、森林、海洋、农田等)、植物不同部位(如林冠、叶际、根际、根内、凋落物等)和土壤中非共生固氮菌的群落组成及固氮潜力的差异,以及影响非共生固氮菌群落组成和固氮潜力的主要因素(如气候因素、土壤理化性质、人为措施等);并整理了常用的研究非共生固氮菌及其固氮潜力的检测方法。     

巨菌草不同生长时期的内生固氮菌群组成分析

【背景】禾本科植物中存在着丰富的内生固氮菌资源,可为植物的生长、营养利用、增强抗逆性等起到重要的促进作用。【目的】揭示巨菌草不同生长时期根、茎、叶内生固氮细菌的组成及其变化。【方法】采用高通量测序技术对不同生长时期的巨菌草根、茎、叶内生固氮菌群进行群落分析。【结果】不同生长时期巨菌草根、茎、叶的15个样本分别得到4-6万条有效序列,主要分布在360 bp左右。根部巨菌草内生固氮菌群在成熟期最高,茎部和叶部均为拔节期最高,同一生长时期则为根叶茎,变化趋势与巨菌草植物样本的固氮酶活性变化趋势一致,其主要的菌群门类为变形菌门(Proteobacteria)和蓝藻菌门(Cyanobacteria),主要核心属为克雷伯氏菌属(Klebsiella)、草螺菌属(Herbaspirillum)和慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)。整体上看,根、叶部来源的各自微生物菌群组成较为接近,茎部来源的菌群与根部、叶部有交叉,成熟期根部的联合固氮菌群种类和丰度最高。典范对应分析表明各来源样本固氮菌群的组成主要受环境温度影响,其次为湿度和pH。【结论】不同生长时期巨菌草根、茎、叶固氮菌群的组成及丰度存在着较大的差异,本研究可为巨菌草内生固氮菌群资源的开发和利用以及种质资源库的建立提供基础依据。     

联合固氮的研究进展

1975年,Dbereiner实验发现与禾本科植物联合共生的固氮菌并提出根际联合固氮的概念。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。综述了近年来发现的联合固氮菌的种类;联合固氮体系的形成过程（趋化、结合和侵入）;影响联合固氮的主要因素：自然条件、土著微生物的竞争、植物基因型差异和环境条件的变化、结合态氮（氨、亚硝酸盐、硝酸盐等）和氧。并从固氮联合作用测定方法、联合固氮菌的资源筛选、联合固氮工程菌的研究、联合固氮分子生态学研究方法4个方面,论述了联合固氮的研究现状。     

植物内生固氮菌系统发育进化新进展

在植物内生固氮菌系统发育进化关系研究中,常用的方法有形态学与蛋白质水平法、数值分类和自动化鉴定法、化学分类法、分子遗传学方法等。本文简要介绍了常用方法的关键技术,并归纳了它们的优缺点。生物学的研究进入基因组时代后,随着高通量DNA测序技术在微生物学领域应用的迅速发展,全基因组测序被应用到微生物系统发育进化研究中,然而目前并未发现对已测全基因组序列的植物内生固氮菌进行系统总结。本文在对已测序植物内生固氮菌进行归纳的基础上,又详细研究了基于基因组数据的几种具有代表性的新方法(ANI分析法、最大唯一匹配指数法、核心基因组分析、组分矢量法、基因流动性分析),并结合目前系统发育进化研究常用方法,对植物内生固氮菌系统发育进化研究趋势进行总结和展望,旨在使植物内生固氮菌的系统发育进化关系研究在精确度、可靠性等方面有所突破。     

入侵植物欧洲千里光内生固氮菌和溶磷菌多样性

【背景】菊科(Asteraceae)外来入侵植物欧洲千里光(Senecio vulgaris L.)来源于欧洲,广泛分布于我国西南和东北地区,在湖北高海拔山区也有分布。在入侵过程中,内生细菌可能在其获取氮磷营养方面起到了一些关键性作用。【目的】探究欧洲千里光内生固氮菌和溶磷菌的多样性和功能,为理解其入侵机制及防治提供参考。【方法】选择来自6个不同种群的种子,萌发后转移到花盆生长6-8周,并从每个种群中各挑选9株生长情况良好的植株,对其叶片和根组织表面进行消毒处理。使用基于nifH基因(固氮功能基因)的高通量测序方法对植物的固氮微生物群落结构和多样性进行研究。通过涂布平板法和平板划线法,在固体无氮培养基(Ashby)和无机磷培养基(inorganic phosphate, NBRIP)上对植物内生菌进行分离、纯化,对纯化的固氮菌株和溶磷菌株进行16S rRNA基因测序。采用钼锑抗比色法分析纯化溶磷菌株的溶磷能力。【结果】基于nifH基因的内生菌高通量测序结果表明,欧洲千里光叶样本中固氮菌多样性显著高于根样本;固氮菌群落中丰度最高的属是慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium,30.9%...     

广西甘蔗根际高效联合固氮菌的筛选及鉴定

对广西主要甘蔗产区的根际联合固氮细菌进行了收集和评价,拟筛选获得对甘蔗具有潜在促生性能的联合固氮菌,为甘蔗生产节肥减耗提供依据。结合nifH基因扩增和固氮酶活性分析方法筛选获得36个固氮细菌菌株;进一步对所获得固氮菌株的固氮能力、溶磷性、分泌植物生长素IAA的特性等促进植物生长潜能进行评价,获得了5个同时具有较强固氮能力、降解无机磷和分泌植物生长激素IAA的功能菌株;通过Biolog鉴定系统和16S rRNA序列分析对5个具有较好应用潜力的固氮菌进行分类鉴定。结果表明这5个菌株分别属于Klebsiella sp.、Bacillus megaterium、Pseudomonas sp.、Pantoea sp.和Burkholderia sp.。本研究结果表明广西甘蔗根际联合固氮菌具有较大的开发利用潜力。     

泓森槐可培养内生固氮细菌多样性与潜在促生长特性评价

【背景】泓森槐为豆科刺槐属的速生型落叶乔木,生长快,营养需求多。目前对于泓森槐内生固氮细菌的研究鲜有报道。【目的】研究泓森槐可培养内生固氮细菌的多样性及潜在促生长特性。【方法】从表面消毒的泓森槐根、茎、叶及根瘤中进行内生固氮细菌的分离纯化,采用IS-PCR指纹图谱技术将分离得到的菌株进行聚类,对各类群代表菌株进行16SrRNA基因系统发育分析、生理生化试验、固氮酶活性测定、促生长特性试验。【结果】从泓森槐中分离出56株细菌,聚为10个类群,分别为Paenibacillus sabinae、Klebsiella michiganensis、Kosakonia radicincitans、Kosakonia pseudosacchari、Mesorhizobium erdmanii、Mesorhizobium huakuii、Mesorhizobium silamurunense、Pseudomonas geniculata、Burkholderia territorii和Devosia riboflavina,其中5个类群为联合固氮菌、3个类群为共生固氮菌、2个类群为非固氮菌,表明泓森槐组织内生固氮细菌具有丰富的多样性。促生特性试验表明7个类群具溶磷能力、6个类群具解钾能力、6个类群具有产生长素能力、6个类群具产铁载体能力、2个类群具有产蛋白酶能力。【结论】泓森槐组织内生固氮细菌具有遗传多样性与促生长特性,其在农业微生物菌肥开发利用方面具有潜在价值。     

植物叶际固氮与农业生产

自荷兰学者Ruinen提出叶际固氮可以为生长在贫氮土壤植物提供丰富的氮素来源之后,印度、苏联、丹麦、中国等许多国家的科技工作者从事了这方面的研究。目前已对叶际固氮菌的属种类型、数量、生态环境、固氮效率、人工接种固氮菌对促     

攀枝花地区烤烟可培养内生固氮菌的多样性

【目的】认识烤烟(Flue-cured tobaccos)内生固氮菌多样性,挖掘内生固氮菌资源,丰富内生固氮菌基因库。【方法】运用纯培养法、重复因子扩增(BOX-PCR)分析技术、16S r RNA基因测序和系统发育分析对内生固氮菌多样性和系统发育进行研究,并测定分离菌株的固氮酶活性、溶磷溶钾特性、吲哚乙酸(IAA)含量等指标。【结果】通过Ashby培养基共分离得到62株固氮菌。基于BOX-PCR图谱选取16株代表菌株进行16S r RNA基因序列测定。16S r RNA基因序列系统发育分析显示,62株菌株分属于芽孢杆菌属(Bacillus)、泛菌属(Pantoea)、短小杆菌属(Curtobacterium)等3个属,其中芽孢杆菌属(Bacillus)为优势菌属。62株菌株中有20株菌株(占总分离菌株的32.3%)具有固氮酶活性,8株菌株(占总分离菌株的12.9%)能产IAA,有4株(占总分离菌株的6.5%)表现溶磷活性,有3株(占总分离菌株的4.8%)表现溶钾活性。【结论】攀枝花烤烟有较为丰富的内生固氮菌,具有潜在应用价值。     

典型生境巨菌草根内生固氮菌的群落多样性

【目的】探究不同生境巨菌草内生固氮菌群落组成多样性及其分异规律。【方法】采用高通量测序固氮酶nif H标靶基因方法,研究了我国6个典型地区的巨菌草内生固氮菌群,包括福建闽侯县、新疆墨玉县、内蒙古阿拉善左旗、青海贵德县、甘肃安定区、海南那大镇,结合地理气候因子统计,分析了固氮菌多样性的环境驱动机制。【结果】共获得64122条nif H基因的有效序列,640个OTUs,归属于6个门、10个纲、17个目、24个科、33个属和39个种。不同地区巨菌草中优势内生固氮菌群的种类和丰度存在较大的差异。在门水平上,福州闽侯县、甘肃安定区、新疆墨玉县、内蒙古阿拉善左旗和青海贵德县5个地区的优势菌门均为变形菌门,海南那大镇的优势菌门为变形菌门和蓝藻菌门;属水平上,不同地区巨菌草最优势内生固氮菌类群分别为:福州闽侯县(变形菌门中未定属,80.56%);新疆墨玉县(变形菌门中未定属,33.14%);内蒙古阿拉善左旗(变形菌门中未定属,76.23%);甘肃安定区(α-变形菌纲中的未定属,53.78%);海南那大镇(变形菌门中未定属,38.37%);青海贵德县(变形菌门中未定属,46.12%)。Alpha多样性和Beta多样性分析表明,不同地区巨菌草内生固氮菌群落的多样性存在较大的差异,海南那大镇样本中巨菌草各类内生固氮菌群的多样性及丰富度最高,福建闽侯县样本中巨菌草各类内生固氮菌群的多样性及丰富度最低。典范对应分析(CCA)结果表明,年均降雨量和年均气温是影响巨菌草内生固氮菌群变化的主要因素,其次是土壤有机质、土壤全氮和土壤p H。【结论】不同地区巨菌草内生固氮菌群落的组成及丰度存在着较大的差异,海南那大镇巨菌草内生固氮菌群的种类及相对丰度较高,本研究可为巨菌草内生固氮菌群的资源开发及其固氮微生物肥料的菌种选育和生产应用提供理论支持。     

不同氮水平下内生固氮菌对入侵植物南美蟛蜞菊生长策略的影响

很多因素可以影响外来植物的入侵性,其中内生菌可能扮演了极其重要的角色。为了探究内生固氮菌对入侵植物生长策略的影响,本研究分别在高和低两种氮水平下,种植接种和不接种内生固氮菌的入侵植物南美蟛蜞菊(Sphagneticola trilobata)和同属本地植物蟛蜞菊(S. calendulacea),对比研究它们的生长和氮含量。从南美蟛蜞菊茎段分离出内生固氮菌Kosakonia sp. WTB-JS007,发现其对南美蟛蜞菊和蟛蜞菊这两种植物生长策略的影响存在显著差异,且这种差异不受氮水平的影响。在低氮处理下,接种WTB-JS007对蟛蜞菊的生长及植株氮含量没有显著影响,但显著提高了南美蟛蜞菊的地上生物量(30.48%),促进了匍匐茎的伸长,减少了地下生物量(56.58%),并提高了植株总氮含量(47.51%)。类似地,在高氮水平下,内生固氮菌亦显著影响南美蟛蜞菊地上部分的生长,但对蟛蜞菊生长的影响不显著。这些结果表明,内生固氮菌对入侵和非入侵植物生长、生物量分配及氮获取的影响存在显著差异,而这种生长策略的差异有利于入侵植物地上部分的快速生长与扩张,从而提高其入侵性。