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.     

植物内生固氮菌

植物内生固氮菌的发现和研究显现了一个新的固氮系统,深化了根际联合共生固氮的研究。文章综述了10年来植物内生固氮菌的研究进展,并探讨了内生固氮菌进入植物体内的方式和行使固氮功能的可能性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

植物内生细菌的研究

植物内生细菌是能够定殖在植物细胞间隙或细胞内,并与寄主植物建立和谐联合关系的一类微生物I’］。自本世纪初开始,人们不断地从植物的根、叶、甚至茎和种子上分离并鉴定出多种微生物,但其在寄主植物中的生物学作用却未能引起研究者的重视。近年来,由于一些研究结果表明内生细菌能够作为外源基因的载体,又具有植物保护剂的功能,可以产生植物促生物质或可作为联合固氮菌剂,由此有关内生细菌的研究才引起植物学家和微生物学家的兴趣。l植物内生细菌的研究现状有关植物内生细菌的研究主要涉及两方面的内容：（l）生态学研究：内生细菌…     

植物叶际固氮菌研究进展

固氮菌广泛存在于植物叶际,能固定空气中的氮气,满足自身或植物的部分氮素需求。基于纯种分离和培养的传统生物学方法已经研究了部分叶际固氮菌的特性,但对叶际固氮菌的物种组成、群落结构及生态功能等方面的认识还非常有限。随着分子生物学技术的发展、微生物分子生态学研究方法的逐步成熟,人们对叶际微生物的多样性和生态功能的研究越来越深入。叶际固氮菌具有丰富的多样性,温度、湿度、光照等环境因素及植物种类和微生物互作均会影响叶际固氮菌的组成。不同于根际固氮菌,叶际固氮菌具有非专一性,且不易受化肥的影响,其在农业生产上已经表现出潜在的应用价值。为此,本文综述了农作物、森林、海域生态系统中叶际固氮菌的群落结构组成及生态功能,以及外界因素对叶际固氮系统的影响。     

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。     

玉米内生细菌资源研究进展

植物内生菌存在于植物的各个器官,种类繁多,对植物的生长发育具有重要作用。玉米是最重要粮食作物之一,通过研究玉米与其内生细菌的关系,对增产玉米以及生物防治有积极意义。本文归纳了玉米内生细菌资源的分离与收集,包括内生细菌的多样性及新种的鉴定;介绍了玉米内生细菌与宿主的相关性;总结了玉米内生细菌的生物学作用,包括抑菌性、耐受性、固氮作用和促生作用,以及内生细菌对玉米作用机制;并对玉米内生细菌研究趋势进行了前景展望,旨在为玉米内生细菌的研究提供参考。     

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。     

联合固氮菌的合成生物学研究进展

氮素是作物生长过程中最重要的元素,氮素缺乏将会严重影响作物生长。随着人类对粮食的需求量增加,化学氮肥的施用量越来越多。生物固氮在全球氮素循环中有着重要的作用,60%的氮来源于生物固氮。因此,生物固氮,尤其是能够在作物中定殖的联合固氮菌,最有可能代替氮肥成为粮食作物的主要氮源。长期以来,如何提高生物固氮效率以及在作物中实现生物固氮是生物学家的重要研究方向。合成生物学的出现和发展为能够生物固氮的研究带了新的机遇,有望缓解粮食作物对化学氮肥的大量需求。本文概述了固氮菌的种类、联合固氮菌中固氮基因岛的组成以及转录调控机理,阐述了合成生物学在生物固氮领域中的研究现状,对未来的联合固氮菌合成生物学的发展方向作出了展望。     

Are common symbiosis genes required for endophytic rice-rhizobial interactions?

Legume plants are able to establish root nodule symbioses with nitrogen-fixing bacteria, called rhizobia. Recent studies revealed that the root nodule symbiosis has co-opted the signaling pathway that mediates the ancestral mycorrhizal symbiosis that occurs in most land plants. Despite being unable to induce nodulation, rhizobia have been shown to be able to infect and colonize the roots of non-legumes such as rice. One fascinating question is whether establishment of such associations requires the common symbiosis (Sym) genes that are essential for infection of plant cells by mycorrhizal fungi and rhizobia in legumes. Here, we demonstrated that the common Sym genes are not required for endophytic colonization of rice roots by nitrogen-fixing rhizobia.     

广西葛根内生细菌的分离鉴定及其促生特性

【背景】植物内生菌长期与宿主共生,对宿主生长发育产生影响。葛根作为重要的药食两用作物,葛根内生菌的研究具有重要实践意义。【目的】对广西葛根根部内生细菌进行分离、鉴定及促植物生长特性分析,旨在了解该药食同源植物内生细菌种群结构及其促生特性,为分析内生菌群体在药食同源植物产量和品质形成的作用及其内生细菌资源的开发利用提供参考。【方法】采用6种不同的培养基从广西葛根的根瘤、根系和根愈伤组织分离内生细菌,16S rRNA基因测序和系统发育分析内生细菌的分布特征和遗传多样性,采用生理生化方法测定分离菌株的固氮活性、溶磷特性、产生嗜铁素、分泌吲哚乙酸(indole-3-aceticacid,IAA)等促生特性。【结果】从葛根根瘤、根系和根部愈伤组织中共分离得到223个菌株,16S rRNA基因测序鉴定这些菌株隶属于2门4纲10科19属,其中芽孢杆菌属、假单胞菌属、土壤杆菌属、肠杆菌属为葛根优势菌群;内生细菌数量和群落组成存在明显的组织特异性,其数量表现为根瘤>根系>根愈伤组织,但其种群多样性表现为根愈伤组织>根系>根瘤。不同培养基分离出的细菌种群丰富度有差异。从供试菌株中筛...     

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．     

Burkholderia vietnamiensis Isolated from Root Tissues of Nipa Palm (Nypa fruticans) in Sarawak,Malaysia, Proved to Be Its Major Endophytic Nitrogen-Fixing Bacterium

Root-associating bacteria of the nipa palm (Nypa fruticans), preferring brackish-water affected mud in Sarawak, Malaysia, were investigated. In a comparison of rhizobacterial microbiota between the nipa and the sago (Metroxylon sagu) palm, it was found that the nipa palm possessed a group of Burkholderia vietnamiensis as its main active nitrogen-fixing endophytic bacterium. Acetylene reduction by the various isolates of B. vietnamiensis was constant (44 to 68 nmol h^?1 in ethylene production rate) in soft gel medium containing 0.2% sucrose as sole carbon source, and the bacterium also showed motility and biofilm-forming capacity. This is the first report of endophytic nitrogen-fixing bacteria from nipa palm.     

固氮蓝细菌束毛藻生物固氮策略研究进展

固氮蓝细菌束毛藻(Tricodesmium)是海洋中丰度最高的固氮微生物,贡献了约42%的海洋生物固氮,为海洋生态系统提供了新的氮源,驱动海洋初级生产力和食物网,在海洋生物地球化学循环中发挥重要作用。作为海洋中“新氮”主要贡献者,束毛藻是一种不产生异形胞的丝状固氮蓝细菌。因为生物固氮的关键酶固氮酶对氧气十分敏感,一般固氮蓝细菌通常产生异形胞或采用夜间固氮的方式进行生物固氮,避免氧气对固氮酶的抑制作用。近年来研究发现,束毛藻具有一套独特的生物固氮体系,能够使同一藻丝在白天同时完成光合作用和生物固氮,并具有复杂的调控机制。本文综述了近年来束毛藻生物固氮策略的最新研究进展,介绍了其生物固氮和光合作用之间的精密调控机制,对拓展固氮微生物尤其是海洋蓝细菌固氮机制的认识具有借鉴意义。     

Biological nitrogen fixation in non-leguminous field crops: Facilitating the evolution of an effective association between Azospirillum and wheat

Recent advances towards achieving significant nitrogen fixation by diazotrophs in symbioses with cereals are reviewed, referring to the literature on the evolution of effective symbioses involving rhizobia and Frankia as microsymbionts. Data indicating that strains of Acetobacter and Herbaspirillum colonizing specific cultivars of sugarcane as endophytes make a significant contribution to the nitrogen economy of this crop improves the prospects that similar associative systems may be developed for other gramineous species such as rice and wheat. By contrast, the transfer of nodulation genes similar to those in legumes or Parasponia to achieve nodulation in crops like rice and wheat is considered to be a more ambitious and distant goal. Progress in developing an effective associative system for cereals has been materially assisted by the development of genetic tools based on the application of lacZ and gusA fusions with the promoters of genes associated with nitrogen fixation. These reporter genes have provided clear evidence that crack-entry at the points of emergence of lateral roots or of 2,4-D induced para-nodules is the most significant route of endophytic colonization. Furthermore, using the laboratory model of para-nodulated wheat, there is now evidence that the ability of azospirilla and other nitrogen fixing bacteria to colonize extensively as endophytes can be genetically controlled. The most successful strain of Azospirillum brasilense (Sp7-S) for endophytic colonization and nitrogen fixation in wheat seedlings is a mutant with reduced exopolysaccharide production. Most other strains of azospirilla do not colonize as endophytes and it is concluded that though these are poorly adapted to providing nitrogen for the host plant, they are well adapted for survival and persistence in soil. A research program combining the study of endophytic colonization by azospirilla with an examination of the factors controlling the effectiveness of association (oxygen tolerance and nitrogen transfer) is now being pursued. It is proposed that a process of facilitated evolution of para-nodulated wheat involving the stepwise genetic improvement of both the prospective microsymbionts and the cereal host will eventually lead to effective nitrogen-fixing associations. In the attempt to achieve this goal, continued study of the endophytes occurring naturally in sugar cane and other grasses (e.g. Azoarcus sp.) should be of assistance.