共生固氮体系中的豆科植物基因

豆科根瘤菌发现的近百年历史以来,共生固氮作用一直受到人们的瞩目。近廿几年来对根痛瘤—豆科植物共生体的研究进展迅速,对共生体中根瘤菌本身的固氮基因(nif)和结瘤基因的编码、定位等有了较深入的了解。然而,共生体系中基因的调控是比较复杂的,环境因素和寄生植物基因对共生固氮的调控也起着重要作用。人们对豆科寄主结瘤和固氮遗传进行了一系列研究,并力图选育高固氮的豆科品种资源。本文仅就豆科植物—根瘤菌共生固氮体系中寄主植物基因及它在共生固氮体系研究中的作用和意义作简要的概述。     

根瘤菌共生固氮能力的进化模式

根瘤菌-豆科植物共生固氮体系对农业的可持续性发展至关重要,也是研究原核与真核生物互利共生的模式体系之一。长期以来,根瘤菌共生固氮相关研究主要集中在结瘤因子与固氮酶合成及调控等少数关键基因,但仅获得这些关键基因却不能保证细菌获得结瘤固氮能力。随着比较和功能基因组学的快速发展和应用,越来越多的研究发现根瘤菌使用了很多系统发育分支特异的遗传机制与豆科植物建立有效的共生关系,进一步揭示了双方互利共生的复杂性。本综述总结了近年来比较基因组学、遗传学以及实验进化等方面的相关研究进展,在此基础上讨论根瘤菌共生固氮能力的进化模式。     

豆科植物早期共生信号转导的研究进展

豆科植物与根瘤菌建立特异的共生关系,在寄主根部产生固氮根瘤。此过程包含了共生信号识别与传递、根瘤菌侵染、根瘤形成以及固氮功能实现等生物学事件。研究人员已经从2种豆科模式植物蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）和百脉根（Lotus japonicus）的共生固氮体系中,筛选到许多与根瘤菌共生相关的突变体及其相对应的功能基因,建立起包含结瘤因子识别、共生信号传递和转录响应在内的早期共生信号途径。该文对豆科植物早期共生信号途径的新进展进行了综述。     

豆科植物早期共生信号转导的研究进展北大核心CSCD

豆科植物与根瘤菌建立特异的共生关系,在寄主根部产生固氮根瘤。此过程包含了共生信号识别与传递、根瘤菌侵染、根瘤形成以及固氮功能实现等生物学事件。研究人员已经从2种豆科模式植物蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)和百脉根(Lotus japonicus)的共生固氮体系中,筛选到许多与根瘤菌共生相关的突变体及其相对应的功能基因,建立起包含结瘤因子识别、共生信号传递和转录响应在内的早期共生信号途径。该文对豆科植物早期共生信号途径的新进展进行了综述。     

非豆科植物固氮研究概况

由于氮素化肥能源耗费和环境污染问题的日趋严重,人们逐渐认识到农林业生产完全依赖化肥终非良策,于是生物固氮研究日益受到世界各国的重视。豆科植物有与根瘤菌天然结瘤固氮的能力。长期以来人们一直希望非豆科植物也能结瘤固氮,以减少对化肥的依赖。对于人工诱导非豆科作物结瘤固氮的研究,国内外开展的研究工作较多。早在30年代初至60年代中期（1933－1967年）,许多学者就试验用离体的豆科植物根、愈伤组织和细胞培养物与相应的根瘤菌联合培养,以探索二者在体外共生的可能。但限于当时的技术条件,在30多年内一直未能证明根瘤菌能在…     

豆科植物—根瘤菌共生固氮的基因调控和转移

豆科植物-根瘤菌共生固氮是由寄主与细菌双方基因共同参与完成的,在相互基因调控中形成特导的结构—根瘤。参与根瘤菌固氮(nif基因)和结瘤(nod基因)的基因已被克隆和分析。     

苜蓿根瘤菌专一性研究与应用

苜蓿根瘤菌（Rhizobium meliloti或称Sinorhizobium metliloti）专一性及应用研究取得新进展。该菌与豆科植物（苜蓿）建立共生关系而成为独立的“苜蓿根瘤菌互接种族”，一般说表现其严格的寄主专一性，也就是说，该族根瘤菌不侵染其它豆科植物结瘤固氮，对这方面基础研究在国内不多见有关报道；然而对其实际应用研究颇为活跃，它与苜蓿建立共生固氮关系已应用于农业实践，有益于发展饲料业、养殖业；同时有益于农业如改造盐碱地等。据报道，这种共生体有很好耐盐碱、抗干旱能力。     

几种生态因素对西北干旱地区豆科植物结瘤固氮的影响

通过对西北干旱地区栽培和野生豆科植物不同环境条件固氮状况的调查表明,栽培豆科植物一般能自然结瘤,野生豆科植物种的结瘤率极低。根瘤颜色栽培植物多为粉红色,而野生植物多为白色、黄色或棕色。通过对水分、光照强度和温度等不同条件下根瘤ARA测定,表明根瘤固氮活性与生态条件关系密切,而土壤水分是限制根瘤固氮活性表达的主要因素。     

新疆干旱区豆科植物结瘤的固氮特性

调查了新疆干旱区72种豆科植物的结瘤固氮活性,其中33种尚未见报道。这些植物所结根瘤在外形上多数不规则,以皮层厚和白色、棕色者居多,与非干旱区的根瘤形态显著不同。根瘤固氮活力相差较大,但比一般豆科植物根瘤活性高,最高者可达当地大豆根瘤的42倍。根瘤活性与宿主的抗逆境能力有关。此外,从11种豆科植物根瘤观察到10种具有吸氢活性。对干旱区豆科共生固氮生理生态的特性进行了讨论。     

豆科植物共生结瘤的分子基础和调控研究进展

豆科植物与根瘤菌共生互作的结果导致了一个新的植物器官――根瘤的形成, 根瘤菌生活在根瘤中, 它们具有将氮气转化为能被植物同化的氨的能力。该文阐述了根瘤的形成过程和类型, 并主要以模式豆科植物蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)和日本百脉根(Lotus japonicus)为例, 对近年来共生结瘤过程中宿主植物对根瘤菌结瘤因子的识别和信号传递、侵入线形成和固氮的分子基础, 以及宿主植物对根瘤形成的自主调控机制、环境中氮素营养对结瘤的影响研究进行了综述, 指出当前豆科植物与根瘤菌共生互作研究存在的问题, 并对今后的研究方向作了分析与展望。     

陕西及甘,宁部分地区豆科植物根瘤菌资源调查

通过对陕西全省及甘、宁部分地区豆科植物瘤菌资源进行调查,共采集到４４属１０９种豆科植物根瘤３８７份,其中蝶形花亚科中有９４．６％的植株能结瘤固氮,槐属和香槐属中的一些种及云实亚科中的云实和紫荆未见结瘤。对部分菌株的固氮酶活性进行了测定,自然瘤的固氮酶活性比回接瘤的固氮酶活性低。     

载有苜蓿根瘤菌巨型质粒的豇豆根瘤菌侵染苜蓿根瘟的形态

生物固氮的过程是把大气氮素还原为氨,为植物生长提供有效的氮素营养。在共生固氮过程中,根瘤菌与豆科植物共生有着较为严格的宿主专性关系,如苜蓿根瘤菌只诱导苜蓿植物结瘤固氮,豌豆根瘤菌只诱导豌豆植物结瘤固氮。     

环境因子对豆科共生固氮影响的研究进展

环境因子的限制一直是豆科植物一根瘤菌共生固氮体系没有在农业生产中充分发挥作用的重要原因之一。目前,研究涉及的环境因子主要行水分、矿质营养元素、温度、重金属、钠盐、CO2、土壤类型以及pH等。水分胁迫会导致豆科植物根瘤减少和固氮效率低下;矿质元素方面,除氮磷钾外,微量死素对固氮影响也很明显;不适的温度会对豆科植物的结瘤固氮产生一定的限制;重金属能从不同方面直接和间接地影响共生同氮,寻找适合作尾矿先锋植物的豆科植物是当前的一个研究热点。本文除详细阐述了这方面开展的研究以外,还浅析了这方而研究目前国内外存在的一些主要问题和发展趋势。     

一氧化氮对豆科植物结瘤及固氮的影响机制

豆科植物-根瘤菌共生过程受双方基因复杂且精细的调控, 能够产生特异的根瘤结构并可将大气中的惰性氮气(N₂)转化为可被植物直接利用的氨态氮。结瘤与固氮受多种因素影响, 其中, 一氧化氮(NO)作为一种自由基反应性气体信号分子, 可参与调节植物的许多生长发育过程, 如植物的呼吸、光形态建成、种子萌发、组织和器官发育、衰老以及响应各种生物及非生物胁迫。在豆科植物中, NO不仅影响寄主与菌共生关系的建立, 还参与调控根瘤菌对氮气的固定并提高植株氮素营养利用效率。该文主要从豆科植物及共生菌内NO的产生、降解及其对结瘤、共生固氮的影响和对环境胁迫的响应, 阐述了NO调控豆科植物共生体系中根瘤形成和共生固氮过程的作用机制, 展望了NO信号分子在豆科植物共生固氮体系中的研究前景。     

辽宁省豆科结瘤植物及其根瘤菌资源调查

豆科植物作为一种共生固氮植物 ,能与根瘤菌共生结瘤固定大气中的氮素 ,因此受到科学家的广泛关注 ,并对其开展了多方面的研究工作。在固氮机理 ,共生代谢及固氮菌遗传学方面都取得了重要的进展。但是 ,已经被研究的与根瘤菌具有共生关系的豆科植物还不足自然界中已知豆科植物种类的 0 5% [1 ] ,因此 ,豆科结瘤植物及其根瘤菌资源的调查研究工作更显得尤为重要。辽宁省是我国豆科植物种类较为丰富地区之一[2～6] ,而且均为我国主要的经济作物 ,如大豆、菜豆、豇豆、落花生等。多年来人们在不断地利用这些豆科植物资源造福于人类。但是 ,对…     

豆科植物SHR-SCR模块——根瘤“奠基细胞”的命运推手

豆科植物-根瘤菌共生固氮是可持续性农业氮肥的最重要来源。根瘤作为豆科植物共生固氮的一种特化植物侧生器官, 提供了根瘤菌生物固氮必需的微环境, 是根瘤菌的安身之本, 因此, 根瘤的正常发育是实现豆科植物-根瘤菌共生固氮的结构基础。根瘤器官的从头发生主要起始于根瘤菌诱导的根皮层细胞分裂。通常认为豆科植物的根皮层具备有别于非豆科植物根皮层的某种特异属性, 从而响应根瘤菌并与之建立固氮共生, 但长期以来该属性决定的分子机制一直不明确。近日, 中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛团队以蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)等豆科植物和拟南芥(Arabidopsis thaliana)等非豆科植物为研究对象, 发现豆科植物中保守的SHR-SCR干细胞模块决定了其皮层细胞分裂潜能从而赋予根瘤器官发生的命运。该研究揭示了豆科植物根瘤发育的全新机制, 提供了研究和理解植物-根瘤菌固氮共生进化的重要线索, 对提高豆科作物固氮效率和非豆科作物固氮工程具有重要意义。     

高氮抑制豆科植物结瘤固氮机制研究进展

豆科植物通过与根瘤菌共生,形成根瘤并进行生物固氮。豆科植物的结瘤固氮作用在农业上具有减肥增效、改良土壤等重大意义。然而,高氮会抑制豆科植物结瘤固氮,形成"氮阻遏"效应。着重论述了高氮抑制豆科植物结瘤的分子机制,包括氮素通过结瘤自调控AON(Autoregulation of nodulation)信号、NLP(NIN-like protein)转录因子、植物激素信号等途径抑制根瘤数目和发育的最新进展;并探讨了高氮抑制根瘤固氮活性的假说及争议,包括亚硝酸盐毒性和碳饥饿等,以期为提高豆科植物应对"氮阻遏"效应提供理论基础。     

非豆科固氮树种-沙棘与微生物联合共生体的纯培养研究

Ｆｒａｎｋｉａ 非豆科树木共生固氮体系是自然界中重要的固氮生物资源 ,具有与Ｒｈｉｚｏｂｉｕｍ 豆科植物相似的固氮能力 ,在自然界能量循环和生态平衡中起着重要作用 ,而且与形成共生固氮的非豆科植物其抗逆性强 ,耐干旱、盐碱 ,抗高寒、瘠薄 ,能在一般豆科植物不能生长的环境下正常生长结瘤固氮。非豆科固氮树种 沙棘是三北地区重要垦荒先锋树种1) ,其果实富含多种维生素 ,具有重要的经济开发价值。同时 ,沙棘又是具有内生菌根真菌的固氮树种[1] 。本文通过对沙棘菌根、根瘤联合共生体人工构建技术以及沙棘联合共生的增效作用的研究 ,…     

沙棘属植物弗兰克氏菌研究进展

弗兰克氏菌(Frankia spp.)能够与沙棘等非豆科植物形成根瘤进行共生固氮,其固氮效率远远高于豆科植物根瘤菌,与沙棘共生的弗兰克氏菌还能够促进沙棘对旱寒等各种不同生境的适应性,是自然界一类具有开发潜力的放线菌资源。为了更好地开发利用弗兰克氏菌资源,推进弗兰克氏菌分类鉴定工作,加强弗兰克氏菌与寄主植物共生结瘤固氮的机制研究,促使弗兰克氏菌在农业生产中得到尽快应用,本文简要介绍沙棘属(Hippophae L.)物种多样性、结瘤状况与分布特点、沙棘根瘤形态结构与功能、弗兰克氏菌物种多样性与分布特征,讨论弗兰克氏菌的结瘤机制、生理生态效应与作用机制以及影响沙棘属植物与弗兰克氏菌共生的主要因子,以期为进一步开展沙棘属植物弗兰克氏菌的系统研究提供有价值的参考。     

新疆干旱地区根瘤菌资源研究I．根瘤菌种类及其共生固氮作用

从新疆不同生态条件下生长的31属109种豆科植物根瘤分离获得373株根瘤菌,其中88株是从未报道过结瘤情况的39种豆科植物根瘤分离获得。它们与豆科寄主植物共生结瘤,95％以上为有效根瘤。不同种的根瘤固氮活性差异较大,黄芪属根瘤固氮活性较高,最高者为大豆根瘤固氮活性的42倍。 20属37种豆科植物根瘤中97％有吸氢活性。根瘤固氮活性、吸氢活性均与寄主植物生长发育期有相关性。