非共生生物固氮微生物分子生态学研究进展

氮是限制生态系统生产力的主要元素,生物固氮是自然生态系统中氮的主要来源.生物固氮包括共生、联合和自生固氮3种类型,其中联合固氮和自生固氮统称为非共生固氮.相对于共生固氮而言,非共生固氮速率虽然较低,但其不需要与其他生物形成共生体系就可以生存并进行固氮,在时空分布上更加广泛,因此对生态系统氮循环特别是素输入具有重要贡献.本文对近年有关非共生固氮微生物的多样性、土壤和叶际固氮微生物的分布特征及影响因素等研究进展进行了综述,并在此基础上阐述了现有研究中存在的问题和发展前景.     

海草床生态系统固氮微生物研究现状与展望

海草床生态系统是三大典型海洋生态系统之一,具有较高的生产力水平和十分重要的生态意义,其海草附着物中包括许多固氮微生物,通过生物固氮提供该生态系统"新"氮源,在一定程度上缓解了氮对初级生产力的限制.通过对近些年来固氮活性的测定方法、固氮群落组成以及影响因素等的研究进展进行了综合分析,较全面地分析了海草床生态系统的固氮微生物研究现状,并在次基础上对海草床固氮微生物的系统研究进行了展望.     

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。     

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。     

用乙炔还原法测定满江红的固氮活性

满江红[Azolla tmbricata(Roxb.)Nakai]属水生蕨类植物。满江红叶背的空腔和叶芽中,共生着大量的固氮蓝藻——满江红鱼腥藻(Anabaenaazolla Strasb.),因而它具有固氮能力。对于满江红固氮量,以往采用无氮培养,用凯氏定氮法进行分析测定。此法操作烦琐,需用时间较长。自1966年发现乙炔能代替分子氮作为生物固氮的底物,并证明这种还原能力与分子氮的还原有平行关系以来,快速、灵敏的气相层析法在国内外生物固氮的研究中得到广泛运用。本研     

火烧对内蒙古草原中坚韧胶衣固氮活性的影响

 坚韧胶衣(Collema tenax)是干旱和半干旱草原中常见的一种固氮地衣, 是草原生态系统中生物土壤结皮(Biological soil crust)的 主要组成部分, 对生态系统氮循环具有重要的影响。火烧作为一种干扰因子, 是草原生态系统结构和功能维持的重要因素之一。该文采用乙炔 还原法(Acetylene reduction assay), 研究了火烧对内蒙古草原生态系统中坚韧胶衣固氮活性的短期影响。结果表明, 在个体尺度上, 与对照 相比, 火烧区中地衣体烧损的坚韧胶衣固氮活性降低了42.3%, 而无烧损的个体固氮活性则升高了28.4%。这表明火烧对坚韧胶衣的固氮功能在 个体尺度上具有双重影响: 1)通过烧损地衣体、恶化地表温度和水分条件, 而抑制个体的固氮活性; 2)通过改善光照条件, 使表土养分呈现脉 冲式增高, 而促进未烧损个体的固氮活性。在种群尺度上, 火烧与对照之间固氮活性并无显著差异, 这可能是由于火烧在个体尺度上对坚韧胶 衣的固氮活性的双重影响相互抵消所致。     

矿质养分输入对森林生物固氮的影响

生物固氮是森林生态系统重要的氮素来源,并且在全球氮循环中占有重要的地位。近代以来,因人类活动加剧而导致氮沉降的增加以及其它矿质养分元素(如磷、钼、铁等)输入的改变已成为影响森林生态系统生物固氮的重要因素之一,并引起了学术界的普遍关注。综述了国内外关于森林生物固氮对矿质养分输入的响应及机理。主要内容包括:(1)森林生物固氮的概念及主要的测定方法;(2)矿质养分输入对森林生物固氮的影响。整体上讲,氮素输入抑制了森林生物固氮,磷和其他营养元素输入则表现为促进作用。氮和磷、磷和微量元素同时添加均提高了森林的固氮量;(3)矿质养分改变森林生物固氮的机理。包括生物作用机制(如改变地表层固氮菌的数量或群落丰度、改变结瘤植物的根瘤生物量和附生植物的丰度或盖度)和环境作用机制(如引起土壤酸化、改变碳源物质的含量);(4)探讨了矿质养分输入对森林生物固氮影响研究中所存在的问题,并对未来该领域的研究提出建议。     

群落/生态系统功能多样性研究方法及展望

功能多样性是指影响群落/生态系统功能的物种性状值和范围,是解释和预测生态系统结构和功能的有效手段之一,可将植物个体尺度与群落尺度和生态系统尺度的相关生态学问题联系起来。虽已发展出多种功能多样性定量化研究方法,但不同方法结果差异较大,难以进行多研究间的比较研究。比较探讨各功能多样性研究方法的优缺点有利于拓展功能多样性内涵,也有助于功能生态学的应用与发展。回顾了当前10种功能多样性的定量化研究方法,并指出选取合适功能多样性方法的关键在于,应考虑选取群落/生态系统中的哪些物种、哪些功能性状、选取的功能性状数目、以及如何对功能性状权重等。对比发现,功能分散性指数和Rao二次熵系数的研究方法在众多方法中优势明显,具有较高的应用潜力;标准化功能多样性的研究方法在未来仍需进一步完善。利用功能多样性指数预测群落/生态系统过程和功能当前仍多侧重于理论研究,野外实证研究较为缺乏,是功能生态学未来研究的重点和难点之一。     

海洋生物固氮研究进展

海洋生物固氮因可以支持初级生产所需的氮而在全球碳氮循环中具有重要作用。从二十世纪九十年代分子生物学和15N2同位素示踪法应用于固氮研究领域以来, 逐渐发现了单细胞固氮蓝藻和异养固氮细菌的重要性, 是近年来海洋固氮研究领域的最大进展之一, 表明以前基于束毛藻为主要固氮生物估算的固氮量可能低估了生物固氮在全球海洋生物地球化学循环中的地位。另一方面, 传统的海洋生物固氮研究仅局限于热带亚热带的寡营养盐区域, 对高营养盐区域如上升流、河口等高营养盐区域较少关注, 因此有必要对这些区域的生物固氮进行重新评估和再认识。综述了国际固氮研究的最近进展, 主要包括固氮生物多样性及分布特征、生物固氮的限制性因素、研究方法以及存在的问题。同时综述了南海生物固氮方面的最新进展和问题。     

氮沉降对土壤线虫群落影响的研究进展

综述了主要陆地生态系统(草原、农田和森林)土壤线虫群落对氮沉降增加的响应格局和机制。总体上,氮沉降增加对线虫数量一般无显著影响,但增加了土壤中富集机会主义者(即低营养级的r-策略者)数量,降低了线虫群落成熟度指数(MI),表明氮沉降增加可能会使土壤食物网简化。氮沉降增加主要通过改变土壤微环境(如增加含氮离子浓度、降低土壤pH)直接影响土壤线虫群落,或者改变植物地上地下资源的输入和线虫与其他土壤动物的关系,间接影响线虫群落。最后,根据目前研究现状,指出了当前研究存在的局限性,包括研究时间和空间尺度上以及研究技术手段上的局限。建议综合多个全球环境变化因子,并结合室内试验及分子手段的方法对土壤线虫群落进行研究。     

小麦-甘薯轮作长期增施有机肥对碱性土壤固氮菌群落结构及多样性的影响

生物固氮为农业生态系统提供天然的氮素来源,探究长期增施有机肥对土壤固氮菌群落的影响,为合理增施有机肥和维持土壤固氮微生物群落多样性提供科学依据。选取小麦-甘薯轮作中连续37a不施肥对照(CK)、单施化肥(NPK)、化肥+有机肥(NPKM)处理的甘薯季碱性土壤样品为研究对象。采用Illumina MiSeq高通量测序技术,研究土壤固氮菌群落的组成、多样性及其与土壤特性的关系。结果表明:与对照和单施化肥相比,长期增施有机肥降低土壤固氮菌群落丰富度和多样性,且丰富度与土壤pH显著正相关,与有机碳、全氮和有效养分(硝态氮、有效磷和速效钾)显著负相关。主坐标分析表明长期施肥显著改变土壤固氮菌群落结构,与对照相比,增施有机肥比单施化肥对固氮菌群落结构的影响更大。冗余分析表明土壤有机碳和速效钾是影响固氮菌群落结构改变最主要的因素。长期增施有机肥显著降低变形菌门、蓝藻菌门、Beta-变形菌和固氮弧菌属的相对丰度,显著增加硝化螺旋菌门、酸杆菌门和硝化螺菌属的相对丰度,这与土壤pH、有机碳和有效养分显著相关。因此,在碱性土壤上长期增施有机肥对固氮菌群落结构的改变更大,对群落多样性的抑制作用更强。     

生物固氮研究现状和趋势

研究生物固氮已有100年历史,自从1888年发现固氮生物以来,在固氮生态,生理、生化以及近年来迅速发展的分子遗传研究等方面做了很多工作。生物固氮研究,在近20年,几乎是发达国家的重要研究项目,不少发展中国家也给予重视,并积极开展研究。从七十年代中期召开第一次国际生物固氮会议,至今有七次。为了纪念发现固氮生物的德国科学家起见,1988年3月在西德科隆大学,暨该校成立600周年之际,召开了第七届国际生物固氮会议,有43个国家和地区的617名科学家参加。会议回顾了历史,展现了生物固氮研究现状和发展趋势。     

乙炔还原法测定固氮作用的限制因素

乙炔还原法测定固氮作用的限制因素樊惠（中国农业科学院土壤肥料研究所,北京１０００８１）测定固氮生物固氮量的直接方法主要有全氮法、Ｎ￣（１５）示踪法。前者曾在生物固氮早期的研究中成功地被应用,但其灵敏空较低。后者是固氮量测定的准确、可靠的方法;但由于费...     

内蒙古典型草原的生物量与生产力

氮素是植物生长和作物高产的限制因素。氮素来源主要是生物固氮和化学固氮。生物固氮是地球表面氮素的主要来源。在生物固氮中,目前最有效的还是豆科根瘤菌固氮。但近年来,禾本科植物根系与固氮菌的联合固氮作用引起了人们的广泛重视。联合固氮是自生固氮和共生固氮体系的中间类型,固氮细菌与相应联合植物之间具有较密切的相互影响,但又不象形成根瘤那样具有共生结构。这种联合固氮作用在自然界中广泛存在,各种作物,热带和亚热带牧草的根际和根表均有联合固氮菌存在,它们能提供土壤氮素。经测定水稻根际每个生长季非藻类的生物固氮量达25—30     

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.     

15N同位素稀释法评估甘蔗的生物固氮量

为评估甘蔗生物固氮量,采用15N同位素稀释法,以木薯为参比植物,进行温室桶栽试验.结果表明:甘蔗全生育期植株固氮11.3514％ Ndfa,固氮量每桶0.9269 g.甘蔗根、茎、叶的固氮百分率和固氮量大小依序为叶＞茎＞根.叶的固氮百分率(13.2668％ Ndfa)略高于植株,但两者差异不显著.甘蔗植株全氮量中来自空气氮(生物固氮)、肥料氮和土壤氮的比例分别为11.3514％、7.6857％、80.9629％.甘蔗的氮肥利用率为58.7583％.甘蔗根、茎、叶各部位均有固氮现象,生产上可以用叶代替植株来评估甘蔗的生物固氮量.     

土壤氮磷添加下豆科草本植物生物固氮与磷获取策略的权衡机制

豆科草本植物固氮是陆地生态系统重要的自然氮输入方式, 影响着草地生产的经济性和可持续性。为探讨氮磷交互作用影响豆科草本植物生物固氮率的潜在生理生态机制, 该研究选取8种豆科草本植物分别种植在对照、氮肥添加、磷肥添加和氮磷耦合添加处理的土壤中, 进行野外盆栽实验。测定了初花期植物生物量和营养含量、根部碳水化合物含量、根际pH、根际柠檬酸含量、根际有效磷含量、植物根瘤生物量、磷含量及其生物固氮率。主要结果: 依赖于豆科物种, 氮添加显著促进了豆科草本植物根际磷的活化, 降低了根生物量分配以及根系非结构性碳水化合物含量。在两种磷添加处理下, 氮添加导致8种豆科草本植物根瘤生物量平均下降27%-36%, 生物固氮率平均下降20%-33%。磷添加降低了根际的磷活化, 但促进了豆科草本植物根系发育和非结构性碳水化合物的积累。在施氮和不施氮条件下, 磷添加分别使8种豆科草本植物的生物固氮率提高了45%-69%和0-47%。氮添加降低豆科草本植物生物固氮率, 其原因是氮添加提高了植物磷需求, 为活化更多磷, 豆科草本植物降低根系生物量和根系非结构性碳水化合物的含量, 导致根瘤发育受到限制。在氮添加的同时进行磷添加, 能够改善土壤氮磷平衡, 促进根系生长和非结构性碳水化合物积累, 缓解了增氮对生物固氮的抑制作用。     

禾谷类作物与微生物联合共生固氮作用的研究

生物固氮作用对农业生产的重要意义是众所周知的。近十年来,在生物固氮研究的各个方面都有许多重要的进展。细菌与植物联合固氮作用的发现,为非豆科植物扩大利用生物固氮的前景开辟了一条新的途径。联台固氮体系是介于自生固氮体系与共生固氮体系的中间类型。固氮细菌与相应联合的植物之间具有较密切的相互影响,但是它们又不像根瘤菌与豆科植物那样形成特异的共生构造一根瘤。这种固氮     

人工诱导根瘤菌与非豆科植物结瘤共生的研究

生物固氮方式中以豆科植物和根瘤菌的共生固氮体系最为有效,目前仍以此作为主要研究模型。     

外源供氮水平对大豆生物固氮效率的影响

采用稳定性同位素15N自然丰度(15N natural abundance)技术,以小麦为参照植物,研究了盆栽条件下,在外源供氮0、0.8、2.0、4.0 mmol·L-1水平下大豆的生物固氮百分率以及生物固氮数量对植物氮的贡献.结果显示:(1)0～2.0 mmol·L-1外源供氮可显著提高大豆的生物量和固氮百分率,且于2.0 mmol·L-1处理下地上生物量最高,达104 g·m-2,比CK增加了48%;(2)在0.8 mmol·L-1的供氮水平下大豆生物固氮量最高,为1.318 g·m-2,占大豆植株总吸氮量的70.4%,而在4.0 mmol·L-1供氮水平下生物固氮量仅占植株总吸氮量的44%;随供氮水平的升高,大豆生物固氮量占总吸氮量的比重下降,说明在高水平外源氮下,大豆生物固氮能力受到抑制;(3)大豆生物固氮百分率、固氮数量及吸氮数量与地上生物量间均呈显著正相关关系.结果表明,应用稳定性15N同位素技术可以定量大豆的生物固氮效率,根瘤菌接种配合低浓度外源氮有利于大豆生物固氮潜能的释放,对提高大豆产量、减少化肥投入有积极的指导意义.