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.     

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。     

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。     

海岸带地区的固氮、氨化、硝化与反硝化特征

海岸带是海洋环境中受人类活动影响最大、生物地球化学循环最为活跃的地区。这一地区氮的生物地球化学循环包括 :生物固氮、有机氮的氨化、氮的硝化、反硝化等 4个主要过程。概括性地介绍了有关这四个过程的发生机制、环境影响因素及研究方法等方面的研究动态、进展、存在的科学问题与今后的研究方向。过去十几年来 ,固氮主要集中在对束毛藻属的研究上 ,其间有两个重要发现 ,一是生物固氮在海洋氮循环中的作用远比人们以前的想象要重要得多 ;二是蓝细菌已经在海洋中存在了 2 0亿年 ,它们有可能调节大气中的 CO2 ,进而影响全球气候。由于有机物的结构千差万别 ,含氮有机物的氨化过程可能是一个简单的矿化反应 ,也有可能是一系列复杂的代谢过程 ,在水解酶的作用下含氮有机物降解为下一级化合物。硝化过程分两步进行 ,氨的硝化为反硝化细菌提供了重要的硝酸盐来源 ,通常采用同位素方法来研究硝化过程。发生在沉积物中的反硝化过程是氮循环的关键步骤 ,反硝化过程一方面减少了海水中初级生产者可利用的氮 ,另一方面产生了终结产物 N2 和 N2 O,而 N2 O是一种温室气体 ,可能影响全球气候变化     

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。     

海洋固氮微生物与环境因子关系综述

海洋微生物的固氮作用是海洋氮素循环中一个关键的环节,对海洋生态系统的氮素供给和初级生产力的提高有着重要的意义。本文从海洋生物固氮的研究历史着手,详述了海洋固氮微生物的多样性及固氮活性研究方法,同时从环境因子的角度,总结了CO2浓度、季节变化、营养盐浓度、污染物及生物物种等环境因子对固氮微生物固氮活性的影响,并对海洋固氮微生物的研究前景进行了展望。     

生物固氮与有效氮的关系:从分子到群落

在当前全球生态系统人为氮素投入激增的背景下,明确生物固氮与有效氮的关系对生态系统氮收支的估算及施肥策略的优化等具有重要的指导意义。本文综述了关于有效氮在分子、个体和群落尺度对生物固氮影响的研究,并对3个尺度的研究进行了比较。我们发现,当前分子、个体尺度的相关研究更为系统,但严重受限于固氮菌的培养;群落尺度的研究虽采用非培养技术开展,研究效率相对更高,但针对固氮基因表达的研究却十分匮乏,研究体系急待完善。据此,未来的研究应更多地关注有效氮在群落尺度对固氮基因表达的调控,并着重于完善群落尺度生物固氮的研究体系。     

海洋固氮生物多样性及其对海洋生产力的氮、碳贡献

固氮生物及其共生体在自然生态系统的氮素供给和生产力的持续发展中有重要作用。是贫营养盐海域和海洋生态系统中新生产力的主要贡献者。就海洋固氮生物研究的历史和现状,以及在世界不同海域和海洋生态环境条件下,海洋固氮生物的物种多样性和在海洋生态环境中的生存方式、共生互作关系多样化,作较全面的概述。综合分析了海洋固氮生物的固氮能力（活性）、在光合固碳中的作用和对初级生产力的贡献。介绍了固氮生物在海洋生物链和海洋不同生态系统和生物群落中的作用及其对环境的影响的最新研究概况。     

植物固氮细胞器的合成生物学研究

随着合成生物学的兴起,历史悠久的生物固氮研究领域迎来了新的发展机遇。合成生物学的原理和技术引入固氮生物学以后,诞生了固氮合成生物学的新兴交叉学科。共生固氮是生物固氮三种形式中效率最高的一种。在共生固氮体系中,固氮细菌以细胞器的面目出现在宿主植物细胞质中,利用微氧和物质能量充足的有利条件,进行较为稳定长久的固氮反应。但是,共生固氮作用的局限性在于宿主专一性,即共生固氮细菌难以在绝大多数经济作物上完成侵染和固氮作用。因此,固氮合成生物学面临的一个重要挑战是如何突破固氮细菌的宿主专一性,实现主要经济作物共生或者自主固氮。为了解决这一难题,国内外的研究者通过艰难地探索取得了良好的研究进展。本文将就固氮合成生物学的一些主要进展和面临的问题作一简要综述。     

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.     

单细胞稳定同位素标记技术在固氮微生物中的应用研究

生物固氮是指固氮微生物将大气中氮气还原为生物可利用氨的过程,是环境中新氮的主要来源,调控初级生产力并影响氮储库的收支平衡。由于环境中大部分固氮微生物不可纯培养,不依赖培养且具有高空间分辨率水平的单细胞技术,成为研究固氮微生物的有力手段。~(15)N_2稳定同位素标记技术,以微生物对~(15)N的同化量或速率为依据,是表征微生物固氮活性的最直接手段。本文对~(15)N_2稳定同位素标记结合两种单细胞技术,即纳米二次离子质谱(Nano SIMS)和单细胞拉曼光谱,用于固氮微生物研究的最新进展进行了综述,内容包括揭示环境中高活性固氮微生物、空间分布、与其他生物的共生关系、细胞生理状态等,并进一步对近期发展的基于单细胞拉曼光谱的固氮微生物研究进行了展望。     

根瘤菌铁转运代谢及其调控机制研究进展

根瘤菌是一类可以与豆科植物高效共生固氮的兼性共生细菌,在全球氮循环及绿色可持续农业中发挥重要作用。为了适应土壤、根圈和宿主体内等多变的生活环境,根瘤菌对营养物质的感知和获取能力至关重要。铁不仅是根瘤菌在土壤中生长繁殖的限制性营养元素,更直接参与固氮酶、豆血红蛋白、电子呼吸链等与共生固氮密切相关功能蛋白的合成。因此,根瘤菌在自生和共生阶段如何获取自身所需的铁是生物固氮领域所特别关注的重要研究内容。综述了近年来有关根瘤菌中Fe2+、Fe3+-铁载体复合物、血红素吸收途径以及RirA/Irr等参与铁稳态调控方面的研究进展并进行归纳分析,以期为后续的研究工作提供借鉴。     

共生固氮放线菌研究的进展

举世瞩目的人口、资源、环境问题,引起各国有关部门对生物固氮的重视,并巳列入我国四化建设中的重要任务。估计大气中氮素含量为3.9×10~(15)吨,全球生物固定氮素为175百万吨。其中耕地固氮量达44百万吨,约相当于全世界每年生产的化肥总产量。全球林地面积约4,100百万公顷,其固氮总量达40百万吨,几与耕地固氮总量相当。足见生物固氮在农业和林业上的规模和作用。     

Amperometry氢电极及其在光合细菌放氢中的应用

近年来,在光合作用,生物固氮研究领域中,人们愈来愈多地开展光合、固氮、放氢机制的研究,它不仅可以提高光合效率,使农作物达到更高的产量,而且可以探索光合生物利用太阳能光解水,获得新的二次能源——氢气的可能。在生物固氮体系中,固氮酶的氢释放,是细胞能量(以ATP或还原剂的形式)的损失,导致固氮效率的降低。因此,研究固氮生物内的氢代谢,减少放氢,提高固氮效率这个问题,引起了许多研究者的兴趣。测定氢的手段有多种,例如;质谱、气相色谱、同位素技术、微量呼吸器和Amperometry氢电极     

从生物固氮研究进展论“人工诱发固氮根瘤”的验证

生物固氮是自然界的一些微生物和蓝绿藻将大气中的不能被植物利用的氮气变成可利用的氮的过程。固氮生物种类有两种:一种是自生固氮生物,主要是由棕色固氮菌、克氏肺炎杆菌、巴氏梭菌、螺菌、绿硫菌等38个属的自生固氮细菌,其中包括异养型和利用光能的自     

陆地生态系统氮沉降的生态效应:研究进展与展望

随着人类对能源和食物需求的持续增长,化石燃料和化学肥料的消耗急剧增加,导致全球范围内大气氮沉降速率快速升高。目前,我国已成为全球大气氮沉降的热点区域,且氮沉降量可能会在较长一段时间内累积增加,已严重威胁到生态系统结构和功能的稳定。该文梳理了近40年来国内外氮沉降生态效应研究的发展历史和前沿进展,综述了氮沉降对陆地植被系统、土壤微生物群落和生态系统元素(碳、氮、磷)循环的影响及其作用机制。研究表明:氮沉降导致的活性氮在陆地生态系统中的累积,改变了土壤环境、元素平衡和物种共存关系,驱动了生物多样性以及生态系统结构和功能的改变。氮沉降速率、沉降持续时间、氮输入形式、生物系统的生态化学计量内稳性和非生物环境条件共同决定了生态响应的性质和程度。基于对国内外氮沉降研究进展和发展趋势的分析,该文讨论了我国在该研究领域存在的问题与不足,倡议建立更为完善的全国性长期监测研究平台,开展区域尺度甚至全球联网研究。同时,要考虑多因子耦合,从现象特征的描述向机理探究推进,从而全面提升我国氮沉降生态效应基础研究与生态风险管理水平。     

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。     

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。     

豆料植物—根瘤菌共生固氮体系中的根瘤菌结瘤基因组(nod和hsn基因)和固氮基因组(nif和fix基因)及其功能

豆科植物一根瘤菌共生固氮在自然界中占有极其重要的地位.据估计,全球生物固氮量约为17500万吨,而现今工业上采用的Haber-Bosch法固定大气氮的无机氮量约为4500万吨,不及生物固氮量的三分之一.其中豆科植物一根瘤菌的共生固氮量为3500万吨,几乎可以与工业的无机氮相媲美(Burns和Hardy,1975).根瘤菌侵染豆科植物根而形成根瘤,由此产生了一种互通有无、共存共荣的固定空     

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。