豆科植物根瘤发生的分子生物学

豆科是开花植物中的第三大科,也是经济上最为重要的科之一。许多豆科植物的种子中含有丰富的蛋白质,是良好的食品及饲料的来源,如温带种植的豌豆及热带亚热带广泛种植的种类繁多的作物,包括大豆、豇豆等。其它一些豆科植物也很有价值,它们可作为牧草植     

豆科植物根瘤内生细菌的发现及其研究进展

近年来研究报道显示,某些豆科植物与根瘤菌在形成固氮共生体的同时,其根瘤内还存在多种其他类群的内生细菌,该现象在根瘤菌研究领域越来越引起关注和重视。本文综述了根瘤内生土壤杆菌、非共生根瘤菌、其它细菌的发现、种类及其对共生关系和植物生长的影响等研究进展,同时对该研究方向提出一些初步观点和认识,旨在增加人们对根瘤微生态的了解,拓展根瘤菌研究与应用的视野。     

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。     

从豆科植物的根瘤中直接提取根瘤菌DNA的方法

豆科植物的新鲜根瘤经表面灭菌,破碎后直接加入200μL4mol/L异硫氰酸胍（GUTC）裂解液混匀,离心去掉根瘤残留物,再加入适量RNA酶,37℃温育30min后,加入20μL硅藻土吸附液,室温处理15min离心去掉上清,沉淀经GUTC裂解液二次处理,再分别用洗涤液,室温处理15min离心去掉上清,沉淀经GUTC裂解液二次处理,再分别用洗涤液,70%酒精洗涤,最后,硅藻土沉淀经真空干燥,加入20μL超纯水洗涤硅藻土沉淀,即可获得类菌体根瘤菌DNA,所获得的DNA可以用于AFLP,16SrRNAPCR反应。     

非豆科作物—油菜人工根瘤的诱发研究

采用混合酶液(含纤维素酶2%,果胶酶1%)处理催芽后2天大小的油菜幼苗根部,并在 PEG 存在下接种根瘤菌。接种根瘤菌后的油菜幼苗培养20天左右,根瘤菌在根部形成根瘤。试验结果证明,酶能破除油菜根表皮的细胞屏障,诱使根瘤菌侵入油菜根细胞内,形成含根瘤菌的根瘤,这种根瘤表现一定的乙炔还原活性。     

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。     

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。     

菜豆根瘤,类根瘤以及根颈瘤的细胞学观察

菜豆根瘤菌(Rhizobium leguminosarum bv.phaseoli)的共生质粒 pSym 3622转移到具有 C58染色体背景的农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)中以后,杂交子可以通过伤口感染菜豆(Phaseolus vulgaris)根系,并在接种位点周围诱导类根瘤形成。类根瘤的结构与根瘤和菜豆根颈瘤的结构完全不同,其维管组织位于中央,周围为含有丰富淀粉粒的、高度液泡化的薄壁细胞,而且它的任何细胞以及胞间隙内均不含细菌。但是菜豆有效根瘤则含有大片含菌细胞区,不仅其细胞含有类菌体,而且在胞间隙中也存在细菌。由农杆菌 A208(pTiT37)所诱导的菜豆根颈瘤的任何细胞和胞间隙内也不含细菌。肿瘤的内部结构可以明显地分成许多不同的细胞层次,它们分别起源于不同的分生区;并且其内还可以分化出根伏突起,通过继续发育而形成新根系。此外肿瘤内许多区域的细胞都有明显解体的现象。     

几种非豆科植物根瘤内生菌侵染特征的研究

自不同科、属、种的非豆科植物根瘤分离内生菌,对其寄主植物进行了交叉侵染,结果表明,这些Frankia菌对不同寄主的侵染没有明显的专一性,供试菌可以进行跨越科、属、种的侵染,但有的菌株对于某些植物的侵染,可能存在一些特殊情况,相同菌株对不同植物的侵染能力,以及不同菌株对同一寄主的侵染能力是有差异的。从同一种植物根瘤中分离的不同菌株,侵染能力也有高低之分,供试菌随寄主植物的改变,侵染能力及所建立的共生系统固氮活性有所降低,侵染原寄主植物所形成的根瘤固氮活性较高的菌株,在改变寄主后所形成的根瘤固氮活性也比较高,在一定条件下,寄主植物的结瘤量与根瘤固氮活性呈正相关,而侵染不同寄主后,根瘤中菌体孢子的表面结构也发生了一定变化。     

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。     

骆驼刺根瘤菌的超微结构研究

用透射电子显微镜研究骆驼刺根瘤中的根瘤菌。结果表明。在成熟的骆驼刺根瘤中,根瘤菌的大小、数量、形态、分布位置及精细结构随寄主细胞的发育程度不同而异。早期侵染细胞中,根瘤菌小,数量少,一般呈球形或椭球形,位于细胞壁附近及靠近核区的地方,没有聚磷酸盐颗粒和聚羟基丁酸。成熟侵染细胞中,根瘤菌个体较大,数量较多．多呈棒状,少数为球形或椭球形。有很多根瘤菌还呈现明显的“T”形、“Y”形或“V”形,菌体占满了整个细胞,这时的根瘤菌大多数含有聚羟基丁酸和聚磷酸盐颗粒。而在衰老的侵染细胞中,根瘤菌细胞质收缩,电子密度增高．形状变得很不规则,有的根瘤菌解体,呈现膜泡状结构,菌体中含有数量不等的聚羟基丁酸和聚磷酸盐颗粒。球状根瘤菌从侵染初期到侵染细胞裂解的整个阶段中都仔在。并且观察到的处于分裂状态的根瘤菌都是球状菌,因此可以推测骆驼刺根瘤中是以球状根瘤菌来进行增殖的。     

Changes in mycorrhiza development in maize induced by crop management practices

A survey of nodulation was carried out in seven regions of Brazil and the nodulation status of 131 legume species is reported. Nodulation is reported for the first time in 46 species and six genera, representing 35% of the examined species. Two of the genera were non-nodulating: Martiodendron and Nissolia, and four nodulating: Riedeliella, Bergeronia, Goldmania. Moreover the last tribe of Mimosoideae yet to be examined for nodulation Mimoziganthus, was shown to be nodulated. The nodulation pattern is discussed in the light of the taxonomy of the family.     

Cyanobacterium <Emphasis Type=\"Italic\">Nostoc paludosum</Emphasis> Kütz as a basis for creation of agriculturally useful microbial associations by the example of bacteria of the genus <Emphasis Type=\"Italic\">Rhizobium</Emphasis>

Different species of Rhizobium were successfully introduced into the extracellular slime of Nostoc paludosum (Kütz) Elenk, strain 18; cyanobacteria did not eliminate them and exhibited no specificity to the introduced species. Both partners were shown to exist in a self-sufficient manner in an artificial consortium, the stability of which is determined by the technology of growing the cultures in collections. Cyanobacteria act as carriers of introduced satellites, providing contact with the inoculated material through the slime, and increase the nitrogen-fixing ability of legume plants due to the increase of the number and activity of nodules. The fact of penetration of cyanobacterial hormogonia into the nodules has been noted. The treatment of seeds by the consortium resulted in an increase of the harvest as compared with the standard methods of nitragin treatment of legumes.     

福建省豆科植物根瘤菌资源的初步调查

对福建省境内(除东北部少数地区外)的29个县(市)豆科植物根瘤菌资源进行了调查,共采集到36属63种豆科植物的根瘤样品278份,在豆科栽培作物方面有一定代表性.采集到的根瘤形态多样,大小多在1-10 mm之间,以淡黄和淡红色居多.对32种51份根瘤样品用乙炔还原法进行了固氮酶活性测定,不同种和同一种植物在不同生境下的固氮酶活性均有差异,多数根瘤样品的固氮酶活性在1-24 μmol C2H4g-1 fresh nodule h-1之间,其中尖叶长柄山蚂蝗(Podocarpium podocarpum var.oxyphyllum)的固氮酶活性相对最高,达87.29 u mol C2H4 g-1 fresh nodule h-1.从采集到的根瘤中经分离纯化获得了228株根瘤菌,其中155株根瘤菌进行了原寄主回接试验,有138株结瘤,回接成功率为89.0%.调查结果显示福建省有丰富的豆科固氮及其根瘤菌资源.     

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。     

红豆草根瘤侵染细胞中液泡内含物的超微结构特征

用透射电镜研究了红豆草（Onobrychis viciifolia）根瘤侵染细胞中液泡内含物的超微结构特征。结果表明,早期发育侵染细胞的液泡中只含有少量的纤维状物质。随着细胞的发育,液泡不断变大,液泡中的纤维状物质和膜状物质越来越多。在中央液泡形成后,液泡中的纤维状物质逐渐减少,类细胞质、泡状和膜状物质明显增多,它们常由一层来自液泡膜的膜包围,其形状一般近似圆形或椭圆形。液泡内含物的大量出现可能与红豆草及其根瘤具有高度的抗旱件有关。     

亚热带典型树种根毛特征及其与共生真菌的关系

根毛和共生真菌增加了吸收面积,提高了植物获取磷等土壤资源的能力。由于野外原位观测根表微观结构较为困难,吸收细根、根毛、共生真菌如何相互作用并适应土壤资源供应,缺乏相应的数据和理论。该研究以受磷限制的亚热带森林为对象,选取了21种典型树种,定量了根毛存在情况、属性变异,分析了根毛形态特征与共生真菌侵染率、吸收细根功能属性之间的关系,探讨了根表结构对低磷土壤的响应和适应格局。结果表明:1)在亚热带森林根毛不是普遍存在的, 21个树种中仅发现7个树种存有根毛, 4个为丛枝菌根(AM)树种, 3个为外生菌根(ECM)树种。其中,马尾松(Pinus massoniana)根毛出现率最高,为86%;2)菌根类型是理解根-根毛-共生真菌关系的关键,AM树种根毛密度与共生真菌侵染率正相关,但ECM树种根毛直径与共生真菌侵染率负相关; 3) AM树种根毛长度和根毛直径、ECM树种根毛出现率与土壤有效磷含量呈负相关关系。该研究揭示了不同菌根类型树种根毛-共生真菌-根属性的格局及相互作用,为精细理解养分获取策略奠定了基础。