小麦叶面固氮菌的筛选及应用研究

七十年代初,中国科学院植物研究所在玉米、棉花、水稻、甘薯、高梁、甘蔗上分离到叶面圃氮菌,此后同河北省微生物研究所协作,对棉花、玉米叶面固氮菌的增产效果和作用机制等作了进一步研究。但至今国内尚未见到有关小麦叶面固氮菌的报道,为此我们进行了分离筛选和应用试验。现将初步结果报道如下:     

作物喷施叶面固氮菌剂增产原因分析

喷施叶面固氮菌剂对玉米、棉花等农作物具有相当明显的增产效果。几年来,通过大量试验表明,这种增产作用是稳定的。但从一些现象和初步的测试中看到,其增产原因是不能仅凭固氮作用解释清楚的。因此,我们进一步从生长刺激素、抗菌作用及固氮作用几方面进行了测试分析。结果表明,叶面固氮菌的增产效应,可能是由于这几个因素综合作用的结果。现分述如下。     

叶面固氮菌的分离与应用

叶面固氮菌首先由荷兰学者Ruinen在印度尼西亚的热带潮湿地区的植物叶面上发现。此后,Ruinen和其他一些科学工作者经过调查指出。不仅在许多热带野生植物和农作物的叶面上和叶鞘中普遍存在固氮微生物,在所有潮湿条件下,如潮湿草原、荫蔽森林及湿生植物叶际也都存在着固氮微生物。迄今已进行过叶面微生物调查的地区。有印度尼西亚的爪哇和苏门答腊、新西兰、苏里南、印度、象牙海岸、尼     

联合固氮菌叶面接种剂的优化及其在玉米叶际的定殖

【背景】联合固氮菌由于不具有宿主专一性,在土壤、叶际中广泛存在,对生态系统氮素供应有着重要贡献,它还可以通过分泌生长激素等间接作用促进植物生长,可作为重要的农业生产菌剂。土壤接种剂由于受土著微生物的竞争和土壤抑菌物质等的影响,接种效果不稳定,难以推广使用。相比于土壤环境,叶际生境相对简单且表面积巨大,进行叶际接种是固氮菌剂推广应用的一个新思路。【目的】优化联合固氮菌菌株W12接种添加剂,制备液体接种剂并研究其在玉米叶际的定殖效果。【方法】对菌株W12进行菌落PCR测序,构建系统发育树并确定分类地位。分别在培养液中添加不同浓度梯度的羧甲基纤维素(Carboxymethyl cellulose,CMC)和甘油(Glycerol,Gly),测量菌株W12生长曲线和固氮酶活性,优化添加剂浓度并制备液体接种剂,对接种剂的有效保存时间进行检测。将接种剂喷洒到玉米叶际,测量其对玉米产量和植株含氮量的影响,并通过低氮培养基进行回收计数。【结果】固氮菌菌株W12的16S r RNA基因序列与变栖克雷伯氏菌(Klebsiella variicola)的相似性高达99%,在培养液中添加CMC和甘油对菌株W12的生长无明显促进和抑制效果,但均提高了固氮酶活性。添加甘油制备的接种剂在盆栽和大田玉米叶面喷施后,在玉米生长末期叶际回收到的W12类似菌分别为4.3×105 CFU/g叶片和1.7×105 CFU/g叶片,显著高于未接种的处理;而且大田玉米籽粒、茎部和叶片的含氮量高于不接种的对照处理。经过90 d贮藏后,4°C保存的接种剂剩余活菌数均高于1.0×108 CFU/m L。【结论】羧甲基纤维素和甘油的添加不仅有利于固氮菌液体接种剂在叶片的附着,并能显著提高联合固氮菌菌株W12的固氮酶活性,低温冷藏可保证液体接种剂的有效活菌数;液体接种剂在玉米叶际喷施后,菌株W12能够成功定殖,并显著提高玉米植株和籽粒含氮量。研究结果为固氮菌叶面接种剂的制备和应用,以及实现农业氮肥减施保产的目标提供了借鉴意义。     

高寒地区不同退化草地植被特性和土壤固氮菌群特性及其相关性

选取东祁连山不同退化程度的高寒草地为研究对象,调查研究其植物种类、植被盖度、高度、地上生物量等植物指标以及土壤好气性自生固氮菌和嫌气性自生固氮菌数量,在此基础上,采用real-time PCR的方法扩增nifH基因,测定不同退化程度草地土壤中固氮菌相对于土壤总细菌的量,以探讨草地退化过程中植被及土壤固氮菌群的变化规律,结果发现:随着退化程度的加深,草地植物种类逐渐减少,并且优势植物发生变化,毒杂草逐渐增多,植被的高度、盖度、地上生物量都逐渐降低。对土壤固氮菌的研究则表明,土壤好气性自生固氮菌和嫌气性自生固氮菌的数量在不同退化草地随草地退化程度的加重而减少,在同一退化程度草地土壤则是随土层深度加深而下降。对土壤固氮菌nifH基因扩增的结果也表明随着退化加剧,土壤固氮菌相对于土壤总细菌的比例在降低,进一步说明草地退化过程中土壤固氮菌不仅是数量上的下降,更是群落结构层面的变化。对植被特性和土壤固氮菌含量的相关分析表明,植被特性和土壤中固氮菌含量呈显著相关。研究从土壤固氮菌群的角度研究了草地退化的过程,说明了二者具有协同性,研究和治理草地退化必须重视土壤功能菌群尤其是固氮菌群的作用。     

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。     

自生固氮菌的生态分布及其对农药抗性的研究

将不同地点的土样均匀地撒在无氮培养基平板上,分离并鉴定自生固氮菌。同时采用抑菌圈法和分光光度计测透光率的方法,检测6种常用的田间农药对自生固氮菌的生长影响;还运用茚三酮显色反应检测农药对自生固氮菌固氮效果的影响。结果表明,不同农药及其不同浓度对自生固氮菌生长及固氮量的影响有所不同。为添加固氮菌以提高农作物产量,监测固氮菌含量来评估作物产量,以及田间正确使用农药提供了理论依据。     

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。     

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．     

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。     

固氮生物的类群

固氮生物有多种,一般都属于原核生物。通常都按照它们的固氮方式分成如下两大类。Ⅰ自生固氮生物 1.细菌(3目,11科,26属) (1)好气性细菌:棕色固氮菌(A.vinelandii),圆褐固氮菌(A.chrocoocum),贝氏固氮菌(A.beije—rinckii),活跃固氮菌(A.agile)等。     

水稻内生固氮细菌的生化特性及其对烟草和玉米的侵染

对水稻内生固氮菌N1(短小芽孢杆菌,Bacillus pumilus)、N2(阴沟肠杆菌,Enterobacter cloacae)和N3(鹑鸡肠球菌,Enterococcus gallinarum)的一些生化特性及其对烟草和玉米的侵染进行了研究.采用三亲交配法将标记基因nifH-lacZ、 nifHDK-lacZ和gfp分别导入到固氮菌中,用携带标记基因的固氮菌分别接种烟草云烟85和玉米吉甜6号,对感染固氮菌的烟草和玉米材料进行β-半乳糖苷酶组织化学染色和激光共聚焦扫描显微镜、透射电子显微镜和扫描电子显微镜观察.光学显微镜和电子显微镜观察结果表明在接菌的烟草和玉米部分根细胞中和细胞间隙都发现了固氮菌,在接菌的玉米茎的维管组织细胞中也发现了固氮菌,推测固氮菌从玉米根开始向上移动.接种固氮菌N3的玉米与对照相比,在鲜重上提高了18.53%.     

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。     

高CO2浓度和固氮菌对斜纹夜蛾幼虫食物利用效率的影响

"补偿取食"假说认为CO2浓度升高后植食性昆虫会增大取食量以弥补植物组织中氮素营养的不足。但实证研究并非都支持该假说。用人工智能气候箱设置CO2浓度(390μL/L和780μL/L)和固氮菌(有、无)等2因素4处理,种植菜豆饲喂刚蜕皮进入4龄的斜纹夜蛾幼虫,测定其取食和食物利用效率。协方差分析结果表明,CO2浓度与固氮菌互作对斜纹夜蛾幼虫取食量具有显著影响,在无固氮菌处理下,斜纹夜蛾幼虫对高CO2浓度处理的菜豆取食量明显高于当前CO2浓度处理的;而在有固氮菌处理下,斜纹夜蛾幼虫对高CO2浓度下菜豆的取食量又比当前CO2浓度处理下的低。固氮菌对斜夜蛾4龄幼虫最终体重没有显著影响,但高CO2浓度处理的4龄幼虫终体重大于当前CO2浓度处理的幼虫。CO2浓度、固氮菌及其互作对斜纹夜蛾幼虫的相对取食率(RCR)和相对生长率(RGR)具有显著影响,在当前CO2浓度处理下,斜纹夜蛾4龄幼虫的RCR和RGR在有、无固氮菌处理之间没有显著差异;但在升高CO2浓度下,无固氮菌处理下的RCR和RGR显著大于有固氮菌处理。CO2浓度及其与固氮菌互作显著影响近似消化率(AD),在无固氮菌处理下,CO2浓度升高使AD增大;但在有固氮菌、CO2浓度升高下,其AD略有降低。CO2浓度和固氮菌双因素处理对消化食物转化率(ECD)无显著影响。研究结果支持"补偿取食"假说。     

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。     

耐氨固氮菌接种水稻所需最低活菌数的测定

耐氨固氮菌在谷芽上能生长,每粒谷芽上的菌数可达１０４－１０５个。当７０％以上的秧苗带有耐氨固氮菌时,经根系交叉感染能使所有的秧苗根系带上耐氨固氮菌。菌液浸泡谷芽接种水稻,耐氨固氮菌数／谷芽数达２０时,可使７０％的谷芽接种上菌,有２１０以上时,可使１００％的谷芽接种上菌。菌液淋施秧苗接种水稻,耐氨固氮菌数／秧苗数为１６００以上时,１００％的秧苗带有耐氨菌。菌液浸泡秧根接种水稻,耐氨固氮菌数／秧苗数为７０个以上时,可使１００％的秧苗根部带有耐氨菌。     

2号固氮菌株的筛选及其对水稻产量的影响

自Dbereiner等报道多年生牧草雀稗与雀稗固氮菌以来,国内也有玉米、水稻根系固氮菌存在的研究报道。从1972—78年,我们筛选出具有较高固氮酶活力、生长繁殖快、对水稻有增产作用的2号固氮菌,现报道如下。     

长江流域水稻根际芽孢杆菌属固氮菌株的分离与鉴定

生物固氮资源的研究、开发和利用有利于发展持续农业,水稻田的氮素肥力比一般旱地高得多,活跃的生物固氮被认为是主要因素之一.苏宝林、崔宗均等系统地研究了我国北方稻区的固氮菌资源,分离鉴定出8属18种共35株固氮菌.在此基础上,我们对长江流域水稻根际异养固氮菌资源进行了系统研究.本文报道芽孢杆菌属(Bacillus)固氮菌株分离与鉴定的结果.     

乙炔还原-MPN(最可能数)法测水稻根系固氮菌数的研究

本文重点介绍了乙炔还原-MPN法测定水稻根系固氮菌数的结果,并与经典方法滤纸条-MPN法及TTC-MPN法进行了比较。乙炔还原-MPN法具有实验周期短、专一性强和判断客观等优点,是一种快速准确地测定水稻根系固氮菌数及初步筛选高活性固氮菌株的有效手段。     

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。