聯(lián)合固氮菌與植物生長

聯(lián)合固氮菌與植物生長

1894年，第一個自生固氮細菌從印版到土壤。1958年Dobereiner和Ruschei等首次從熱帶甘蔗的根際分離到固氮細菌-拜葉林克氏菌(Beijerinckiafluminenisis)并證實禾本科植物同樣存在生物固氮潛能。1975年,Dobereiner實驗室再次發(fā)現(xiàn)與禾本科植物聯(lián)合共生的固氮菌-固氮螺菌(Azospirillum),并提出聯(lián)合固氮的概念,認為聯(lián)合固氮菌是指定殖于植物根表或近根土壤,部分則能侵入植物根的皮層組織或微管中,靠根系分泌物生存繁殖,與植物根系有密切關(guān)系,但不與宿主形成特異分化結(jié)構(gòu)的生物固氮菌。至此,聯(lián)合固氮菌的研究越來越受到關(guān)注,其應(yīng)用也越來越廣泛。本文對植物聯(lián)合固氮菌及其促生作用的研究進展進行扼要綜述,以期為進一步的深入研究和開發(fā)利用提供信息。1固氮生物復(fù)合微生物自然界能夠固氮的微生物很多,目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和證明具有固氮作用的微生物已近50個屬,包括細菌、放線菌和藍藻,大致可分為三大類:一類是能夠獨立固定氮素的自生固氮微生物,如固氮菌科(Agutubacteraceae)的全部屬種,腸桿菌科(Enterubacteriaceae)的部分屬種,紅螺菌目(Rhuduspirillales)的許多屬種等;一類是能與高等植物形成共生關(guān)系而固氮的共生微生物,如根瘤菌屬(Rhizobium),佛蘭克氏菌屬(Frankia)等;還有一類是在作物根際和根表甚至在根皮層細胞中均有發(fā)現(xiàn)的聯(lián)合固氮微生物,如拜葉林克氏菌屬(Beijerinekia)、醋酸固氮菌(Acetobacterdiazotrophicus)、產(chǎn)堿菌(Alcaligenes)、固氮螺菌(Azospirillum.sp)、芽孢桿菌(Bacillus)、腸桿菌(Enterobacter.sp)、克雷伯氏菌(Klebsiella)、假單胞菌(Pseudomonas)、草生歐文氏菌(Erwomaherbicola)、稻草桿菌(Flavobacteriumoryzaespnow)、生脂剛螺菌(Azospirillumlipoferum)、固氮菌屬(Azotobacter.sp)、雀稗固氮菌(Azotobacterphaspali)、梭菌屬(Clostridium)、德克氏菌屬(Derxia)、草螺菌(Herbaspirillum)和固氮弧菌(Azoarus)等。根據(jù)生理生態(tài)特征,聯(lián)合固氮菌大致可分成為3類:根際固氮菌、兼性內(nèi)生固氮菌、專性內(nèi)生固氮菌。1.1cterpaspali科技的細根際固氮菌指生活在植物根際并定殖于植物根表的所有固氮細菌,這類細菌不僅為植物提供氮素營養(yǎng),而且產(chǎn)生大量的植物激素,從而影響植物的生理過程并促進植物的生長。這類固氮菌主要包括雀稗固氮菌(Azotobacterpaspali)、拜葉林克氏菌(B.fluminenisis)、陰溝腸桿菌(Enterobactercloacae)、催娩克氏菌(Klebsillaoxyloca)。Baldani等研究發(fā)現(xiàn),熱帶甘蔗根系能分泌一些含糖化合物,而拜葉林克氏菌(B.fluminenisis)能優(yōu)先定殖于含糖化合物釋放處,推測植株分泌物對這種細菌在根部的定殖并形成優(yōu)勢菌群有調(diào)節(jié)作用。陰溝腸桿菌(E.cloacae)和催娩克氏菌(K.oxyloca)均屬革蘭氏陰性,兼有固氮和促進植物生長的作用,能夠明顯地促進菜心、小白菜、菠菜和生菜種子萌發(fā)、提高種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率,最終促進幼苗生長。1.2兩種固氮螺菌的共同特點這類固氮菌既能在根內(nèi)也能在根表和土壤中定植,主要為固氮螺菌屬(Azospirillum)的細菌。該屬細菌分布廣泛,能與許多寄主聯(lián)合固氮,目前已分離鑒定出的有5個種:產(chǎn)脂固氮螺菌(A.lipoferum)、巴西固氮螺菌(A.brasilense)、亞馬遜固氮螺菌(A.amazomense)、伊拉克固氮螺菌(A.irankense)等。前兩種固氮螺菌的共同特點是均可利用檸檬酸為碳源,具N2O還原酶基因,存在生長素合成基因,不同之處僅是產(chǎn)脂固氮螺菌(A.lipoferum)還可以葡萄糖為碳源;而后兩者的共同點是均能利用蔗糖為碳源,無N2O還原酶基因,不同點是亞馬遜固氮螺菌(A.amazomense)能在較廣pH值下生存,能產(chǎn)生植物激素,存在生長素合成基因,而伊拉克固氮螺菌(A.irankense)能水解果膠,但不產(chǎn)生植物激素,不存在生長素合成基因。了解它們的共性和特性,對研制不同作物、不同土壤環(huán)境可使用的菌劑是十分必要的。1.3醋酸固氮菌這類固氮菌主要從植物根表皮細胞或次生根形成點的細胞間隙處感染植物,經(jīng)木質(zhì)部擴散至植株上部,是一類具有獨特生理生化特征的固氮菌。主要有醋酸固氮菌(A.diazotrophicus)、草螺菌(Herbaspirillum)和固氮弧菌(Azoarus)等。醋酸固氮菌(A.diazotrophicus)是1988年Dobereiner實驗室從甘蔗根和莖中分離得到的一種新的耐酸固氮菌。它能在高糖培養(yǎng)基中迅速生長,偏好有機酸,在酸性條件下生長并固氮,缺乏硝酸還原酶,因此,其固氮酶活性不受NO3ˉ影響,但部分受NH4+抑制。它具有一定的宿主專一性,主要是一些含糖豐富的植物,從甘蔗田間生長的各種雜草中不能分離到該菌。由于醋酸固氮菌是一種耐酸且偏好有機酸的固氮菌,我們可以在南方酸性土壤中有效利用它的這一特點。草螺菌(Herbaspirillum)是一類略呈彎曲的桿狀細菌,革蘭氏陰性。草螺菌中的織片草螺菌(H.seropedicae)和紅蒼白草螺菌(H.rubrisubalbicans)均具有較強的固氮能力,不能利用蔗糖,偏好有機酸,但能耐高濃度糖滲透(10%)?？椘萋菥拗鞯姆秶鷱V,禾本科植物和非禾本科植物中均有所發(fā)現(xiàn),而紅蒼白草螺菌宿主較專一,多為禾本科植物。固氮弧菌(Azoarus)是1986年德國的Barbara從生長在巴基斯坦鹽堿地的卡拉草(Kallar)內(nèi)分離到的。該菌種可在有機酸中良好地生長,不能利用碳水化合物,只能利用少量氨基酸,它是好氧菌,因此在無根土壤中一般不存在該菌種?？v觀這許多固氮菌,不難發(fā)現(xiàn)目前發(fā)現(xiàn)的多為來自酸性土壤的耐酸固氮菌,而耐堿固氮菌卻少有報道。我國北方多為石灰性土壤,pH值較高,要開發(fā)適于這些地區(qū)使用的菌劑,在當?shù)剡M行固氮菌的分離、鑒定是非常必要的。2聯(lián)合固氮菌感染和定殖機制2.1植物根產(chǎn)物的趨性固氮菌的趨化性不僅在尋求營養(yǎng)來源與其他微生物競爭中具有重要作用,而且是固氮菌侵入植株并在植株體內(nèi)定殖的前提。研究表明,固氮螺菌(Azospirillum)具有鞭毛,可以游動,這是其趨化性的基礎(chǔ)。巴西固氮螺菌(A.brasilense)對天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、阿拉伯糖、半乳糖、琥珀酸和蘋果酸有趨性。產(chǎn)脂固氮螺菌(A.lipoferum)對蔗糖有趨性,但它不能利用蔗糖,研究發(fā)現(xiàn)果糖和葡萄糖對其吸引力更強。糞產(chǎn)堿(Alcaligenesfaecalis)對水稻根分泌物中含量較高的有機酸組分,如蘋果酸、檸檬酸和乳酸以及含量較高的精氨酸、賴氨酸等顯示出較強的趨性。Reinhold等對從不同植物根際分離到的固氮菌進行分析,發(fā)現(xiàn)其趨化性可能具有菌株特異性。C3植物小麥根分泌物中草酸含量較高,從小麥根部分離到的Azospirillum對草酸趨性強。而C4植物玉米根際分泌物中蘋果酸含量高,相應(yīng)的菌株對蘋果酸趨性強,這種特性反映了聯(lián)合固氮菌對宿主根際環(huán)境有一定的選擇和適應(yīng)能力。2.2確立細胞間間的縱向遷移能力固氮菌從根際進入宿主的過程是從植物側(cè)根發(fā)生的裂隙或根尖的根冠脫落處“乘虛而入”或利用果膠酶、纖維素酶水解根表皮細胞間層進入根皮層,繼續(xù)溶解胞間多糖,通過皮層細胞間隙向內(nèi)深入,皮層細胞間隙也為細胞縱向遷移提供了空間。導(dǎo)管和相鄰胞間的遷移可通過紋孔,細菌進入導(dǎo)管后可能順著蒸騰流上升完成系統(tǒng)侵染。Reis等研究表明固氮醋酸桿菌是從根尖和側(cè)根發(fā)生的周圍侵染植物的,它還能侵入甘蔗根毛形成侵染線樣結(jié)構(gòu),只是頻率很低。Reinhold等發(fā)現(xiàn)固氮弧菌(Azoarcus)可以侵染卡拉草(Kallar)和水稻幼苗,特別是根尖上部的伸長區(qū)或分化區(qū)。沒有分化成皮層和中柱的幼嫩組織容易被侵染,這是細菌進入植物中柱的可能途徑。2.3桉樹葉片固氮螺菌的分布聯(lián)合固氮菌一旦進入植物體內(nèi)就尋找適于自己生存的植物組織定殖下來,而不是在整個植物體內(nèi)到處擴散。1977年Okon發(fā)現(xiàn)固氮螺菌可以在玉米根部組織中定植;Schank用熒光抗體免疫技術(shù)研究發(fā)現(xiàn),固氮螺菌是在根表與皮層之間的周質(zhì)空間內(nèi)定殖的?？蝶惾A在研究桉樹與聯(lián)合固氮菌的關(guān)系時發(fā)現(xiàn),催娩克氏菌(K.oxyloca)是在桉樹根表皮和根毛皮層薄壁細胞中定殖的。而固氮弧菌(Azoarcus)可以在卡拉草(Kallar)和水稻的莖稈中柱組織及通氣組織中生存并繁殖?？磥?根毛、表皮、根皮層薄壁細胞、中柱及通氣組織均是聯(lián)合固氮菌的定殖場所。3聯(lián)合固氮菌對植物生長的影響研究結(jié)果表明聯(lián)合固氮菌可以增加植株干重、增強植株生長勢。根據(jù)目前的研究結(jié)果可以認為,聯(lián)合固氮菌促進植物生長的機理主要有:(1)通過生物固氮為植物提供氮素或產(chǎn)生植物激素直接促進植物生長;(2)通過誘導(dǎo)植物產(chǎn)生植物激素、改善植物對礦物質(zhì)的利用率來間接促進植物生長。3.1直接作用3.1.1體裂解前后的養(yǎng)分吸收的研究雖然大部分固定的氮為固氮菌自身利用,提供給植物的氮素很少,只有菌體裂解后的氮素才能被植物吸收,但由于細菌的生命周期比植物短得多,細菌死亡后釋放的有機氮能逐步為植物吸收,加上其涉及的植物和菌物種類多,分布廣,從整體考慮,其意義和研究價值及應(yīng)用潛力是十分可觀的。3.1.2分離的人工林和azespiris1和3種抗菌素的活性目前分離出的聯(lián)合固氮菌很多具有產(chǎn)生植物激素的功能。如,Fallik等發(fā)現(xiàn)接種Azospirillum的玉米苗比對照含有較高的游離態(tài)生長素及吲哚丁酸;Bottini等用氣-質(zhì)聯(lián)用色譜儀檢測證明,在Azospirillum培養(yǎng)物中含有赤霉素、赤霉酸和異赤霉酸;沈德龍從水稻植株中分離的內(nèi)生成團腸桿菌YS19可以分泌4種激素,分別是生長素、脫落酸、赤霉素和細胞分裂素,其中細胞分裂素有3種,即異戊烯腺嘌呤、玉米素核苷和二氫玉米素核苷;Dobereiner從墨西哥分離的18株重氮營養(yǎng)醋桿菌(Acetobacteria)都有產(chǎn)生生長素的能力;林敏研究發(fā)現(xiàn),水稻根際的糞產(chǎn)堿菌(A.faecalis)能產(chǎn)生赤霉素、生長素及玉米素,不僅能促進水稻根系生長發(fā)育,并能刺激水稻根的分泌作用。3.2促進根際磷元素含量固氮菌可以分泌許多有機酸使得植物根際pH值下降,使難溶性礦物質(zhì)變的易溶,從而促進植物根系對各種營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,進而間接的促進植物生長。如巴西固氮螺菌(A.brasilense)接種于番茄幼苗后,植株根內(nèi)分泌大量氫質(zhì)子,根際pH值下降。糞產(chǎn)堿菌(A.faecalis)浸種或蘸根均能增強水稻根的質(zhì)子分泌能力,促使介質(zhì)酸化,增強根際土壤中鐵、磷元素的有效性。假單包肝菌屬(Psedudomonas)和芽孢桿菌(Bacillus)可分泌有機酸如甲酸、醋酸、丙酸、乙醇酸、延胡索酸、乳酸、丁二酸等,這些酸可降低pH值,使不溶性的磷轉(zhuǎn)變成可溶性的磷,供植物吸收和利用。有的固氮菌的泌酸能力非常強,如醋酸桿菌產(chǎn)生的乙酸使培養(yǎng)基pH值迅速降至3以下。另外,固氮菌產(chǎn)生的植物激素促進植物根系生長,同時根毛數(shù)量增多,增大了植物根系與土壤的接觸面積,進一步增加了植物對土壤中礦物質(zhì)的