生物固氮研究的前沿介绍(李季伦).
生物固氮的研究进展及发展趋势
生物固氮的研究进展及发展趋势
生物固氮是一种自然界中重要的氮循环过程，其在农业和生态系统中具有重要的意义。
研究生物固氮的进展以及未来的发展趋势，对于提高农作物产量、节约化肥资源、增加土壤肥力以及保护环境都具有重大意义。
近年来，生物固氮的研究取得了一系列重要的进展。
首先，对于固氮微生物群落结构和功能的理解不断深化。
通过使用分子生物学技术，可以快速检测和鉴定土壤和根际中的固氮微生物，了解它们的多样性和分布情况。
此外，通过基因组学和转录组学等方法，可以深入研究固氮微生物的基因表达和代谢途径，进一步揭示其固氮机制。
其次，关于如何提高固氮效率的研究也取得了进展。
通过选择性培育具有高效固氮能力的微生物或植物品种，可以显著提高固氮效率。
同时，研究表明，与其他生物有机肥料和化学肥料的联合使用可以进一步提高固氮效率。
此外，通过调控固氮微生物与宿主植物的共生关系，可以提高植物对固氮微生物的利用效率。
在生物固氮的未来发展中，一方面，研究人员将继续深入探索固氮微生物的多样性和功能，通过开展元基因组学和功能基因组学研究，预期会发现更多新的固氮微生物。
另一方面，研究人员将努力开发新的技术和方法，以提高固氮效率。
例如，通过基因编辑和代谢工程等手段，改良固氮微生物的代谢途径和固氮酶的催化效率。
此外，研究人员还将关注固氮微生物与植物之间的信号交流和共生调控机制，以更好地控制和利用生物固氮过程。
综上所述，生物固氮研究取得了不少进展，并且未来的发展趋势也比较明确。
通过深入研究固氮微生物群落结构和功能，以及努力提高固氮效率，我们有望实现更加可持续和高效的氮肥利用，在农业生产和环境保护中发挥重要作用。
(高考生物)生物固氮作用的分子机理研究
（生物科技行业）生物固氮作用的分子机理研究项目名称：生物固氮作用的分子机理研究首席科学家：王忆平北京大学起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：教育部一、研究内容生物固氮研究的关键科学问题是获得最佳生物固氮体系（包括共生固氮、联合（内生）固氮等）和建立非豆科植物的自主固氮体系，具体包括：（1）阐明根瘤菌共生固氮基因表达调控的网络，根瘤菌识别、传递环境和植物信号，调节自身基因表达的分子机理；（2）揭示固氮及氮代谢基因调控机理，与碳代谢系统及其基因的调控偶联机制；（3）阐明共生固氮体系中植物与微生物相互作用的机理，如植物与微生物相互识别及分子信号的传导机制，克服宿主特异性，从而扩大根瘤菌的宿主范围；（4）利用单细胞真核生物--酵母菌的线粒体遗传操作系统，探索固氮基因簇向真核生物转化和表达的机制，为固氮基因向高等植物转移，建立非豆科植物自主固氮体系的奠定基础。
（5）阐明固氮酶结构、功能和催化机理。
围绕上述提高生物固氮效率、扩大共生固氮植物范围、建立自主固氮体系的关键问题，主要研究内容有：（1）以模式豆科植物共生固氮体系为材料，分离和鉴定参与根瘤菌结瘤因子信号传递的调控元件及基因，研究和建立根瘤菌与宿主植物共生关系蛋白相互作用网络；通过对豆科植物与根瘤菌、AM真菌共生的异同以及与非豆科植物比较基因组学研究，揭示非豆科植物中存在哪些与共生相关基因的功能及调控机制，为探索扩大根瘤菌寄主范围和建立非豆科共生固氮途径可能性提供科学资料；分离和鉴定LysR、GntR等家簇转录因子及其靶基因，阐明根瘤菌主代谢与共生固氮功能的相关性和调控机理；开展根瘤菌群体感应系统、Ⅲ型分泌系统及胞外多糖合成基因表达调节的双组分调控系统的研究，阐明这些代谢系统在不同环境条件下的功能和作用机制，揭示根瘤菌环境适应性与竞争结瘤之间的相关性。
（2）碳代谢与氮代谢是自然界生命活动的两大主要代谢作用。
固氮基因调控机理，以及碳代谢和氮代谢之间的调控偶联途径已经得到了解析，但碳代谢对固氮基因的表达的抑制机理与途径有较大不同。
生物固氮技术的应用与前景
生物固氮技术的应用与前景生物固氮技术，是指利用某些微生物或植物，通过固氮作用将空气中的氮气转化为植物可利用的氨基氮而形成一种新型的农业技术。
在农业生产中，应用生物固氮技术可以有效地提高土壤肥力，促进作物的生长与发育，减少农民施肥成本，改善农业生态环境等，因此被广泛地应用于农业生产中，具有广阔的发展前景。
一、生物固氮技术的应用生物固氮技术的应用非常广泛，主要应用于三大领域，具体如下：1.农业领域生物固氮技术的运用，可以改善土壤肥力，增加农田的生物量，提高农产品的产量和品质。
通过种植草坪、绿肥、豆科作物等来增加土壤中的氨基氮含量，不仅可以提高作物的产量，同时也可以降低农民的施肥成本，减轻农民的负担，特别是对一些贫困地区的农民来说，生物固氮技术的应用意义更加重大。
2.环境保护领域生物固氮技术的应用还可以改善环境。
农业生产中过度使用化肥，会导致土地肥力下降，同时化肥还会污染地下水，污染环境。
利用生物固氮技术来提高土地肥力，可以有效地减少化肥的使用量，从而降低化肥对环境的污染。
3.生态修复领域利用生物固氮技术进行退化土地的修复，可以恢复土地的肥力，提高土地的西质，使得荒地成为有生命力的耕地。
同时，种植豆科作物还可以增加土壤有机质和微生物数量，改善土壤生态环境。
二、生物固氮技术的前景生物固氮技术在未来的发展中，将会有以下几个方面的发展趋势：1. 应用广泛程度还会进一步提升。
生物固氮技术虽然已经得到了广泛运用，但是在很多地区，尤其是发展中国家农村地区，生物固氮技术还没有得到充分的应用。
未来，生物固氮技术的应用范围还会进一步扩大。
2.技术手段不断创新。
生物固氮技术目前已经在很多方面取得了显著进展，但是目前仍存在着一些技术的不足之处。
未来，生物固氮技术的研究人员将继续创新技术，提高技术的精度、高效性和环境友好性。
3.绿色农业的快速发展。
随着人们对于环境污染和食品安全的重视，绿色农业的快速发展，成为未来农业发展的重要趋势。
固氮细菌生理生态的研究进展
固氮细菌生理生态的研究进展氮是构成蛋白质、核酸等生命基础物质的重要元素，也是植物生长发育不可缺少的营养元素。
然而，氮在自然界中主要以氮气（N2）的形式存在，植物无法直接利用氮气中的氮原子，需要将氮气还原为植物可用的氨（NH3）或氮化物根离子（如NH4+）。
这一过程被称作“生物固氮”。
生物固氮的过程中，最重要的是固氮细菌。
固氮细菌是指通过固氮进程，将空气中的氮转化成为可由植物吸收的氨的一类细菌。
这些细菌的固氮能力极强，可以根据类型和生境的不同产生不同的酶，这些酶都是在极端条件下生长并繁殖的适应性。
例如在地球上最温暖、最酷热和最寒冷的环境中，都能发现具有固氮能力的微生物，并且它们在这些极端环境中的生存方式具有独特的适应性。
随着生态学和分子生物学技术的不断发展，固氮细菌在环境保护、农业生产和氮循环等领域的应用越来越广泛。
本文将从固氮细菌分类学、固氮调控机制、固氮途径和固氮进程的影响等方面，综述固氮细菌的生理生态研究进展。
一、固氮细菌的分类学固氮细菌因其固氮能力，被广泛分布于土壤、水体、植物根际等环境中，可分为泛固氮菌和共生固氮菌。
泛固氮菌主要存在于泥炭地、水稻田和湖泊等环境中，能够利用自由氧进行固氮。
共生固氮菌则与植物根部建立共生关系，对植物的生长发育和免疫系统发挥重要作用。
根据其在植物根际内的表现形式，共生固氮菌又可以分为根结固氮菌和非根结固氮菌两类。
根结固氮菌能形成在植物根部内的根瘤，细菌以根瘤为代价向植物提供固氮产物，植物则向其提供影响固氮途径的信号分子和营养物质等，是典型的共生关系。
而非根结固氮菌则是利用植物根际微生态的营养资源，向植物提供固氮物质，没有根瘤的形成以及植物的察觉。
固氮细菌的分类主要根据其代谢特性和形态结构等方面，同时还会应用分子系统学技术对细菌的遗传关系及种类重要性进行鉴定。
通过分类学研究，不仅可以系统地了解固氮细菌的地理分布和生物多样性，还能够为固氮细菌的在农业和生态环境方面的应用提供科学基础。
中国生物固氮研究现状和展望
中国生物固氮研究现状和展望沈世华荆玉祥*(中国科学院植物研究所中国科学院光合作用和环境分子生理学重点实验室, 北京100093. *联系人, E-mail: yxjing@ )摘要生物固氮是生命科学中的重大基础研究课题之一, 它在生产实际中发挥着重要作用: 为植物特别是粮食作物提供氮素、提高产量、降低化肥用量和生产成本、减少水土污染和疾病、防治土地荒漠化、建立生态平衡和促进农业可持续发展. 本文在介绍国际生物固氮研究进展的同时, 着重叙述了生物固氮研究取得的重大进展和成果: 收集了根瘤菌资源, 建立了最大的数据库, 修正和发展了国际上对根瘤菌的分类; 发现了固氮基因, 证实了克氏杆菌固氮基因操纵子的连锁性及正调控基因的调节机制和对氧、温度的敏感性; 发现苜蓿根瘤菌结瘤调控基因nodD3的产物对结瘤基因表达的启动不受宿主类黄酮的作用; 发现苜蓿根瘤菌的碳利用基因和固氮生物氮代射和碳代谢基因表达及其调节的偶联作用; 化学合成了根瘤菌的结瘤因子; 在固氮基因表达调节基础上, 构建了固氮基因工程菌株, 并在生产中得到应用; 提出了化学模拟固氮酶的结构和功能, 固氮酶活性中心的模型和合成了模型化合物, 受到了国际高度评价. 根据国际上研究的趋势并结合国内的研究进展, 提出了生物固氮研究的发展方向, 建议在联合(内生)固氮菌固氮基因调控及其提供氮素的作用, 根瘤菌与豆科植物共生结瘤固氮的信号传递和分子相互作用, 氮、碳代谢和固氮与光合作用的偶联与共生结瘤固氮中功能基因组学等方面展开积极研究.关键词固氮生物固氮酶基因表达化学模拟微生物与植物相互作用功能基因组空气中约80%的氮气不能被植物直接利用, 只有固氮微生物具有将氮气转化成氨的能力, 人们称为生物固氮. 据联合国粮农组织(FAO)1995年粗略估计, 全球每年由生物固定的氮量已近2 × 106t(相当于4 × 108 t尿素), 约占全球植物需氮量的3/4. 所以, 生物固氮是地球上最大规模的天然氮肥工厂. 但是, 迄今为止所发现的绝大多数固氮微生物均不能在粮食作物水稻、小麦、玉米以及多种果树、蔬菜上固氮, 即使少数可以的话, 其固氮量也很少, 所以这些植物的高产不得不依赖化学氮肥. 30年后我国人口将达到16亿, 年需粮食6.4 × 108 t, 总计需尿素64 × 108 t. 按此需要, 至少还要新建很多氮肥厂, 投资上千亿元. 一方面, 适量使用化学氮肥可使粮食高产; 另一方面, 生产化学氮肥要大量消耗能源, 加重大气污染和温室效应. 大量施用化肥, 不仅提高农业生产成本, 而且导致水土污染, 影响健康和破坏生态平衡. 对于提高农业产量, 降低化肥用量和农业生产成本, 减少水土污染和疾病, 治理占我国国土面积约27%的荒漠化地区, 发展可持续农业, 生物固氮将起重要作用.研究生物固氮的作用机制有3个目的: (1) 提高固氮效率, 在理论上阐明影响固氮效率的原因, 在生产实际中提出有效措施; (2) 在研究根瘤菌与豆科植物相互作用和共生固氮的基础上, 扩大根瘤菌的宿主范围, 使其能在非豆科植物, 特别是主要粮食作物上固氮, 或将固氮基因转移到非豆科植物上, 实现其自主固氮; (3) 在研究固氮酶结构与功能的基础上, 进一步探讨化学模拟固氮酶作用机制, 发展化学催化理论, 改革目前合成氨工艺, 提供廉价氮肥.生物固氮是生命科学的重大问题之一, 是跨世纪的研究课题. 在当前生命科学的发展中由于基因组学和功能基因组学的建立和高新技术的创新, 又赋予生物固氮研究新的内涵和研究策略, 为实现固氮研究的目标增添了新的动力.本文叙述生物固氮的研究现状和发展, 着重介绍我国的研究概况和取得的成果, 并结合当前生命科学的进展, 展望生物固氮研究的前景.1生物固氮的研究现状当前, 国内外生物固氮研究已进入一个新阶段, 其特点是多学科交叉, 将基础研究和应用前景相结合, 开拓了思路. 当前生物固氮研究正在分子和原子水平上开展, 如: 固氮基因表达的铵阻遏和氧敏感机制; 共生结瘤固氮中植物与微生物相互关系的基因表达和调控; 根瘤菌结瘤因子的结构和生物合成; 根瘤菌及其宿主植物的基因组学、转录组学和蛋白质组学; 固氮酶的结构和功能及其化学模拟; 固氮效率的提高及其在农业和环境保护中的应用等. 这些研究要求生物学、农学、化学和物理学等学科的交叉和结合, 引入新概念和新技术, 综合进行.1.1固氮资源的发掘和应用生物固氮系统分为根瘤菌与豆科植物的共生结瘤固氮系统、联合(包括内生)固氮系统和自生固氮系统. 在共生固氮系统方面, 世界上有豆科植物19700种, 其中已知可以结瘤固氮的有2800多种, 占15%, 而对其共生固氮体系进行过研究的只占0.5%[1]. 不少国家, 特别是美洲和非洲国家, 积极发展种植大豆或其他豆科植物(美国大豆播种面积约占30%), 以发挥生物固氮作用, 减少化学氮肥用量, 取得了明显的经济效益. 在对联合(内生)固氮系统的研究中, 发现禾本科植物甘蔗内有内生固氮菌, 以光合产物为能源进行固氮, 可为甘蔗提供60%的氮素[2]. 这一发现为进一步开发联合(内生)固氮体系提供了突破空间和潜在的应用前景. 在自生固氮体系中, 发现一株嗜热放线菌(Streptomyces thermoautotrophicus)有耐氧的固氮酶[3], 为最终通过转基因手段实现非豆科植物自主固氮提供了可能的突破点.我国传统农业耕作过程中采用豆科植物与其他农作物套种、轮作等手段改良土壤环境, 提高农作物产量. 当前, 苜蓿等豆科植物在我国西部地区的开发及开展生态农业、退耕还林还草过程中正起着不可替代的作用. 我国共有豆科植物约1400多种. 多年来, 我国科学家以豆科植物根瘤菌为重点, 逐步摸清了我国豆科植物的根瘤菌资源, 进行了系统分类, 发现了一些新属、新种[4~7], 并建立了我国最大的根瘤菌数据库. 其中一个重要的发现是, 一种植物在不同的生态环境可与多种根瘤菌共生, 例如我国的大豆可与3个属、7个种的根瘤菌共生固氮, 而一种根瘤菌(如海南根瘤菌Rhizobium hanaese)可从13 属14种豆科植物的根瘤中分离. 其他很多植物与根瘤菌的关系也是如此. 这一研究说明豆科植物与根瘤菌共生的多样性, 修正并发展了传统的根瘤菌“寄主专一性”和植物“互接种族”的概念. 将为利用现代基因组学、功能基因组学和蛋白质组学手段, 探索最佳的结瘤固氮模式和微生物与植物相互作用的机理提供良好的研究材料.1.2生物固氮调控机理及植物与微生物的相互作用用自生固氮菌——克氏肺炎杆菌(Klebsiella pneumoniae) 研究固氮基因及其表达和调控机理, 有很多开创性工作, 如发现了固氮基因nifC,7个固氮基因nif操纵子连锁以及正调控基因nifA的调节机理及其对温度和氧的敏感性[8~10]. 豆科植物与根瘤菌之间的分子对话机理研究有了重大进展. 在能量供应方面, 弄清了根瘤菌在豆科植物根瘤中依靠植物提供四碳二羧酸糖作碳源用于固氮, 并发现了dctABD基因[11]; 重组根瘤菌已经构建成功, 并用于提高固氮效率[12,13]; 与粮食作物联合固氮的固氮螺菌(Azospirillum brasilence Yu62)的固氮调节机理也已逐步明朗, 为构建铵阻遏条件下也能固氮的基因工程菌株打下了理论基础[14]. 我国科学家在深入研究正调节基因(nifA)的表达及其产物(NifA)活性调节机制的基础上, 构建了不受铵阻遏的组成型表达的nifA质粒, 将其引入大豆根瘤菌(Bradyrhizobium japonica)和阴沟肠杆菌(Enterbacter cloacae)后, 固氮作用不受铵阻遏[15~19]. 用此基因工程菌株接种水稻可以增产[20,21]. 此外, 还开展了固氮基因负调节基因(nifL)的研究[22,23]. 我国分离的巴西固氮螺菌Yu62的固氮酶基因表达和活性双重调节机制研究已经比较清楚, 为构建耐铵泌铵的基因工程菌株和降低玉米化肥用量提供了理论基础[24~26]. 田间实验结果有实效, 施用工程菌株比不施用的对照增产21.1%, 比野生型菌剂增产8.5%. 在相同产量水平下可降低20%的氮肥使用量. 在共生固氮体系结瘤固氮基因表达调节研究的基础上, 发现苜蓿根瘤菌结瘤基因nodD3的表达不受苜蓿类黄酮物质的启动[27,28], 为扩大根瘤菌的宿主范围提供了理论根据. 同时, nodD3基因表达受到两个启动子的控制[29], 第2个启动子可以被NtrC激活[30]; 化学合成了苜蓿根瘤菌的结瘤因子[31]; 根据宿主植物对根瘤菌识别因子和固氮嫌氧机制的研究, 将豆科植物的凝集素基因和血红蛋白基因转入烟草和水稻, 获得基因表达, 为进一步研究非豆科植物和根瘤菌侵染的关系奠定了技术基础[32,33]. 近年来, 我国开展了特有的华癸根瘤菌(Sinorhizobium huakui)结瘤固氮基因表达调节的研究[34,35], 发现了微生物体内碳代谢与固氮及氮代谢的基因表达调节之间存在着偶联关系[36,37]. 这一发现不仅对生物固氮调控有重要意义, 也对基因表达调控基础研究有重要贡献, 为进一步研究光合和固氮之间的偶联提供了理论基础.1.3固氮酶的生物化学特性及其化学模拟国际上已经对固氮酶高分辨率的空间结构进行了研究, 阐明了其活性中心的原子簇FeMoco及其周围蛋白分子的三维结构[38,39]. Schmid等人[40]对棕色固氮菌缺失FeMoco的突变种nifB-Av1的钼铁蛋白组分做了晶体衍射结构分析, 发现4个亚单位中的1个构象发生了较大变化, 存在一个带正电的漏斗状(funnel)结构, 它足够容纳带负电的FeMoco的插入, 成为具有固氮功能的钼铁蛋白组分. 与此同时, 化学模拟固氮酶在温和条件下合成氨有了很大进展[41]. 在这个领域里我国也做了大量非常出色的工作: 固氮酶催化HD的形成绝对依赖于氮[42]; 在固氮酶催化还原N2的放氢机制中, 率先提出了双位点放H2模式, 对了解固氮酶催化机制有所发展[43]. 美国1992年用X光衍射确定固氮酶活性中心原子簇是由MoS3Fe和FeS3Fe3两个缺口的立方烷型簇合物组成[38], 通过3个非蛋白配体S桥联而成为一个笼(其顶端分别是Fe和Mo). 其实在此之前, 我国就已经合成了这两个簇合物[44]; 根据配位催化原理和化学探针思路, 提出活性中心原子簇笼应是活口的, N2还原成氨和质子还原成H2都是在笼内进行, 提出用于还原底物有两条质子通道的设想[45~47]. 这些进展对指导合成高效催化剂, 实现在温和条件下固氮有重要意义.1.4我国生物固氮研究成果的国际认可和曾经面临的困境“生物固氮”成为科学定义并开始大力研究已有114年的历史. 我国自1937年开始生物固氮研究, 已有65年历史. 20世纪70年代生物固氮研究在生物化学和分子遗传学等方面取得突破后, 我国也取得了一系列重要成果, 在国际上占有一定的地位, 在某些方面还具有重要影响. 因此, 国际生物固氮研究委员会主席W. Newton曾多次建议在中国召开国际生物固氮研究大会, 经研究决定2003年在北京召开第14届国际生物固氮大会.我国生物固氮研究的道路曲曲折折, 曾经有两种错误认识: 一是受到假冒伪劣生物固氮肥料的宣传的干扰, 认为生物固氮问题已经解决; 二是对国际和国内生物固氮研究的突破性进展了解不够, 认为难度大, 进展甚微, 国内经多年研究也未出成果. 两者的结果使我国的生物固氮研究面临严重困境.为防止困境再现, 经我国有关决策者和研究人员的共同努力, 恢复了固氮研究应有的地位. 这就为巩固研究成果, 继续发展, 不失时机地迎接生物固氮的重大突破的新时代的到来, 并把生物固氮研究中与生命科学其他学科相关的重大科学问题提高到一个新水平, 使其进一步为我国农业可持续发展做出重要贡献.2生物固氮研究的展望根据国际上生物固氮研究的发展和我国的具体情况, 我国生物固氮研究应着重下列几个方面.2.1联合(内生)固氮菌固氮基因调控及其在提供氮素中的作用联合或内生固氮菌大多数是自生固氮菌, 其固氮作用大小极易受外界环境因素(氧、铵、温度等)的制约. 在自然状态下有些固氮菌与植物有着松散的联合, 或进入植物成为内生菌, 这就为进一步利用这些固氮生物给植物提供氮素创造了更多的机会. 在研究固氮基因表达和调控的基础上, 有针对地进行固氮菌的遗传改造, 构建高效的固氮菌株, 以提高固氮效率, 减少化肥施用, 为作物提供更多的固氮量[13,14,20,21].2.2根瘤菌与豆科植物共生结瘤固氮的信号传递和分子相互作用豆科植物共生固氮由于其固氮作用的高效率, 始终是生物固氮研究的焦点之一. 根瘤菌与豆科植物之间的信号传递、相互识别、基因的顺序性表达和调节对根瘤的形成、发育和固氮作用的大小等有着错综复杂的联系. 苜蓿根瘤菌和苜蓿的共生结瘤固氮是共生固氮的模式系统, 研究最为集中, 但仍然有很长的路要走. 如果考虑到地区不同和自然环境的差异, 即使是同一模式系统也会有不同的差异表现, 更何况还有特异的共生固氮系统? 在分子水平上阐明两者相互作用的机理, 一方面旨在提高共生固氮的效率, 另一方面还可以为扩大根瘤菌宿主范围, 为实现粮食作物共生固氮提供理论依据和技术措施.2.3氮、碳代谢和固氮与光合作用的偶联氮、碳代谢是一切生物最基本的代谢作用, 而且是相互联系的. 固氮作用需要消耗作为能源的碳源. 植物共生固氮中固氮作用的能源直接来自光合作用. 固氮生物有选择性地利用碳源, 其中以四碳二羧酸糖的利用较好. 固氮生物在氮、碳代谢的基因表达中, 分别利用RNA聚合酶的σ54和σ70. 碳代谢调控蛋白CRP(carbon receptor protein)与结合在启动子上的σ54相互作用, 使依赖σ54的dctA和glnAp2等基因启动子的表达受到抑制[36,37], 其结果就在分子水平上将氮、碳代谢联系起来. 最近研究证明, CRP-cAMP同样抑制肺炎克氏杆菌nif基因的表达, 而且其抑制作用的大小与启动子上有无潜在的CRP结合位点直接相关[48,49].豆科植物是C3植物, 固氮作用需消耗光合作用能量的10%, 因此减产达5%, 固氮不增产[50]. 虽然在大豆根瘤菌中增加nifA正调控基因的拷贝数, 可以提高固氮作用, 增加产量[51,52], 但仍然需要植物提高光合作用效率, 才能满足既不施或少施氮肥, 又能达到增产的目的. 如何提高豆科植物的光合作用效率, 是光合作用和固氮作用的共同研究问题. 现有报道表明, 通过诱变获得高光效的大豆品种, 产量可提高30%左右[53]. 这一品种将为固氮和光合偶联研究提供了材料. 另一途径是通过转基因技术将C4植物的基因转入豆科植物, 使其变成C4植物. 这种可能性是存在的, 最近已经将玉米光合作用C4途径的基因转入水稻, 获得高光效增产幅度较大的转基因水稻[54~56], 这为获得C4豆科植物提供了借鉴.2.4共生固氮中包括蛋白质组学在内的功能基因组学研究共生固氮功能基因组学和蛋白质组学研究包括根瘤菌和宿主植物两个方面. 功能基因组学研究的前提是对目的生物的基因组进行全序列分析. 目前国际上已经对苜蓿根瘤菌基因组进行了全序列分析[57], 接着是大豆根瘤菌和百脉根根瘤菌(Rhizobium loti)基因组. 在宿主植物方面已经启动了对苜蓿Medicago sativa Lin)、大豆(Glycine max Lin)和百脉根(Lotus corniculatu)基因组序列的分析[58~60]. 这些研究成果将为固氮功能基因组和蛋白质组学研究奠定基础和建立技术平台. 目前, 固氮功能基因组和蛋白质组学已经陆续有所报道[61~63]. 固氮资源生物多样性研究表明, 不同根瘤菌可与同一豆科植物相互作用结瘤固氮, 但它们之间的结瘤固氮效率却大不相同. 同样, 同一根瘤菌可与不同属的豆科植物结瘤固氮[64]. 这一结果为开展共生固氮功能基因组学和蛋白质组学研究奠定了基础. 可以充分利用公布的苜蓿根瘤菌基因组序列, 通过RNA 和蛋白质差异显示法和微阵列法, 对不同苜蓿根瘤菌基因组及其突变株在共生条件下进行功能比较, 对不同根瘤菌在同一豆科植物结瘤的不同根瘤素基因表达进行比较, 将可大大推进共生结瘤固氮中微生物与植物相互作用机理的研究. 在此基础上, 还可寻找非豆科植物, 特别是禾本科植物中是否有以及有多少类似于豆科植物的根瘤素存在, 从而最终为非豆科植物的共生固氮和自主固氮提供策略和技术路线. 无疑, 共生固氮功能基因组和蛋白质组学研究将具有更为重大的科学意义和潜在的实际意义.致谢感谢沈善炯、李季伦和朱家壁教授对文稿的建议和修改及林敏、陈文新、周朝晖等教授所提供资料. 本工作为国家重点基础研究发展规划资助项目(批准号: 2001CB108904).参考文献1 Denarie J, Roche P. Rhizobium nodulation signals. In: Verma D PS. Molecular Signals in Plant-Microbe Communications. Boca Raton/Ann Arber/London: CRC Press, 1991. 296~3242 Pliverira A L M, Urquiaga S, Dobereiner J, et al. Biologicalnitrogen fixation (BNF) in micropropagated sugarcane plants inoculated with different endophytic diazotrophic bacteria. In: Pedrosa F O, Hungria M, Yates M G, eds. Nitrogen Fixation: From Molecules to Crop Productivity. Dordrecht/Boston/London: Kluwer Academic Publishers, 1999. 4253 Ribbe M, Gadkari D, Meyer O. N2 fixation by Streptomycesthermoautotrophicus involves a molybdenum-dinitrogenase and a manganese-superoxide oxidoreductanse that couple N2 reduction to the oxidation of superoxide produced from O2 by a molybdenum-CO dehydrogenase. J Biological Chemistry, 1997, 272: 26627~266334 Tan Z Y, Xu X T, Wang E T, et al. Phylogenic and geneticrelationoships of Mesorhizobium tianshanenese and related rhizobia. Int J Syst Bacteriol, 1997, 47: 874~8795 Wang E T, van Berkum P, Sui X H, et al. Diversity of rhizobiaassociated with Amorpha fruticosa isolated from Chinese soils and description of Mesorhizobium zmorpphae sp nov. Int J Syts Bacteriol, 1999, 49: 51~656 Tan Z Y, Wang E T, Peng G X, et al. Characterization of bacteriaisolated from wild legumes in the North-Western regions of China.Int J Syst Bacteriol, 1999, 49: 1457~14697 Yan A M, Wang E T, Kan F L, et al. Sinorhizobium melilotiiassociated with Medicago sativa and Melilotus spp. Int J Syst Bacteriol, 2000, 50: 1887~18918 Shen S C. Organization and regulation of nitrogen fixation genes:1974~1995. In: Kung S D, Yang S F, eds. Discoveries in Plant Biology. Vol Ⅲ. Dordrecht/Boston/London: World Scientific Press, 2000. 383~3929 朱家壁, 俞冠翘, 江群益, 等. 基因nifA产物对肺炎克氏杆菌(Klebsiella pneumoniae)gln突变型的Nif−表型的校正和固氮酶的组成型合成的作用. 中国科学, B辑, 1983, (8): 688~69610 Hu B, Zhu J B, Shen S C, et al. A promoter region binding proteinand DNA gyrase regulae anaerobic transcription of nifAL in Enterbacter cloacae. J Bacteriol, 2000, 182: 3920~392311 Wang Y P, Birkenhead K, Boesten B, et al. Genetic analysis andregulation of the Rhizobium melilotii genes controlling C4- dicarboxylic acid transport. Gene, 1989, 85: 135~14312 Bosworth A H, Williams M K, Albrecht K A, et al. Alfalfa yieldresponse to inoculation with recombinant strains of Rhizobiummelilotii with an extra copy of dctABD and/or modified nifAexpression. Appl Environ Microbiol, 1994, 60: 3815~383213 林敏, 尤崇杓, 刘永正, 等. 重组耐铵固氮菌株的田间长期定点释放试验. 生物技术学报, 1995, 1: 28~3314 李永兴, 李久蒂, 卢林刚, 等. 玉米联合固氮工程菌Enterobactergergivuae E7 在田间的接种效应. 中国农业科学, 2000, 33: 72~7715 Shen S C, wang S P, Yu G Q, et al. Expression of the nodulationand nitrogen fixation genes in Rhizobium melilotii during development. Genome, 1989, 31: 354~36016 王水平, 朱家璧, 俞冠翘, 等. 苜蓿根瘤菌(Rhizobium meliloti)nifA基因的异源表达及其产物的氧敏感性. 中国科学, B辑, 1990, (3): 261~26617 Deng X P, Shen S C. Structure and oxygen sensitivity of nifLApromoter of Enterobacter cloacae. Science in China, Ser B, 1995,38(1): 60~6618 赵洁平, 戴小密, 许玲, 等. 固氮正调节基因nifA促进大豆根瘤菌的结瘤效率. 科学通报, 2001, 46(23): 1984~198719 高云峰, 吴桐, 朱家璧, 等. 苜蓿根瘤菌固氮酶基因启动子P1转录起始点下游顺序(DS)的特性. 中国科学, C辑, 1996, 26(2): 100~10620 沈炳福. 水稻对耐铵工程固氮菌株的响应. 植物生理学报, 1995,21: 302~30621 张福星, 尤崇杓, 卢婉芳. 环境因子变化的水稻氮素吸收及接种效应的影响. 农业生物技术学报, 1995, 1: 93~9822 Hu B, Zhu J B, Shen S C, et al. A promoter region binding proteinand DNA gyrase regulae anaerobic transcription of nifAL in Enterbacter cloacae. J Bacteriol, 2000, 182: 3920~392323 Xiao H, Shen S C, Zhu J B. NifL, an antagonistic regulator ofNifA interacting with NifA. Science in China, Ser C, 1998, 41(3): 303~30824 何路红, 阎大来, 马旅雁. 肺炎克氏杆菌nifA基因在巴西固氮基因表达的铵调节中的作用. 生物工程学报, 1995, 11: 385~388 25 马旅雁, 吴奥, 赵银锁. 巴西固氮螺菌Yu62 dragTG基因及其下游区域的定位诱变. 生物工程技术学报, 1999, 15: 281~28726 马旅雁, 李季伦. 巴西固氮螺菌Yu62 dragTG基因启动子区域的核苷酸序列及其功能分析.生物工程学报, 1997, 13: 343~34927 朱冰, 戴小密, 朱家璧, 等. 苜蓿根瘤菌nod D3P1启动子下游序列的调节功能. 科学通报, 1999, 44(21): 2308~231228 Yu G Q, Zhu J B, Gu J, et al. Evidence that the nodulationregulatory gene nodD3 of Rhizobium melilot i is transcribed from two separate promoters. Science in China, Ser B, 1993, 36: 225~ 23629 吴桐, 朱家璧, 俞冠翘, 等. 苜蓿根瘤菌多拷贝固氮基因启动子对根瘤发育的抑制. 中国科学, B辑, 1994, 24(10): 1053~105930 陈迪, 刘彦杰, 朱家璧, 等. 苜蓿根瘤菌(Sinorhizobium meliloti)nodD3P1启动子下游序列的缺失和互补分析. 中国科学, C辑, 2002, 32(6): 512~51831 Wang L, Li C, Wang Q, et al. Chemical synthesis of NodRm-1:thenodulation factor involved in Rhizobium melilotii-legume symbiosis. J Chem Soc Perkin Trans, 1994, 1: 621~62832 ZhangJ X, Jing Y, Shen S H, et al. Transformation of twonitrogen-fixation-related plant genes into tobacco and their expressions. Acta Botanica Sinica, 2000, 42: 834~84033 Zhang J X, Wang Y P, Sheng S H, et al. Transformation of pealectin gene and Parasponia haemoglobin gene into rice and their expressions. Acta Botanica Sinica, 2001, 43: 267~27434 金润之, 江群益, 沈思师, 等. 紫云英根瘤菌nif DNA的分子克隆. 科学通报, 1992, 37(17): 1603~160635 金润之, 朱劲松, 江群益, 等. 紫云英根瘤菌Ra159的巨大质粒上存在有nod和nif基因的证明. 微生物学报, 1993, 33: 170~173 36 Wang Y P, Kolb A, Buck M, et al. CRP interacts withpromoter-bound σ54 RNA polymerase and blocks transcriptional activation of the dctA promoter. EMBO J, 1998, 17: 786~79637 Tian Z X, Li Q S, Buck M, et al. The CRP-cAMP complex anddownregulation of the glnAp2 promoter provides a novel regulatory linkage between carbon metabolism and nitrogen assimilation in E. coli. Mol Microbiol, 2001, 4: 911~92438 Kim J, Rees D C. Structural models for the metal centers in thenitrogenase molybdenum-ion protein. Science, 1992, 257: 1677~ 168239 Chan M K, Ress D C. The nitrogenase FeMo-cofactor andP-cluster pair: 0.22 nm resolution structure. Science, 1993, 260: 797~794 40 Schmid B, Ribbe M W, Einsle O, et al. Structure of acofactor-deficient nitrogenase MoFe protein. Science, 2002, 296: 352~35641 Nishibayashi Y, Iwai S, Hidai M. Bimetallic system for nitrogenfixation: ruthenium-assisted protonation of coordinated N2 on tungsten with N2. Science, 1998, 279: 540~54242 Li J, Burris R. Influence of pN2 and pH2 on HD formation byvarious nitrogenase. Biochemistry, 1983, 22: 4472~448043 张振挥, 吴柏和, 李季伦. 固氮酶催化的放H2反应. 微生物学报, 1993, 33: 320~33044 吴新涛, 卢嘉锡. 固氮酶活性中心网兜模型的回顾和前瞻. 科学通报, 1995, 40(7): 577~58145 Tsai K R, Wan H L. On the structure-function relationship ofnitrogenase M-cluster and P-cluster pairs. J Cluster Sci, 1995, 6: 485~50146 周朝晖, 颜文斌, 张凤章, 等. 固氮酶催化作用机理及其化学模拟, 厦门大学学报, 2001, 40: 320~32947 Zhou Z H, Yan W B, Wan H L, et al. Synthesis and characterization ofhomochiral polymeric S-malato molybdate (Ⅵ): toward the potentially stereospecific formation and absolute configuration of iron-molybdenum cofactor in nitrogenase. J Inorganic Biochem, 2002, 90: 137~14348 李稚婷, 孙义成, 毛贤军, 等. 碳代谢总体调控蛋白CRP对肺炎克氏杆菌启动子的抑制作用. 科学通报, 2002, 47(15): 1133~113949 李稚婷, 张维佳, 王忆平. 碳代谢总体调控蛋白CRP对nifA启动子的抑制作用不依赖于该启动子上游CRP与nifA竞争的靶位点. 科学通报, 2002, 47(16): 1242~124650 Bergersen F J. The Central reaction of nitrogen fixation. Plant andSoil, 1971, Special Vol: 511~52451 陈昌斌, 戴小迷, 俞冠翘, 等. 组成型nifA对根瘤菌(Rhizobiumfredii) HN01 lux结瘤效率的促进作用. 科学通报, 1999, 44(5):529~53352 Li Y, Zhou J C. Influence of introduced extra nifA gene onrhizosphere colonization and competition for nodule occupancy by Sinorhizobium fredii strain HN02 NL. J Huazhong Agrecultural University, 2000, 19: 198~20353 Hao N B, Du W G, Ge Q Y, et al, Progress in the breeding ofsoybean for high photosynthetic efficiency. Acta Botanica Sinica, 2002, 44: 253~25854 Ku M S B, Agarie S, Nomura M, et al. High-level expression ofmaize phosphoenolpyruvate carboxylase in transgenic rice plants.Nat Biotech, 1999, 17: 76~8055 焦德茂, 李霞, 黄雪清, 等. 转PEPC基因水稻的光合CO2同化和叶绿素荧光特性. 科学通报, 2001, 46(5): 411~41856 Huang X Q, Jiao D M, Chi W, et al. Characteristics of CO2exchange and chlorophyll fluorescence of transgenic rice with C4 genes. Acta Botanica Sinica, 2002, 44: 405~41257 Galibert F, Finan T M, Long S L, et al. The composite genome ofthe legume symbiont Sinorhizobium melilotii. Science, 2001, 293: 668~67258 Bell C J, Dixon R A, Farmer A D, et al. The Medicago genomeinitiative: A model legume database. Nucleic Acids Res, 2001, 29(1): 114~11759 Shoemaker R, Keim P, Vodkin L, et al. A compilation of soybeanESTs: generation and analysis. Genome, 2002, 45: 329~33860 Marek LF, Mudge J, Damielle L, et al. Soybean genomic survey:BAC-end sequences near RFLP and SSR markers. Genome, 2001, 44: 572~58161 Panter S, Thomson R, de Bruxelles G, et al. Identification withproteomics of novel proteins associated with the peribacteroid membrane of soybean root nodules. Molecular Plant-Microbe Interactions, 2000, 13: 325~33362 Mathesius U, Keijzers G, Natera S H, et al. Establishment of aroot proteome reference map for the model legume Medicago truncatula using the expressed sequence tag database for peptide mass fingerprinting. Proteomics, 2001, 1: 1424~144063 Natera S H, Guerreiro N, Djoefievic M A. Proteome analysis ofdifferentially displayed proteins as a tool for the investigation of symbiosis. Mol Plant-Microbe Interact, 2000, 13: 995~100964 张海瑜, 张海予, 李小红, 等. 一株能在苜蓿上结瘤的费氏中华根瘤菌. 微生物学报, 2001, 41: 129~132(2002-08-28收稿, 2002-11-28收修改稿)・动 态・ 第１４届国际固氮大会将在北京召开 生物固氮与光合作用是自然界给予人类的两大贡献,它们分别提供了植物生长的氮源和碳源, 从而提供了人类社会发展的最基础的物质条件, 是农业生物学最基础的研究课题.国际固氮大会是生物固氮研究领域规模最大、规格最高、权威性最强的国际学术会议. 它每两年召开一次, 此前历届都由欧美各国主办, 本届大会是首次在中国召开,这也是亚洲首次取得举办权. 大会将于2003年11月1～6日在北京国际会议中心举行. 在国际固氮管理委员会的大力支持下, 囊括国际上本研究领域最著名专家学者(36人)的国际顾问委员会以及囊括国内本研究领域最著名专家学者(30人, 其中包括6位中国科学院院士)的国家委员会已经成立.大会预计将有1000名左右中外科学家参加, 将特邀本研究领域最著名的专家学者到会并做大会报告, 其中包括国际固氮管理委员会成员10名、国际固氮咨询委员会成员36名及其他大会特邀报告人40名左右.本届大会将包括4个全会和12个分会. 全会议题为: 1. 生物固氮基础研究; 2. 可持续农业与生物固氮的限制性因素; 3. 生物固氮研究前沿(新技术、基因组研究、固氮生物体系); 4. 根瘤菌-豆科植物共生体系. 分会议题为: 1. 固氮酶的生物化学及其化学模拟; 2. 固氮遗传与调控;3. 根际联合固氮及其内生固氮;4. 放线菌共生体系与林业;5. 光合固氮菌;6. 固氮微生物及其相关植物的基因组研究;7. 固氮微生物在可持续农业及其生物修复中的应用;8. 胁迫应答(耐盐)及其他生物固氮限制因素;9. 固氮体系的系统发育及其共生进化; 10和11. 根瘤菌-豆科植物共生体系; 12. 与发展中国家合作的生物固氮研究等当前生物固氮研究领域的各个方面.详细情况请参照网站提供的信息. 会议费用及要求等信息将在网站上公布.联系方式： 地 址： 北京大学生命科学学院(100871)联系人： 李凤梅王忆平电 话：010-6275 1006传 真： 010-6275 6325E-mail：mm307@。
生物固氮研究报告
生物固氮研究报告
标题：生物固氮研究报告
摘要：
本研究报告探讨了生物固氮的过程、机制以及其在农业生产中的应用。
生物固氮是指一种过程，通过该过程，某些生物能够将大气中的氮气转化为可供植物利用的形式，从而满足植物的氮营养需求。
这一过程对于生态系统的氮循环具有重要意义，也对农业生产的可持续发展起到了至关重要的作用。
研究方法：
本研究使用田间实验方法，选择了几种生物固氮相关的微生物和植物进行观察和研究。
通过收集土壤样本和植物根系样本，并进行实验室分析，以评估这些微生物在土壤中固氮的能力以及它们与植物的共生关系。
同时，也进行了田间试验，观察不同固氮微生物对作物生长和氮肥利用的影响。
研究结果：
研究表明，生物固氮的能力在不同微生物和植物之间存在差异。
一些固氮微生物，如根瘤菌和蓝绿藻，能够与植物建立共生关系，并通过将氮气固定为植物可利用的铵态氮来提供植物所需的氮营养。
这对于减少对化学氮肥的依赖，提高土壤质量和农产品质量具有重大意义。
此外，研究还发现，通过优化固氮微生物的应用方式和施肥管理措施，能够进一步提高生物固氮的效果。
结论：
生物固氮是一种可行的方法，用于实现农业生产的可持续发展。
通过建立良好的共生关系，利用固氮微生物将大气中的氮转化为植物可利用的形式，可以减少对化学氮肥的需求，减少对环境的负面影响，提高土壤质量，并提高农产品的产量和品质。
未来的研究应进一步深入了解生物固氮的机制，并探索更有效的固氮微生物应用方式。
生物固氮——精选推荐
生物固氮概念、类型、复合物及机制、所需条件、前景等几方面来写，重在谈复合物及机制生物固氮摘要具有生物固氮能力的仅限于原核生物，即细菌和蓝绿藻。
通过对生物固氮机制、生物固氮微生物与生物固氮微生物和植物之间的关系的研究，将生物固氮作用应用于农业定将在增加作物氮源供应、培肥地力、减少化肥用量、提高作物产量，以及促进农业生产的持续发展和环境保护方面发挥其效力。
关键词生物固氮种类和特点固氮机制应用近20年来，生物固氮研究异常活跃，已成为世界范围的重要课题。
纵观当前生物固氮研究的内容，大致有以下三个方面，即固氮资源的有效利用，固氮的遗传工程和化学模拟固氮。
在固氮资源的有效利用方面，许多国家都在大力发展豆科作物，通过其有效的共生固氮体系，增加生物氮源，改善土壤肥力，以促进农业增产。
此外，接种根瘤菌提高豆科作物产量已在全世界范围内使用。
在稻田里接种和放养红萍和固氮蓝藻，既能增加土壤中生物氮数量，又能提高水稻的产量。
这种共生固氮途径的有效利用，在我国和东南亚一些国家已有悠久的历史。
随着分子生物学的进展，固氮的遗传工程受到了广泛重视，已成为目前最活跃的研究领域。
1 生物固氮概念1.1 生物固氮是指固氮微生物将大气中的氮气还原成氨的过程。
固氮生物都属于个体微小的原核生物，所以，固氮生物又叫做固氮微生物。
2 生物固氮的种类和特点固氮微生物多种多样，不同的划分标准满足了不同的要求。
从它们的生物固氮形式来分，有自生固氮、联合固氮、和共生固氮3种。
2.1 自生固氮微生物自生固氮微生物是指能够在自由生活状态下固氮的微生物总称。
在自然界，自生固氮微生物种类很多，分散地分布在细菌和蓝细菌的不同科、属和不同的生理群中；并大致可以分为光合细菌和非光合细菌两类。
前者如红螺菌、红硫细菌和绿硫细菌等，其中的某些种类可与其它微生物联合而相互有利；后者的种类很多。
根据非光合细菌的自生固氮菌对氧的需求，可以分为厌氧的细菌如梭状芽胞杆菌；需氧细菌如自生固氮菌、贝捷林克氏固氮菌、固氮螺菌等；以及兼性细菌如多粘芽胞杆菌、克鲁伯氏杆菌、肠杆菌等。
生物固氮菌的研究报告
生物固氮菌的研究报告摘要生物固氮菌是一类重要的微生物，它们具有固定大气中的氮气能力，将其转化成可供植物吸收利用的形式。
本文通过对生物固氮菌的研究进行了综述，包括其分类、生活特性、作用机制以及在农业领域的应用等方面。
通过对相关文献资料的调研，我们了解到生物固氮菌在土壤肥力改善、植物生长促进和环境保护方面具有巨大潜力。
然而，生物固氮菌的研究还存在一些挑战，如固氮效率的提高、固氮菌的筛选和应用技术的改进等。
因此，我们需要进一步加强对生物固氮菌的研究，以实现农业可持续发展和环境保护的目标。
引言固氮菌是一类具有重要生物学功能的微生物，其能力在农业和环境领域具有广泛应用。
固氮菌通过将空气中的氮气转化为可供植物吸收利用的氨或亚硝酸盐，并促进土壤肥力的提高。
因此，研究生物固氮菌对于农业的可持续发展和环境保护至关重要。
本文将综述生物固氮菌的分类、生活特性、作用机制以及在农业领域的应用，并探讨其研究现状以及未来的发展方向。
一、生物固氮菌的分类根据其菌落特征以及生理生化分类等多种方法，可以将生物固氮菌分为不同的类群。
最常见的分类方法是根据生物固氮菌在土壤中的生理生化特征将其分为两大类：自由生活固氮菌和共生固氮菌。
1. 自由生活固氮菌自由生活固氮菌是指在土壤中独立生活并具有固氮能力的菌群。
它们广泛存在于土壤、水体和植物内部等环境中，主要以自由态的形式存在。
自由生活固氮菌可以固氮产生胞外酶，通过酷热或低温、风化或静脉等多种因素的调节，以适应不同的生存环境。
代表性的自由生活固氮菌有蓝藻类和假单胞菌等。
2. 共生固氮菌共生固氮菌是指与植物形成共生关系，并在植物体内固氮的菌群。
它们通常以根瘤菌和蓝藻类等形式存在。
共生固氮菌通过与植物根系形成共生关系，进入植物根系内部，利用植物根系提供的环境来生活和繁殖，并固定大气中的氮气。
共生固氮菌与植物的共生关系对植物生长和发育具有重要影响，有助于植物生长和抗逆性的提高。
二、生物固氮菌的生活特性生物固氮菌在光合作用、代谢途径、生物生成物质等方面都具有独特的特性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
生物固氮研究的前沿介绍（李季伦）
氮是构成生物的主要元素之一，但分子态 N2却不能被生物直接利用，只有氨态氮(NH4+)才能掺入细胞内各种含氮的有机化合物中，其中包括重要的生物大分子——蛋白质和核酸。
动植物本身都没有将N2还原成NH3的能力，但是有些原核生物的细
菌和古菌(并非全部)却有这种能力，称为生物固氮。
化学合成氨和生物固氮都是将N2还原成 NH3。
由于N2分子之间是三键，即 N≡N，键能高，需要很高的能量才能将N≡N打开，化学合成氨必须在高温(350O C)和高压(500大气压)并以 Fe2+做催化剂时才能将 N2加3H2还原成2NH3，不但消耗大量不可再生的能源，而且要在耐高温高压的设备中进行，成本高；生产过程中排出的大量 CO2，增加了温室效应。
此外，农业生产大量施用化学氮肥(铵盐或尿素)会造成土壤板结，且被植物有效利用的还不到40％，其余的有些在土壤中矿化固着，有些被土壤中的硝化细菌氧化成亚硝酸和硝酸，随水流入江河、湖泊和渗入地下水，造成水质污染；或在脱氮反硝化细菌的作用下释放出 N2而回归大气中。
生物固氮也要消耗固氮菌氧化碳水化合物所产生的高能化合物，即 ATP，但这种反应是固氮菌细胞内的固氮酶在常温常压下催化完成的，是清洁的天然氮肥厂。
固氮菌种类各异，在不同的生态条件下，生活着不同类型的固氮菌。
有的可侵入豆科植物或某些非豆科树木的根部形成根瘤，根瘤菌栖居在根瘤内，依靠宿主植物光合作用合成的可再生的能源将 N2固定成氨，随即生成氨基酸，提供宿主植物以有机氮源，两者形成互利的共生关系，称为共生固氮。
共生固氮的效率很高，其固氮量可高达10—15公斤氮素／每亩／每年。
因此栽培豆科作物只需使用少量种肥，可以节约大量化学氮肥。
但是共生固氮的宿主植物范围有限，非豆科的粮食作物(如水稻、小麦、玉米等禾本科植物)、棉花、大多数果树和蔬菜等，都没有与之共生的固氮菌，尽管在土壤中也自由生活着各式各样的固氮菌，但由于受种种因素(如土壤中缺乏可被利用的能源或含氮量较高等)的限制，它们的固氮效率不高，为植物提供的氮素很少，特别是当土壤中含化合态氮(如铵盐或硝酸盐)较高时，自生固氮菌便停止固氮，而利用土壤中存留的氮源进行生长繁殖，并未增加土壤中的含氮量。
在原始森林和草原的土壤中和海洋里生活的固氮菌，由于环境中含氮量低，可固定较多的氮素，提供植物生长的需要。
由以上所介绍的生物固氮的知识，我们不禁要问：
第一、为什么只有某些原核的细菌和古菌才能固氮，而真核的真菌和高等动植物都不能固氮?目前己知这是不同生物的遗传性决定的。
凡是固氮菌
都有与固氮有关的基因，特别是编
图1 奇形怪状的细菌
图2 银合欢根瘤菌
图3 根瘤菌
码固氮酶的基因；而不能固氮的生物中没有这些基因。
既然如此，为何不利用现代的生物技术向高等植物中转移固氮基因，使高等植物既能固碳(利用光能将H2O和 CO2合成碳水化合物，即植物的光合作用)又能固氮，不再施用化学氮肥，岂不最好?
第二、为什么共生固氮菌的宿主植物范围仅限于豆科植物和某些非豆科树木?把宿主植物的范围扩大到其它植物，特别是粮食作物中，使之也能共生固氮，不是可以大大降低化学氮肥的用量吗?
第三、为什么环境中有化合态氮时自生固氮菌就停止固氮?把自生固氮菌改造成在外界有化合态氮时，也能固氮不是更好吗？
第四、为什么由固氮酶催化的生物固氮能在常温常压下进行，而由 Fe催化的化学合成氨却在高温高压下才能完成?能否
模拟固氮酶用化学方法合成高效催化剂，使化学合成氨也在常温常压下完成？
上述问题是生物固氮研究领域中的几个难问题，也一直是生物固氮研究的前沿课题，由于问题复杂，虽然有些问题已被逐步阐明，但至今仍未成为现实。
相信随着科技的不断发展和科学家们的孜孜以求，距离上述目标的实现将会越来越近。
我有幸参与了生物固氮的研究，在固氮酶催化和固氮酶基因的表达以及固氮酶活性调节的机制方面，做了一些基础性的工作，至今仍在努力不断学习和工作，因为生物固氮的研究是十分复杂而且诱人的，我热爱我的工作。
图4 固氮菌
图5 一支注射针头在显微镜下可观察到的细菌。