固氮菌研究现状及前景分析
- 1 - 固氮菌的研究现状及应用前景观望
(山东农业大学 生科院生物工程2010级3班 司庆刚 20102917)
摘要：
固氮作用是分子态氮被还原成氨和其他含氮化合物的过程。自然界氮（N2）的固定有两种方式：一种是非生物固氮，即通过闪电、高温放电等固氮，这样形成的氮化物很少；二是生物固氮，即分子态氮在生物体内还原为氨的过程。大气中90%以上的分子态氮都是通过固氮微生物的作用被还原为氨的。固氮菌所进行的生物固氮作用是土壤中氮素的主要来源，也是固氮微生物参与自然界氮素循环的主要环节，固氮菌主要包括自生固氮菌、共生固氮菌和联合固氮菌，涵盖固氮细菌和固氮蓝细菌两者共59个属[1]。本文将对固氮菌固氮作用的应用、基因工程育种在固氮菌研究上的应用以及固氮菌的最新研究进展等方面进行分析。
关键词：
固氮菌 应用 前景
Summary:
Nitrogen fixation (nitrogen fixation) is reduced into ammonia and other nitrogenous compounds to the process
of molecular nitrogen. Nature nitrogen (N2) fixation in two ways: a non-biological nitrogen fixation, nitrogen
fixation by lightning, high temperature discharge nitride formed so rarely; biological nitrogen fixation,
molecular nitrogen to ammonia in vivo reduction process. More than 90% of the atmosphere of molecular
nitrogen through nitrogenase action of microorganisms is reduced to ammonia. Biological nitrogen-fixing
is the main source of nitrogen in soil, also is the main process that N-fixing bacteria take part in
natural nitrogen cycle. N-fixing bacteria include free-living nitrogen fixing bacteria, symbiotic
nitrogen fixing bacteria and associative nitrogen fixing bacteria. This article will introduce the
application of nitrogen bacteria and the perspective of nitrogen fixing bacteria. [2]
Key word：
Nitrogen-fixing bacteria Application Perspective
研究现状：
固氮微生物包括自生固氮菌、共生固氮菌以及联合固氮菌三大类型。对固氮菌的研究在农业生产，增加作物产量以及合成蛋白质等方面有着极其重要的应用。目前固氮菌肥料的生产是最主要的固氮菌应用方式。固氮菌肥料是利用固氮微生物将大气中的分子态氮气转化为农作物能利用的氨，进而为其提供合成蛋白质所必需的氮素营养的肥料[3]。
固氮菌肥料是最理想的、最有发展前途的肥料。目前固氮菌肥料的生产基本上采用液体发酵的方法。产品可分液体菌剂和固体菌剂。从发酵罐发酵结束后及时分装即成液体菌剂，发酵好的液体再用灭菌的草炭等载体吸附剂进行吸附即成固体菌剂[4]。自身固氮菌不与高等植物共生，没有寄主选择，而是独立生存于土壤中，利用土壤中的有机质或根系分泌的有机物作碳源来固定空气中的氮素，或直接利用土壤中的无机氮化合物。固氮菌肥对各种作物及蔬菜都有一定增产作用。 - 2 - 一. 固氮作用分类：
1.生物固氮
自生固氮菌是自由生活在土壤或水域中，能独立进行固氮作用的某些细菌。以分子态氮为氮素营养，将其还原为NH3，再合成氨基酸、蛋白质。包括好氧性细菌，如固氮菌属、固氮螺菌属以及少数自养菌；兼性厌氧菌，如克雷伯氏菌属；厌氧菌，如梭状芽孢杆菌属的一些种。还有光合细菌如红螺菌属、绿菌属以及蓝细菌（蓝藻），如鱼腥藻属、念珠藻属等。
1.1共生固氮
共生固氮菌在与植物共生的情况下才能固氮或才能有效地固氮，固氮产物氨可直接为共生体提供氮源。共生固氮效率比自生固氮体系高数十倍。主要有根瘤菌属的细菌与豆科植物共生形成的根瘤共生体，弗氏菌属与非豆科植物共生形成的根瘤共生体；某些蓝细菌与植物共生形成的共生体，如念珠藻或鱼腥藻与裸子植物苏铁共生形成苏铁共生体，红萍与鱼腥藻形成的红萍共生体等。在实验条件下培养自生固氮菌，培养基中只需加入碳源（如蔗糖、葡萄糖）和少量无机盐，不需加入氮源，固氮菌可直接利用空气中的氮（N2）作为氮素营养；如培养根瘤菌，则需加入氮素营养，因为根瘤菌等共生固氮菌，只有与相应的植物共生时，才能利用分子态氮（N2）进行固氮作用。
1.2联合固氮
近年在上述两个类型之间又提出一个中间类型，称为联合固氮。即有的固氮菌生活在某些植物根的粘质鞘套内或皮层细胞间，不形成根瘤，但有较强的专一性，如雀稗固氮菌与点状雀稗联合，生活在雀稗根的粘质鞘套内，固氮量可达15～93千克/公顷·年。其他如生活在水稻、甘蔗及许多热带牧草的根际的微生物，由于与这些植物根系联合，因而都有很强的固氮作用。
1.3电离固氮
即采用人工或自然的方式，使空气中的氮气转化为氮化物。电离作用和大自然中的闪电能使空气的氮气和氧气产生化合作用，形成 一氧化氮，一氧化氮极其不稳定，会瞬间被氧化成二氧化氮。二氧化氮溶于水形成稀薄的硝酸，而硝酸会与土壤里的元素形成氮化物，从而被植物吸收。
自然界有生物固氮能力的生物只限于极少数低等的原核微生物，基因重组和细胞融合等遗传操作新技术为改造生物提供了强有力的手段。对于固氮微生物来说，固氮基因操纵和调节固氮酶的合成，从而使固氮微生物具有固氮作用。如果将固氮基因进行人工转移，就可能获得具有固氮作用的新物种。在这一领域人们已进行了大量的研究，进展显著。固氮基因已经能够在原核生物界细菌之间转移，例如，已能将肺炎克氏杆菌的固氮基因转移到大肠杆菌中去。
因此，有的学者预言，玉米结瘤固氮可望在21世纪初成功，水稻的固氮也有成功的可能。美国科学家估计，今后20年内，生物工程可能使粮食作物产生自身固氮能力，从而可节约生产氮肥投资的90%以上[6]。 - 3 - 二．对固氮根瘤菌及其宿主植物的基因组、功能基因组和蛋白质组研究
认识生物固氮及其与之相关的微生物与高等植物相互作用机理，必将取得新的突破。重组根瘤菌已构建成功，并作为第一个可提高固氮效率的基因工程根瘤菌肥而投放到国际市场；与粮食作物联合固氮的固氮螺菌的固氮调控机制研究也已逐步明朗，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。
最近，对以苜蓿根瘤菌为代表的模式菌株的基因组工作已经完成，对其功能基因组学研究也刚刚兴起，这必将在一个新的层次上揭示根瘤菌与宿主植物相互作用机理。我国科学家在深入研究在调节基因的表达及其产物活性调节机制的基础上，构建了携带有能组成型表达(不受铵阻遏)的质粒，将其引入大肠杆菌和大豆根瘤菌后，其固氮作用不再受铵抑制，用此基因工程菌接种水稻和大豆可获得增产[7]。
三．内生固氮菌研究进展
有些高等植物与菌根真菌共生形成菌根，非豆科固氮植物固氮能力强，是陆地生态系统中重要的供氮系统，植物内生菌与寄主植物在长期的共同进化过程中形成共生关系。它们通过固氮作用，产生生理活性物质促进宿主对环境的适应, 在农业中具有重要的应用潜力[8]。近年来，在甘蔗、玉米中发现了多种具有固氮功能的内生细菌，引起了学术界的高度关注。
3.1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
这一发现不仅对生物固氮调控有重要意义，也是对基因表达调控的基础研究中的一项重要贡献。它为进一步研究光合和固氮之间的联系，提供了理论基础。
3.2培育具有氢酶的固氮微生物的研究
如果固氮微生物体内具有氢酶，可以吸收氢产生的能量。这样，就能提高其固氮效率而增加产量。
四、固氮菌研究的前景展望
目前，利用基因工程技术转移固氮基因从而使植物表达固氮作用已成为一项世界性的战略课题。许多国家的科学家都在运用现代生物技术从事固氮菌的固氮机理和转移微生物固氮能力等各方面的研究，展现固氮菌生物固氮的前景。针对目前固氮菌研究中存在的问题，目前关于固氮菌的发展主要集中在以下几个方面：
4.1改进现有固氮微生物的固氮效率
改变固氮酶作用中的放氢耗能反应。由于固氮作用要消耗一定的能量，即消耗了植物光合作用的产物。因此可以设想，应用基因工程手段，组建菌株，使释放的能量再用于固氮酶的固氮作用[9]。培养菌株，解除抑制固氮酶合成，使固氮菌环境中能结瘤固氮。 - 4 - 4.2利用生物工程技术, 构建新的固氮微生物
原核生物间的遗传性能转移是比较容易的。应用质粒转移培育高效固氮的根际细菌群，开辟根际细菌转人固氮质粒的研究。
4.3建立新的共生固氮体系
共生固氮体系是生物界中最有效的固氮组合。固氮作用所需要的能量来自宿主植物的光合作用。固氮产物直接为宿主的氮素营养，共生的两方面相互有利，相互支持。但是，对农、林和牧业生产有价值的共生固氮体系，在自然界中仅限于少数微生物与有限的豆科植物共生。研究扩大根瘤菌的共生范围，使能在其它植物上结瘤固氮。或将固氮基因导入高等植物细胞, 创建能固氮的高等植物，自给氮素营养的植物类型是非常有意义的。
4.4加强固氮菌遗传工程的研究
从目前的研究现状来看，试图通过基因工程将固氮基因从豆科植物转移到非豆科农作物中难度比较大，在短期内很难实现，而采用细胞工程方法将根瘤菌导入非宿主农作物细胞内则切实可行。
4.5建立新的共生固氮体系
由于Frankia菌具有对宿主的侵染范围宽、固氮活性比较强和对氨气不敏感等特性，在生物固氮研究中对Frankia茵的研究将更为重要，有可能由此会找到新的突破口。在Frankia菌与农作物之间建立起新的共生固氮体系将具有更大的可能性。
随着生物科学的快速发展和对环境保护的日益重视，固氮菌必将引起更多的关注与研究，固氮微生物在农业发展、环境保护、工业生产等方面的应用将更加深入的展开，人类也将从中获益匪浅。
参考文献：
[1]樊庆生主编，《固氮微生物学》，北京农业出版社
[2] Vacanti CA, and Vacanti JP. The science of tissue engineering. Orthop. Clin.
North Am. 31, 351, 2000.
[3]王亿平，《高效固氮作用机理及其在农业中的应用》
[4]梁如玉主编,农业微生物学. 北京: 中国农业科技出版社, 1997.
纳米人工固氮酶
纳米人工固氮酶是一种模拟生物固氮机制的纳米材料，具有高效、环保和可持续性的特点。这种材料可以促进氮气的固定和转化，为农业生产提供所需的氮肥，同时减少对环境的污染。
纳米人工固氮酶可以通过多种方法制备，包括化学合成、生物合成和物理合成等。其中，化学合成方法可以控制材料的形貌和结构，但可能涉及到有毒有害的试剂和高温高压等条件。生物合成方法则利用微生物或酶等生物催化剂来合成纳米材料，具有环保、高效和条件温和等优点。物理合成方法则利用物理手段如激光、电弧等来制备纳米材料，但制备过程较复杂且难以控制。
纳米人工固氮酶的应用前景广泛，不仅可以用于农业生产，提高农作物的产量和品质，还可以用于工业生产，替代传统的氮肥和化工原料。此外，这种材料还可以用于环境保护和治理等领域，如去除大气中的氮气污染物等。
目前，纳米人工固氮酶的研究仍处于探索和发展阶段，仍需要进一步的研究和改进。未来，随着技术的不断进步和应用领域的拓展，这种材料有望成为可持续发展的重要方向之一。
固氮的方法-概述说明以及解释
固氮的方法-概述说明以及解释
1.引言
1.1 概述
固氮是指将氮气(N2)转化为可被植物吸收利用的氮化合物的过程，是土壤中氮循环的重要环节之一。氮素是植物生长的关键营养元素之一，但大部分植物无法直接利用大气中的氮气。因此，固氮对于植物的生长发育和土壤生态系统的健康至关重要。
固氮的方法主要可以分为生物固氮和非生物固氮两大类。生物固氮是指通过植物与一些特定的菌株或微生物共生来实现。这些共生菌株能够将空气中的氮气转化为植物可吸收的氮化合物，主要包括根瘤菌和蓝藻等。非生物固氮则是利用化学反应或物理方法将氮气转化为其他可被植物利用的化合物。
本文将介绍三种主要的固氮方法及其相关内容。方法一是通过选择适宜的菌株并在合适的培养条件下培养它们，通过评估固氮效率并优化培养策略来实现固氮。方法二是通过与植物的共生菌株形成根瘤，在根瘤中固氮，通过营养管理来促进植物的生长和固氮效果。方法三是利用化学反应，选择合适的催化剂和反应条件来实现固氮。
通过比较这三种方法的优劣和应用前景，可以为解决氮肥过度使用和农业可持续发展提供指导和借鉴。不过，每种固氮方法都存在一定的局限性，如生物固氮受环境因素影响较大，非生物固氮的能源消耗较大等。因此，在应用固氮方法时需要结合具体情况和需求，选择适合的方法来提高固氮效率，促进农业可持续发展。
1.2文章结构
文章结构部分是对整篇文章的组织和安排进行说明。下面是对文章结构部分的内容的一个示例：
1.2 文章结构
本文共分为引言、正文和结论三个主要部分。其中，引言部分对固氮的概述、文章的结构和目的进行介绍，为读者提供了文章的背景和整体框架。
正文部分包括三个方法：方法一、方法二和方法三，分别介绍了不同的固氮方法。方法一详细介绍了菌株选择、培养条件、固氮效率评估和优化策略。方法二则讲解了植物共生菌株的选择、根瘤形成、固氮效果评估以及营养管理等方面的内容。方法三则涉及了化学固氮的原理、催化剂选择、反应条件以及环境影响等相关内容。
油茶联合固氮菌的适宜培养条件及回接效应
学通报，２００７，２３（４）：２７６－２８０． ［５］张锦，田菊芬．优良乡土树种楸树种质资源及发展策略［Ｊ］．安徽 农业科学，２００３，３１（６）：１０１２—１０１３． ［６］乔勇进，夏阳，梁慧敏，等．试论楸树的生物生态学特性及发展前 景［Ｊ］．防护林科技，２００３（４）：２３＿２４． ［７］杨玉珍，王顺财，彭方仁．我国楸树研究现状及开发利用策略［Ｊ］． 林业科技开发，２００６，２０（３）：４－７． ［８］王改萍，彭方仁，徐涛，等．几种不同楸树花粉萌发率的测定及花 粉超低温保存方法［Ｊ］．南京林业大学学报：自然科学版，２００８，３２ （５）：１２３－１２６． ［９］梁有旺，杜旭华，王顺财，等．楸树嫩枝扦插生根的主要影响因子 分析［Ｊ］．植物资源与环境学报，２００８，１７（４）：４６—５０． ［１Ｏ］王改萍，杨红宁，倪果果，等．楸树等４种梓属树种花粉离体培养
ｌ－。’ Ｉ１。”ＩＩ…。’ ＩＩ…“ＩＩＩＩ ‘…… ‘ＩＩＩＩ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－８１０１．２０１２．０３．０１３ ■Ⅲ，口■ 】 条件的研究［Ｊ］．植物资源与环境学报，２００９，１８（２）：３４＿＿４２． ［１１］郭尧君．蛋白质电泳实验技术［Ｍ］．北京：科学出版社，２００５． ［１２］王改萍，彭方仁，李生平．银杏叶片蛋白质含量动态变化的电泳分 析［Ｊ］．南京林业大学学报：自然科学版，２００６，３０（４）：ｌｌ４一ｌ１８． ［１３］谷瑞升，刘群录，陈雪梅，等．木本植物蛋白提取和ＳＤＳ—ＰＡＧＥ 分析方法的比较和优化［Ｊ］．植物学通报，１９９９，１６（２）：１７１— １７７． ［１４］Ｂｒａｄｆｏｒｄ Ｍ Ｍ．Ａ ｒａｐｉｄ ａｎｄ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ ｏｆ ｐｒｏ— ｔｅｉｎ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｐｒｏｔｅｉｎ ｄｙｅ ｂｉｎｄｉｎｇ［Ｊ］．Ａｎａｌ Ｂｉｏ— ｃｈｅｍ，１９７６（７２）：２４８—２５２． ［１５］曾广娟，李春敏，张新忠，等．苹果实生树阶段转变特异蛋白质的 ＳＤＳ—ＰＡＧＥ分析［Ｊ］．园艺学报，２００８，３５（７）：１０５９—１０６４． （责任编辑吴祝华）
木麻黄共生菌的研究进展
７０ 广东林业科技２００６年第２２卷第１期
木麻黄共生菌的研究进展
张勇 仲崇禄陈羽陈珍
（中国林业科学院热带林业研究所广州５１０５２０）
摘要木麻黄科植物是兼有Ｆｒａｎｋｉａ菌、内生茵根菌和外生菌根共生的共生营养型树种，它在防风固沙
和生态系统恢复中有极大利用价值。文章分析总结了近年来木麻黄共生茵的研究成果及存在的问题，并展
望了木麻黄共生体系在生态恢复中更广泛的应用前景。
关键词木麻黄 弗兰克民固氮菌 菌根菌共生体 中图分类号：￥７１８．８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—４４２７（２００６）０１—００７０—０６
木麻黄科现已知有４个属９６个种，４个属分别为木麻黄属（Ｃａｓｕａｒｉｎａ）、异木麻黄属（Ａｌｌｏｃａｓｕａｒｉｎａ）、隐 孔木麻黄属（Ｃｅｕｔｈｏｓｔｏｍａ）和裸孔木麻黄属（Ｇｙｍｎｏｓｔｏｍａ）…。木麻黄植物天然分布于澳大利亚、东南亚和太
平洋群岛，垂直分布于海平面潮线开始至海拔３ ０００ ｍ的高山。木麻黄为重要Ｉ 生态林、用材林和多用途树
种，对防台风危害、防海浪侵蚀固沙、沿海陆地生态系统的恢复、贫瘠的沿海沙地和严重退化的南方山区丘陵 地区的土壤改良等均有重要作用，特别在沿海前缘沙质地带仍无其它树种可替代它＿２ Ｊ。
木麻黄是一个特殊类型的共生营养型植物，它不仅具有由放线菌中的弗兰克氏菌（Ｆｒａｎｋｉａ）共生形成的
固氮根瘤，还有内生菌根（ｅｎｄｏｍｙｃｏｒｒｈｉｚａ，通常也叫ＶＡ菌或ＡＭ菌）和外生菌根（ｅｃｔｏｍｙｃｏｒｒｈｉｚａ）。Ｆｒａｎｋｉａ 菌与木麻黄共生可以帮助树木固定空气中的游离氮，供植物生长；而菌根菌与木麻黄形成菌根后可帮助树木
从土壤中吸收磷元素、微量元素等，还可以产生抗生物质及生长素，改善木麻黄的营养供应，并可提高木麻黄
对干旱、盐碱、金属毒害的抗性 。弓明钦（１９９６）等 认为木麻黄之所以能在营养十分贫乏的滨海沙土上 正常生长，很可能是由于其共生的固氮菌及内外生菌根菌的共同作用，在很大程度上解决了木麻黄对氮及磷
固氮的名词解释
固氮的名词解释
固氮，即通过化学或生物过程将空气中的氮气转化为植物可利用的氨或其他有机化合物的过程。固氮是一种重要的自然现象，对于维持生物圈的繁荣和地球的氮循环至关重要。在这篇文章中，我们将对固氮的定义、固氮的不同方式以及固氮在自然和人类生活中的重要性进行深入探讨。
1. 固氮的定义
固氮指的是将空气中的氮气（N2）转化为可被植物吸收利用的形式，如氨（NH3）或其他有机化合物。氮气占据地球大气中约78%的比例，然而大多数植物无法直接从空气中吸收氮气，因为氮气分子具有较高的能量结合，需要特殊情况下才能转化为可利用的形式。固氮主要通过化学或生物过程进行。
2. 化学固氮
化学固氮是指利用高温、高压和催化剂等条件，使氮气分子发生化学反应，转化为氨或其他氮化合物。最著名的化学固氮过程是哈伯-博士过程，该过程使用催化剂将氮气和氢气在高温和高压下反应生成氨。哈伯-博士过程被广泛应用于合成肥料的制造，为农业生产提供了大量的可利用氮。
3. 生物固氮
生物固氮是指通过生物活动将氮气转化为植物可利用的化合物。这一过程主要由一类特殊的细菌称为固氮菌完成。固氮菌能够利用特殊的酶（固氮酶），将氮气转化为氨或其他有机化合物。这些固氮菌通常生活在土壤中或形成根瘤细菌与植物共生关系，如豆科植物与根瘤菌的共生关系。根瘤菌能够固氮并将氨转化为植物可利用的形式，提供额外的氮素供植物生长。生物固氮对农业生产和生态系统健康至关重要。
4. 固氮的重要性 固氮在自然界和人类生活中具有重要的意义。
在自然界，固氮是维持生物圈中氮循环的重要过程。固氮将大气中的氮气转化为植物可利用的形式，进入食物链并在生物体间循环。植物通过固氮过程获得所需的氮素，人类和动物通过食物链摄取氮素。生物固氮还为厌氧环境提供了一个独立于氧气的氮源，维持了许多生态系统的平衡。
在人类生活中，固氮具有重要的农业和环境意义。农业生产需要大量的氮肥来满足植物对氮素的需求。固氮菌和化学固氮技术提供了制造合成肥料的方法，支持了全球粮食生产的增长。同时，固氮也减少了对化学肥料的过度依赖，降低了对环境的负面影响。固氮过程还有助于改善土壤质量，增加土地的肥力，为农作物生长提供了更好的条件。
生物固氮基本介绍与联合固氮
生物固氮的基本介绍与联合固氮
生物固氮是自然生态系统中氮的主要来源。全球生物固氮的量是巨大的，海洋生态系统每年生物固氮量在4×1013～2×1014 g，陆地生态系统生物固氮量在9×10B～1．3×10149，而工业固氮量在20世纪90年代中期每年约为1．4×10M g。可见，生物固氮在农、林业生产和氮素生态系统平衡中的作用很大。生物固氮(nitrogen fixation)在20世纪60年代以前的主要工作是在广泛开展分离、鉴定、分类和固氮的生理以及固氮生物在农业上的应用。20世纪70年代后，固氮微生物学的侧重点转入固氮酶系统和固氮基因转移方面的研究。目前国内的研究集中以根瘤为研究对象，展开了一系列研究。
1．生物固氮的意义
氮是构成蛋白质和核酸的主要物质，是一切生命的要素，没有就没有生命。在大气中氮气的含量约为79％，但这种分子氮并不能直接为高等植物吸收利用，只有豆科植物和少数非豆科植物通过与根的共生固氮作用，才能把大气中的分子态氮转变为固态氮。这些氮除满足根瘤菌本身的需要外，还可为宿主提供生长发育可以利用的含氮化物。同时，根瘤菌及其所固定的氮化合物，可以提高土壤的含氮量，在间作和轮作上具有重要的意义。然而，水稻、小麦、玉米、高粱等农物无固氮功能，即使豆科植物在幼苗时期也没有固氮能力，故要使它增产就必须施用复合肥。氮肥的合成，需要消耗大量的能源。而且氮肥使用率只有50％一75％，未利用部分的流失会造成污染。故大量使用氮肥，不仅会增加农业成本，而且会造成土壤、水体及农产品的污染。环境质量意识日益增强的今天，开展生物固氮及其在农业中应用的究，以减少化合成氮肥的使用，具有特别重要的意义。
2. 生物固氮作用机
固氮酶由钼铁蛋白和铁蛋白。钼铁蛋白又称为钼铁氧还蛋白或分子氮酶，是真正意义上的“固氮酶”；铁蛋白又称固氮铁氧还蛋白或固分子氮还原酶，其实质是一种“固氮酶的还原酶”。固氮酶钼铁蛋白有三种状态，即氧化态、半还原态和完全还原态。当半还原态的钼铁蛋白和还原态的铁蛋白组合在—起时，成为稳定固的复合体系。这是还原铁蛋白的电子传递到半还原态钼铁蛋白上，使它成为完全还原态；而铁蛋白本身被氧化，随后再由细胞中电子传递链所提供的电子还原。完全还原态的钼铁蛋白络合分子氮，同时ATP水解成ADP+Pi，释放出大量能量，使电子和氢离子同氮结合，生成两分子。现在一般认为，在这个反应过程中固氮酶钼铁辅因子起关键作用，它是固氮酶的活性中心。研究表明，不同种类的固氮微生物都有共同的固氮基因控制着固性遗传，nif基因和固氮酶只存在于固氮菌体中。在根瘤菌中除了固氮基因之外，还存在着结瘤基因、使宿主的根毛变形弯曲的基因、根起始基因和产生色素的基因等。已经证实，根瘤菌中的基因和结瘤基等都定位在质粒E。
生物菌肥发展现状与展望
ｌ 埸ｌ植保土肥
中国化学肥料的大量施用不仅致使土壤板结、土壤微 生物区系发生变化、带来食品安全等问题，还造成大量 的经济损失和严重的环境污染。在当前农业可持续发展 形势下，开辟微生物肥料部分替代化肥Ｅｔ益受到重视。 因此有必要对生物菌肥的发展现状与展望作一阐述。 Ｉ生物菌肥简介 所谓生物菌肥，是指一类含有活的微生物，并通过微 生物的特定作用给植物提供营养、调节植物生长的特定 制品。用于农业生产中能够获得特定的肥料效应，可作 为化学肥料的有益补充。 目前，中国生产应用的生物菌肥可分为固氮菌类、解 磷菌类、解钾菌类、光合细菌类、菌根菌类、抗生菌类、 复合菌类等。１９８９年以来各类菌肥的文献以上述固氮菌 类、解磷菌类、解钾菌类和复合菌类为主，而光合细菌类、 菌根菌类、抗生菌类少，也有个别报道促进植物生长的 根际细菌（ＰＧＰＲ）网。 生物菌肥作为一种生物制剂与化学肥料相比具有以下 特点：（１）不破坏土壤结构、保护生态、不污染环境，对 人、畜和植物无毒无害；（２）肥效持久；（３）提高作物产量 和改进作物产品品质；（４）成本低廉；（５）有些种类的生物 肥料对作物具有选择性；（６）其效果往往受到土壤条件（如 养分、有机质、水分、酸碱度等）和环境因素（如温度、 通气、光照等）的制约；（７）一般不能与杀虫剂、杀菌剂（杀 真菌或杀细菌）混用；（８）易受紫外线的影响，不能长期 暴露于阳光下照射。 ２生物菌肥的主要功效 ２．１改善土壤肥力 各种自生、联合或共生的固氮生物肥料，都可以增加 土壤中氮素的来源；有溶解磷钾作用的微生物，可分泌 多种有机酸，有机酸通过螯合作用促使难溶性磷及封闭 态钾的释放；根际微生物还可以分泌一些诱导物提高土 壤酶活性，有利于根际土壤养分的转化便于植物对营养 物质的吸收利用。 ２．２促进难溶性矿质营养释放 生物菌肥含有大量的微生物活体，施入土壤后，使土 壤中微生物量、土壤酶活性显著增加，促进土壤难溶性 矿物质养分的释放，同时有些微生物能分泌植物激素， 从而促进作物生长，有些真菌还能分解土壤中的有机物 质，释放出糖类，促进固氮菌的生长，进一步提高土壤 养分的有效性，而随着有益微生物增加，还有拮抗病原 生物的作用。此外，由于有机物的矿化作用，在土壤中 产生大量的Ｃ０２，也增加了土壤的保温性能。同时土壤 的保肥、保水性也能得到加强。 ２．３协助农作物吸收养分 ０ ｌ炭化市蜴ｌ ｏ．墨Ｉ ｏ农化行业资深媒体 ３—４／６４Ｉ
生物固氮的原理意义及应用
生物固氮的原理意义及应用
1. 引言
生物固氮是一种利用生物体中特定微生物（固氮菌）将大气中的氮气转化为植物可利用的形式的生物化学过程。生物固氮在自然界中起着至关重要的作用，对于维持生态系统的氮循环和持续的农业生产具有重要意义。
2. 生物固氮的原理
生物固氮的原理是通过固氮菌中的一种酶，即氮酶，将氮气转化为氨。这个过程主要发生在植物的根瘤或土壤中的固氮菌体内。氮气通过植物根系进入根瘤或土壤中的固氮菌，然后酶催化将氮气转化为氨，再由植物根瘤中的植物吸收利用。
3. 生物固氮的意义
• 维持生态系统的氮循环：氮是生物体中必需的元素之一，对于维持生态系统中的生物多样性和生物量具有关键作用。通过生物固氮，将大气中的氮转化为植物可利用的形式，进而通过食物链传递给其他生物，维持了生态系统中的氮循环。
• 提供植物可利用的氮源：固氮菌通过将氮气转化为氨，为植物提供了植物可利用的氮源。氮是植物生长发育的关键营养元素之一，通过固氮，植物能够获得足够的氮源，促进生长和产量的提高。
• 减少对化肥的依赖：生物固氮可以降低对化学肥料的需求。化学肥料的生产和使用往往伴随着能源消耗、土壤污染和生态系统破坏等问题。通过利用固氮菌固氮，可以减少化肥的使用量，降低对化肥的依赖性，对环境保护和可持续农业具有重要意义。
4. 生物固氮的应用
生物固氮在农业生产、生态修复和环境保护等方面有广泛的应用。以下列举几个常见的应用领域：
4.1 农业生产
生物固氮可以促进农作物的生长和产量提高，减少对化学肥料的依赖。一些作物可以与固氮菌共生，形成根瘤，通过固氮菌固氮来增加土壤氮素含量，提高作物产量。此外，一些固氮作物如豆科植物也可以种植在农田中，起到增加土壤氮素含量的作用。 4.2 生态修复
固氮菌可以在环境中固定氮气，促进土壤中氮素的循环，对于恢复受污染土壤的生态功能具有重要作用。通过引入固氮菌，可以增加土壤肥力，促进土壤结构改良，加速污染物的降解，实现土壤的生态修复。
植物内生菌的生态学作用与天然产物研究现状及展望
郭宾会．植物内生菌的生态学作用与天然产物研究现状及展望［Ｊ］．江苏农业科学，２０１９，４７（２０）：１３－１９．ｄｏｉ：１０．１５８８９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－１３０２．２０１９．２０．００４植物内生菌的生态学作用与天然产物研究现状及展望郭宾会（扬州大学生命科学基础实验教学中心，江苏扬州２２５００９） 摘要：植物内生菌是指生活史中某一时期生活在植物内而对植物组织没有引起明显病害症状的一类微生物。内生菌普遍存在于多种植物中，具有丰富的生物多样性。近年来，内生菌内逐渐发现一些天然活性代谢产物，并了解到其较为重要的生理、生态学作用。基于科研工作者对内生菌研究的关注，主要就国内外在内生菌的多样性、内生菌与宿主植物的生态学作用、内生菌一些重要的活性代谢产物等方面的研究进展及报道进行综合评述，并对目前内生菌研究所存在的问题和展望进行讨论，以期望对现在内生菌的研究有所借鉴，在原有的基础上有所突破。 关键词：植物内生菌；生物多样性；生物防治；代谢产物；生态学作用；固氮作用；生物降解；宿主植物 中图分类号：Ｑ１４３＋．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２－１３０２（２０１９）２０－００１３－０６
收稿日期：２０１８－０６－２５基金项目：扬州大学人才启动项目（编号：１３７０１１１９５）。作者简介：郭宾会（１９７０—），男，山东东营人，博士，实验师，主要从事植物／微生物代谢调控与天然产物研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｈｇｕｏ＠ｙｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。 内生菌（ｅｎｄｏｐｈｙｔｅ）一词由德国科学家ｄｅＢａｒｙ首先提出，是指生活在植物组织内的微生物，用以区分那些生活在植物表面的附生菌（ｅｐｉｐｈｙｔｅ）［１］。后来，“内生菌”这一词汇的定义和解释先后多次被不同的研究人员修改和解释。Ｐｅｔｒｉｎｉ将“内生菌”定义为那些在其生活史中的某一段时期生活在植物内而对植物组织没有引起明显病害症状的菌，这个定义包括那些在其生活史中的某一阶段营附生的腐生菌和对宿主暂时无伤害的潜伏性病原菌（Ｌａｔｅｎｔｐａｔｈｏｇｅｎｓ）和菌根菌［２］。Ｂｉｌｌｓ认为，一些类型的菌根菌，如内外生菌根菌、杜鹃菌根菌和假菌根菌等也应归类为内生菌［３］。尽管目前关于内生菌的概念范畴还有争议，但Ｐｅｔｒｉｎｉ的观点得到普遍认可［４］。不过，须要指出的是内生菌只是一个生态学上的概念，而非分类学单位。内生菌主要包括内生真菌、内生细菌、内生放线菌三大类微生物［５］。对内生菌的分离和研究工作主要集中在内生真菌（ｅｎｄｏｐｈｙｔｉｃｆｕｎｇｉ）方面。植物内生真菌多数属于双核菌门子囊菌亚门中的核菌纲（Ｐｙｒｅｎｏｍｙｅｔｅｓ）、盘菌纲（Ｄｉｓｃｏｍｙｃｅｔｅｓ）和腔菌纲（Ｌｏｃｕｌｏａｓｃｏｍｙｃｅｔｅｓ）及其无性态的多种真菌，也包括少数担子菌（Ｂａｓｉｄｉｏｍｙｃｏｔｉｎａ）和接合菌（Ｚｙｇｏｍｙｃｏｔｉｎａ），主要分布于植物的叶鞘、种子、花、茎、叶片和根等组织、器官的细胞或细胞间隙［６－７］。内生真菌的传播途径一方面通过菌丝生长进入子房和胚珠，经寄主植物种子传播，或者产生孢子，通过风、降水等途径传播［８］。关于内生菌的研究最早可追溯至１８３３年从小麦叶片中发现的不明锈状物，其后来被证实为真菌的一种结构。Ｗｉｌｓｏｎ从黑麦草（ＬｏｌｉｕｍｔｅｍｕｌｅｎｔｕｍＬ．）的种子内分离出第１株内生真菌［９］，至今关于内生菌的研究已经有１００多年的历史。经过科学家们长期以来的工作积累，内生菌的研究已经奠定了比较深厚的基础，内生菌在菌种的分离与鉴定中对宿主植物的侵染及相互作用、内生菌株的培养及代谢产物的提取等方面都已经建立了行之有效的方法。基于科研工作者对内生菌研究的关注，笔者主要就国内外在内生菌的多样性、内生菌与宿主植物的生态学作用、内生菌相关重要的活性代谢产物等方面的研究进展及报道进行综合评述，并对目前内生菌研究所存在的问题和展望进行讨论，以期对现在内生菌的研究有所借鉴，在原有的基础上有所突破。１ 内生菌的多样性内生菌普遍存在于目前已研究过的各种陆生及水生植物中，具有丰富的生物多样性。研究发现，对于一种植物而言，从中可分离到的内生真菌和（或）细菌通常为数种至几十种，有的甚至多达数百种［１０］。在热带雨林中，同一植物内生菌的种类多样性更为突出。Ａｎｏｒｌｄ等分析了巴拿马中部雨林中２种植物叶子中的内生菌，结果发现，分离自８３个健康叶片上的内生菌多达４１８个形态学种（其中基因型不同的分类元至少有３４７个），这些内生菌同时也表现出一定的宿主专化性和地域专化性［１１］；Ｓｕｒｙａｎａｒａｙａｎａｎ等研究了Ｎｉｌｇｉｒｉ生物圈保护区里分属于１７科的２４株树木中内生菌的分布和多样性，总共分离到８１个不同的内生菌［１２］；Ｓｕｒｙａｎａｒａｙａｎａｎ等继续研究了位于美国亚利桑那州不同地理位置的２１种仙人掌中的内生菌，结果分离到９００个内生菌，分属于２２个不同的种［１３］。Ｇｌｙｎｏｕ等最新的一项研究证实，１８５株植物根部的内生真菌分属于５个不同的执行分类单元［１４］。现代分子系统学研究也表明，许多形态学上一致的同一种内生菌往往还具有多样化的遗传型［１５－１７］，进一步丰富了内生菌的多样性。考虑到内生菌对宿主的专一性，按照现在已经知道的地球上超过２５万种植物统计，微生物学家Ｈａｗｋｓｗｏｒｔｈ等指出，地球上内生菌的种类应该在１００万左右，然而有记录的仅占其中的十分之一［１８］。随着新物种的发现和证据积累，人们对内生菌总数的估计也在不断改变。Ｄｒｅｙｆｕｓｓ等估计，地球上仅内生真菌就至少有１００万种［１９］。２００１年，Ｈａｗｋｓｗｏｒｔｈ在他的研究报告中指出，热带植物中的内生真菌种类应该能达１５０万—３１—江苏农业科学 ２０１９年第４７卷第２０期种［２０］；同年，Ａｒｎｏｌｄ等在研究了新热带地区的９种林木后推断，热带植物中的内生真菌１５０万种的数量可能被低估了［２１］。影响内生菌多样性的因素很多。Ａｒｎｏｌｄ等的研究表明，寄居于热带地区植物宿主中的内生菌的种类和数量要远高于温带地区植物中的种类和数量［１１，２２］。Ｓｅｅｎａ等研究分析了海滩沙丘上生长的２种豆科植物小刀豆（Ｃａｎａｖａｌｉａｃａｔｈａｒｔｉｃａ）和海刀豆（Ｃ．ｍａｒｉｔｉｍａ）不同的发育时期，种子、幼苗、成熟植株及不同的组织（子叶、种皮、根、茎和叶）中的内生真菌情况，他们采用平板培养的方法，在麦芽琼脂培养基上共分离得到包括子囊菌和接合菌在内的４６种内生真菌；在不同的发育阶段和组织材料中，内生真菌主要（＞９０％）分布在苗期和成熟的组织如根、茎和叶中；研究还发现小刀豆中内生真菌的种类和数量高于海刀豆中的内生菌［２３］。Ｍｕｌｌｅｒ等研究表明，开始腐烂的挪威云杉针叶中内生真菌的种类比正常生理状态下针叶中内生真菌的种类急剧下降［２４］；Ｄａｎｔｉ等研究发现，当用十二烷基磺酸钠盐（ＳＤＢＳ，ｓｏｄｉｕｍｄｏｄｅｃｙｌｂｅｎｚｅｎｅｓｕｌｐｈｏｎａｔｅ）气雾剂对欧洲山毛榉（ＦａｇｕｓｓｙｌｖａｔｉｃａＬ．）的嫩枝长时间处理以后，也观察到植物体内内生真菌的种类和数量下降的现象［２５］；Ｒａｓｍｕｓｓｅｎ等研究表明，多年生黑麦草（Ｌｏｌｉｕｍｐｅｒｅｎｎｅ）在高氮和高糖条件下其共生内生真菌的浓度及生物碱产量都大幅度下降［２６］。Ｇａｏ等采用ＲＦＬＰ和ｒＤＮＡＩＴＳ文库序列分析等分子生物学手段，在研究百合科植物肖菝葜（ＨｅｔｅｒｏｓｍｉｌａｘｊａｐｏｎｉｃａＫｕｎｔｈ）不同季节里内生菌的分布情况后发现，肖菝葜（ＨｅｔｅｒｏｓｍｉｌａｘｊａｐｏｎｉｃａＫｕｎｔｈ）中内生菌在春季的丰度高于秋季［２７］。众多研究表明，内生菌多样性的影响因素与宿主植物所处的地球纬度、地理方位、具体的小生态环境和季节因素等有关，而且宿主植物的不同器官、组织，生长周期中不同的发育阶段，植物材料的不同处理等均可影响到植物体内寄居的内生菌数量和种类。２ 植物－内生菌的生态学作用植物与内生菌的关系在多数情况下是共生互惠的。一方面植物体作为内生菌的宿主，为后者提供了生活、栖息的环境；另一方面很多内生菌能够产生大量的活性代谢产物［２８－２９］，这些物质在某种程度上对植物的生长、发育及逆境环境（如干旱胁迫、病害和虫害等）的抗逆等方面起到了重大的生态学作用。２．１ 内生菌的固氮作用作为植物生长的大量元素之一，氮对植物而言是必需的。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约占全球植物需氮量的３／４。从１８６２年发现生物固氮现象到目前为止，生物固氮的研究已经有１００多年了，其间的研究领域涉及到形态结构、细胞水平、分子水平及遗传等诸多领域。其中，在农业生产应用上较广泛、意义较重要的固氮资源主要是豆科植物共生固氮、红萍和固氮蓝藻、结瘤的非豆科植物、联合固氮和自生固氮等［３０］。某些作物（如水稻和甘蔗等）体内内生固氮菌的发现，为作物生物固氮增添了新途径。Ｂａｌｄａｎｉ等报道，从玉米、水稻和高粱的根部均分离出固氮细菌织片草螺菌（Ｈｅｒｂａｓｐｉｒｉｌｌｕｍｓｅｒｏｐｅｄｉｃａｅ）［３１］。此后，他们又相继从多年生作物甘蔗根茎分离到一些具有独特生理生态特征的固氮菌，这类固氮菌即内生固氮菌，它们可提供给宿主相当数量的氮素，在土壤中不能生存或生存能力很差，但能以相当高的数量存在于植物组织内，并不会引起宿主任何不良反应。Ｂａｒｒａｑｕｉｏ等研究报道，从菲律宾湿地水稻根、茎中成功分离到具有固氮能力的内生菌［３２］。Ｒｏｂｅｒｔ等从巴西产的甘蔗中分离出多株内生固氮菌醋杆菌（Ｇｌｕｃｏｎａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｄｉａｚｏｔｒｏｐｈｉｃｕｓ）、织片草螺菌、接种草螺菌（Ｈ．ｒｕｂｒｉｓｕｂａｌｂｉｃａｎｓ）和伯克霍尔德菌（Ｂｕｒｋｈｏｌｄｅｒｉａｓｐ．）［３３］。固氮弧菌属（Ａｚｏａｒｃｕｓｓｐ．）株系ＢＨ７２是一类能够为水稻和其他草类植物提供生物固氮能力的内生菌，Ｋｒａｕｓｅ等完成了对该内生菌的全基因组测序，他们研究结果表明，ＢＨ７２株系基因组全长为４３７６０４０个碱基对，含３９９２个可预测的蛋白编码序列，这为今后从分子水平上了解该类内生菌的固氮机制打下了基础［３４］。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，即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。内生固氮菌的发现为生物固氮的研究增添了新的内容。２．２ 内生菌的生物降解及生物防治作用近代工业的发展不可避免地造成了土壤和水资源的污染，导致环境的恶化及生物多态性的降低，其影响程度有越来越严重的趋势。为了降低种种不利因素对环境和资源的人为破坏，生态学家们提出了多项保护环境资源的有利措施，其中利用微生物或植物内生菌对环境中的污染物进行生物降解或取代化学药剂对植物病虫害进行有效防治成为生物学家和生态学家研究的热点之一，并取得了较好的进展。研究表明，植物内生菌对周围环境中的毒素起到部分的降解作用。爱荷华州立大学的一项研究证实，１株新发现的植物内生菌Ｍｅｔｈｙｌｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｐｏｐｕｌｕｍｓｐ．ＢＪ００１能有效降解三硝基甲苯（ＴＮＴ）和硝基三嗪（ＨＭＸ）等化合物［３５－３６］。改造过的内生菌洋葱伯克氏菌（Ｂｕｒｋｈｏｌｄｅｒｉａｃｅｐａｃｉａ）ＶＭ１３３０能够增加宿主植物对甲苯的忍受能力和降低植物向外界大气环境释放甲苯的能力［３７］。在抵御植物病虫害方面，Ｃｏｏｍｂｓ等研究表明，一些从健康的谷类作物中分离到的内生细菌经离体、活体试验证实能够有效抑制引起植物根部病变的致病真菌，３８株不同的内生菌中有６４％的菌株被证实至少对某一种真菌有强烈的抑制作用，４种内生菌具有较强的广谱抗菌作用［３８］。Ｃａｏ等从表面杀过菌的香蕉根部成功分离出１３１株内生放线菌，其中１８．３％的分离菌能抑制植物致病菌香蕉枯萎病菌（Ｆｕｓａｒｉｕｍｏｘｙｓｐｏｒｕｍｆ．ｓｐ．ｃｕｂｅｎｓｅ）的生长［３９］。丁婷等研究证实，杜仲内生真菌抗性突变株ＤＺＪ０７－２能诱导小麦植株根部的多酚氧化酶、过氧化物酶和苯丙氨酸酶的活性提高，从而增强小麦对纹枯病的抗性［４０］。相关研究表明，植物内生菌在一定程度上能很好起到生物防治的作用，对生态环境的保护和可持续资源的利用开发有着潜在的深远意义。２．３ 内生菌对宿主植物生长的促进作用和对环境胁迫的抗性内生菌对宿主植物生长的促进作用主要因素为：一方面—４１—江苏农业科学 ２０１９年第４７卷第２０期
氨氧化细菌的研究现状和展望
氨氧化细菌的研究现状和展望
氨氧化细菌是一种重要的微生物，因其对于地球氮循环的贡献而备受关注。它们能够通过氧化氨气生成亚硝酸盐，从而促进氮的固定和循环。在农业和环境领域，氨氧化细菌被广泛应用于污水处理、土壤改良和肥料增产等方面。本文就氨氧化细菌的研究现状和展望进行探讨。
一、氨氧化细菌的发现与分类
氨氧化细菌最早是在1890年由荷兰微生物学家Winogradsky发现的。他发现一种新的能够在含氨气的微生物培养基上生长的细菌，它们能够氧化氨气为亚硝酸盐。这些细菌后来被称为氨氧化细菌。
目前，已经鉴定出200多种氨氧化细菌。它们属于不同的细菌门，包括γ-蛋白杆菌门、β-变形杆菌门、高氧化菌门和异养菌门等。最广泛的两种氨氧化细菌分别属于γ-蛋白杆菌门的Nitrosomonas属和β-变形杆菌门的Nitrosospira属。
二、氨氧化细菌的生理特性
氨氧化细菌的生长需要氨气、氧气和自由碱性。氨气是它们的唯一能源，能够被利用来合成自身的生物质和释放能量。氧气是氧化氨气的电子受体，从而使其氧化产生亚硝酸盐。自由碱性是维持其细胞内环境和防止氨气的挥发。
此外，氨氧化细菌对温度的适应性强，能够在5℃-40℃的范围内生长；对pH值和浓度的适应性也很广泛。高浓度的氮源和有机物质会抑制细菌的生长和氨氧化作用。
三、氨氧化细菌的作用和应用
氨氧化细菌在地球氮循环中扮演着重要的角色。它们能够将氨气氧化为亚硝酸盐，进而参与到硝酸盐和氮气的生成过程中。这种作用在氧化亚氨盐的过程中是与谷氨酰胺循环相互合作的。 在农业和环境领域，氨氧化细菌被广泛应用于污水处理、土壤改良和肥料增产等方面。氨氧化细菌可以将污水中的氨气氧化为无害的亚硝酸盐和硝酸盐，从而达到净化水质的目的。通过在土壤中引入氨氧化细菌，可以提高土壤中硝化菌的活性，促进有机物的降解，提高土壤肥力，并且可以降低因氨气气味和有害气体的排放量。
四、氨氧化细菌的研究进展和展望