根瘤菌

简介

与豆科植物共生、形成根瘤、能固定大气中分子态氮向植物提供氮营养的一类杆状细菌。它们在土壤中可营独立生活，但只有在豆科植物根瘤中才能进行旺盛的固氮作用。已知豆科植物近20 000种，其中苏木亚科和含羞草亚科分别近3 000种，蝶形花亚科约14 000种。对结瘤情况有过报告的种数，总计不过3 000多种，仅占全部豆科植物总数的16%，其中含羞草亚科中结瘤的占90%，蝶形花亚科中结瘤的占98%，而苏木亚科中结瘤的仅占28%。可见，不是所有豆科植物都能与根瘤菌共生结瘤固氮，如绝大多数苏木亚科树种全不结瘤。

形态特征 人工培养条件下，细胞呈杆状，大小为0.5～0.9×1.2～3.0微米，革兰氏染色阴性，无芽孢，周生2～6根鞭毛或端生或偏端生一根鞭毛，能运动，菌体内常有聚β羟基丁酸(PHB)颗粒，使菌体着色不均匀，呈环节状，细胞外有粘液物质，在含糖多的培养基上生长时，粘液尤其丰富。有些豆科植物根瘤中生活的菌体发生明显变化，变短、变粗，一端膨大或分叉，呈梨形、棒槌形、T或Y形，称类菌体，不再繁殖，但能合成固氮酶，有固氮能力，根瘤细胞中也仍有未变形的小杆菌，继续有繁殖能力;另一些豆科植物根瘤中的类菌体，形态无明显变化，既能固氮，也有繁殖能力。在酵母浸液甘露醇琼脂(YENA)平板上，菌落圆形，边缘整齐，隆起，粘稠，具光泽，无色、白色或乳脂色，个别种有其他颜色，如百脉根根瘤菌形成红色菌落。根瘤菌有快生和慢生两种类型，在YEMA平板上，快生型的3～5天内菌落直径达2～4毫米或更大，代时在6小时以下;慢生型的则5～7天内菌落直径还不到1毫米，代时在6小时以上，也存在中间生长型。

生理特性 根瘤菌为化能异养菌。快生型种类能利用多种糖类、多元醇和有机酸;慢生型种类对碳源要求较严格，适合利用五碳糖。根瘤菌分解糖时不产气，有些种类产生少量酸。虽然能利用铵盐和硝酸盐为氮源，但培养基内如缺少可溶性有机氮化物时生长不好。长期认为根瘤菌在实验室单独培养条件下不能利用分子态氮，但自1975年以来，许多研究报告确证一些根瘤菌在非共生条件下也能固氮。根瘤菌对磷的要求较高，铁是合成豆血红蛋白所必需，钼是固氮酶的主要组成分，硼对连接根瘤与根部间的输导组织的形成有关。生物素能大大促进根瘤菌生长。根瘤菌是好气菌，液体深层培养时要进行通气，但对氧化还原电位要求不高，Eh值在150～450毫伏之间均能适应。适宜的pH值在6.5～7.5之间，不同菌株的耐酸力有很大不同。根瘤菌的特性表现在感染性、专一性和有效性等方面：①它能侵入某些豆科植物根内，在其中繁殖，形成根瘤，具有感染性;②各种根瘤菌都只能感染一定种、属的豆科植物，它们之间的共生有一定的专一性，构成了互接种族的关系。在同一互接种族内的豆科植物，其根瘤中分离到的根瘤菌，可相互接种形成根瘤;在不同互接种族的豆科植物之间，通常情况下，不能相互接种结瘤。这种专一性有的较宽，可在不同属豆科植物间交叉接种结瘤;有的较狭，只局限于同属，甚至在同种范围内;③具有固氮活性，能在根瘤中进行固氮作用，这就是根瘤菌的有效性。根瘤菌感染豆科植物结瘤，但不一定就能固氮。无效菌株虽能结瘤，但不固氮或固氮力不高;此外某一菌株对一种豆科植物的某些品种是有效菌株，而对另一些品种可能无效。根瘤菌的感染性、专一性和有效性也是相对的，是特定菌株和特定的豆科植物间的相互关系，这在农业生产应用中具有重大意义。

遗传学研究 根瘤菌的研究已有百年历史，发展到今天逐渐集中到扩大根瘤菌的结瘤宿主范围和提高它们的固氮效率，鉴定和分离那些与控制结瘤、固氮功能有关的共生基因、固氮基因、吸氢酶基因与调控基因等的研究上。因为根瘤菌的许多重要性状都与质粒有关，因此质粒的分离和检测在根瘤菌遗传研究中具有重要意义。已证明快生型根瘤菌一般含有大质粒1～3个，其大小范围为90～250×10⁶。这些质粒携带有不同功能的基因，如结瘤基因、固氮基因、细菌素基因、宿主专一性基因、胞外多糖基因和色素基因等，并证明有些根瘤菌的结瘤、固氮基因只存在于质粒上;有些则同时存在于质粒和染色体上。关于根瘤菌的固氮基因群和结瘤基因群的分布也已有较多了解。转座子是可转移的遗传单位，它可以插入细菌染色体或质粒的不同部位，借助载体通过细菌杂交，可被转入受体细胞。1978年首次将转座子Tn5诱变技术引入根瘤菌的遗传学研究，使根瘤菌遗传研究取得重大进展。为了对根瘤菌的某些特性进行遗传分析，以及改造菌株以消除或提高某些特性，进行了基因定位、分离与克隆的研究。此外，近年来研究证明，利用根瘤菌噬菌体作为载体进行基因的转导是可行的，而且在生态学研究中也具有很好的应用前景。

分类 从1888年拜叶林克(M.W.Beijerinck)分离得根瘤菌纯培养后，半个世纪以来，根瘤菌一直以“互接种族”关系为主要依据进行分类。将根瘤菌统归于根瘤菌属(Rhizobium)内，再以互接种族的代表植物属名作为种名的加词，按6个互接种族，将根瘤菌定为6个种;另外有一群慢生根菌能与豇豆、山蚂蝗、柱花草等热带豆科植物共生结瘤的，尚未给予定名，统称为混杂的豇豆群。随着研究的不断深入，发现根瘤菌的宿主专一性及交叉结瘤情况远不受过去划分的互接种族的局限。如豇豆根瘤菌即可在多个属豆科植物上结瘤，某些菌株还可跨越“互接种族”范围，而在大豆上结瘤，很多豆科树种根瘤中分离得到的菌株能在豇豆上结瘤，而某些豇豆上分离得到的菌株也可在一些豆科树种根上结瘤，20世纪70年代曾从一种榆科植物(Parasponia rugosa)根瘤上分离出的根瘤菌也能使豇豆结瘤。随着研究工作的广泛深入，互接种族的概念陷入混乱，对以互接种族为基础的分类系统，有不少不同意见。70年代以来，用现代技术对根瘤菌之间的关系进行了大量研究，根据数值分类、DNA碱基比、DNA同源性、细胞蛋白凝胶电泳、血清学、胞外多糖成分和细胞化学成分分析等方法，建立了一个以表型和基因型为特征的根瘤菌分类新系统。乔丹(D.C.Jordan)在伯杰氏系统细菌学手册(1984)中将根瘤分为两个属：一为根瘤菌属(Rhizo bium);另一为慢生根瘤菌属(Bradyrhizo bium)，并与土壤杆菌属(Agrobacterium)和叶瘤杆菌属(Phyllo bacterium)构成根瘤菌科(Rhizobiaceae)中的4个属。根瘤菌属为快生型根瘤菌，包括3个种：豌豆根瘤菌(R.legumi-nosarum)，含3个生物型(trifolii，phaseoli，viceae)，相当于过去的3个种，即R.trifolii，R.phaseoli及R.leguminosarum;苜蓿根瘤菌(R.meliloti)和百脉根根瘤菌(R.loti)。慢生根瘤菌属只以慢生型大豆根瘤菌(B.japonicum)为这个新属的模式种，至于其他慢生型根瘤菌如过去的羽扇豆根瘤菌(R.lupini)和豇豆根瘤群未给适当的分类地位和种的定名，书写未定名的慢生根瘤菌时，属名后加种的缩写字母，随后括号写代表宿主属的学名，如Bradyrhizobium sp.(Vigna)。1983年在国际系统细菌学杂志上发表了2个根瘤菌新属： 一个是德莱乌斯(B.Dreyfus)等定名的固氮根瘤菌属(Azorhizobium)，模式种为茎生固氮根瘤菌(A.caulinodans)。这是一群能在具喙田菁(Sesbaniarostrata)根上形成根瘤，也在茎上形成茎瘤的根瘤菌，在培养基上还能自生固氮。另一个新属是由陈文新等定名的中华根瘤菌属(Sinorhizobium)，模式种为弗氏中华根瘤菌(S.fredii)。这是一群从中国土壤和大豆根瘤中分离到的快生型根瘤菌，宿主专一性较强，具有较强的抗逆力(耐盐碱)。

各种根瘤菌与宿主的关系