氮素是構成生命物質最重要的元素之一。自然界只有某些微生物能直接將大氣中的氮通過固氮酶還原成NH4+，這類微生物包括細菌、藍綠藻、放線菌等。在固氮的細菌中有一類屬於自由生活的類群，它們定殖於植物根表（有的能侵入根表皮和外皮層的細胞間隙）和近根土壤中，靠根系分泌物生存，繁延，與植物根系有密切的關係。但宿主植物並不形成特異分化的結構。植物與細菌之間的這種共生關係稱聯合共生固氮。這類固氮菌稱聯合固氮菌。聯合共生固氮的概念是1976年由巴西Dobereiner實驗室提出的。20年來聯合固氮的研究受到世界各國科學家的重視。
基本介紹
- 中文名：聯合固氮
- 包括：細菌、藍綠藻、放線菌
- 定植：植物根表和近根土壤中
- 提出年份：1976年
種類,綜述,趨化性,結合,入侵,相互關係,套用,研究進展,
種類
聯合固氮菌中大多數是與禾本科牧草的根相聯合，雖然有一些亦從豆科植物的根瘤和根表或從各種其他植物包括單子葉和雙子葉植物的根表分離到。通常有一種以上的固氮菌與同一植物聯合，而且隨著地域的不同固氮菌的分布和頻率有相當大的差別，至今已發現的聯合固氮菌中最普遍的種屬如下：螺菌科（Spirillaceae）固氮螺菌屬（Azospirillum）、草螺菌屬（Herbaspirillum），腸桿菌科（Enterobacteriaceae）腸桿菌屬（Enterobacter）、克雷伯氏菌屬（Klebsiella），固氮菌科（Azotobac－teraceae）固氮菌屬（Azotobacter）、拜葉林克氏菌屬（Beijer-inekia），芽孢桿菌科（Bacillaceae）芽孢桿菌屬（Bacillus），假單孢菌科（Pseudomonadaceae）假單孢菌屬（Pseudomouas）。
其他還有一些聯合固氮菌屬於醋桿菌科和鹽桿菌科，在這眾多的聯合固氮菌中固氮螺菌屬是被研究得最多的一類。常用的菌種是巴西固氮螺菌Azospirillum brasilense和產脂固氮螺菌Azospirllum lipoferum。
綜述
由於聯合共生固氮體系中，固氮菌與植物根系之間只是一種鬆散的聯合，並沒形成類似根瘤的結構，所以研究其固氮體系的形成遇到很大困難。Dobereiner建議聯合固氮菌在根表定殖作為聯合固氮體系形成的標誌之一。形成聯合固氮體系大致分為趨化、結合和侵入3個過程。
趨化性
很多聯合固氮菌有極性鞭毛和周生鞭毛，通過細菌鞭毛的旋轉運動對根分泌的有機酸、糖、胺基酸形成的梯度和低氧濃度表現出趨化和化學激活現象。根際的細菌向植物根際靠近。C3植物——小麥根分泌物中草酸含量較高，從小麥根部分離的Azospirillum對草酸趨化性強。而C4植物——玉米根系分泌物中蘋果酸含量較高，相應的菌株對蘋果酸趨化性強，這種特異性反映了聯合固氮細菌對宿主根際環境有一定的選擇和適應能力。細菌在尋求營養來源和其他微生物競爭中趨氧性和趨化性都是很重要的功能。
結合
聯合固氮菌與宿主植物間的識別與結合是聯合固氮體系形成過程中的關鍵步驟。植物根表或根冠外覆蓋著一層由多糖類組成的粘質，聯合固氮菌大多聚集在根毛粘質部分。植物凝集素可能參與識別與結合過程，而聯合固氮菌產生的孢外多糖能與凝集素結合，細菌表面存在凝集素專一識別的糖結構。最近的研究表明植物根與固氮結合的過程中細菌的極性鞭毛起關鍵作用，鞭毛蛋白是一種糖蛋白。
入侵
有的聯合固氮菌如Azospirillum通過次生根伸出的裂隙、傷口或已退化的根毛進入植物組織內，定殖於表皮和皮層細胞的細胞間隙，有的甚至進入中柱，定殖於維管束細胞。固氮細菌定殖於根組織內對聯合固氮的雙方都是有益的，它降低了對底物的競爭。因為只有極少數菌能侵入根內，這導致在根內定殖的是一些較高特異性的細菌群落，並且促進了根和菌之間的物質轉化。
相互關係
植物對根際固氮的影響
能源是細菌與植物聯合的基本限制因子之一。根際細菌數比周圍土壤中的菌數多100倍。植物根系分泌物的成份、含量，隨著植物種類的不同，植物的生育期，不同的環境條件（如溫度、光強、土質、濕度）有很大變化。不同植物根分泌物的組成依賴它們的代謝類型C4植物玉米根的分泌物中含大量蘋果酸，而C3植物小麥和水稻根分泌物中草酸是最豐富的。這些變化在很大程度上影響了根際固氮菌的種類和聚集程度。
根際固氮菌對植物的影響
3．2．l 提供植物氮源 聯合固氮菌利用根系分泌物作為能源固氮，大部分固定的氮為自身利用不分泌或分泌很少量的氮到體外。因此聯合固氮菌提供給植物的氮素是很少的，只有菌體裂解後的氮素才能被植物吸收。一些含糖高的作物如甘蔗及濕生水稻中聯合固氮菌對宿主的氮素供給相對比較高。在巴西某些甘蔗田中常年不施N肥，甘蔗60%的氮素是由生物固氮提供的。
3．2．2 產生植物激素類物質 大量的研究表明，接種根際聯合固氮菌在不同的環境和土壤條件下對植物的生長，特別是在幼苗期有明顯的促進作用。主要原因是由於聯合固氮菌產生植物激素影響了宿主根的呼吸速率和代謝，也刺激了根毛和次生根的形成，使根毛和次生根數量增加。植物激素的種類主要是生長素（IAA）和類細胞分裂素及類赤黴素，亦有報導表明接種聯合固氮菌影響了宿主植物內源激素的代謝。
3．2．3 促進宿主根的生理變化
根際酸化是礦物質向植物移動的機制。聯合固氮菌在植物根定殖使宿主根的質子流增加從而刺激了宿主植物對礦物質的吸收。接種Azospirillum後提高了宿主根三羧酸循環中和糖酵解途徑有關的一些酶的活性，也有報導接種聯合固氮菌降低了一些氧化酶的活性如IAA氧化酶、多酚氧化酶，增強了氮同化和有機磷分解有關酶的活性，這些生理變化同時亦增強了根的抗病菌能力。
套用
聯合固氮菌主要的共生對象是與人類密切相關的糧食作物。利用聯合固氮菌作為田間作物的接種劑已在世界各國廣泛開展，有一些國家已形成商業產品。20年來田間接種聯合固氮菌的結果表明，在不同地區和氣候條件下對農業上一些重要作物如玉米、水稻、小麥接種是有增產作用的。接種實驗多數是採用固氮螺菌，用草炭菌劑拌種。最適接種量為1×107菌落形成單位/苗，種子。接種實驗獲得成功的最主要因素是保證接種最適量。由於聯合固氮菌與根系的聯合只是鬆散的聯合沒有形成穩定的共生結構，聯合固氮的效率受植物生長狀況、土壤、肥力、氣候及土著菌競爭等因素的影響很大，聯合固氮菌的固氮效率仍然是很低的。
影響聯合固氮效率的主要因素如下：
（l）土著菌的競爭 根際細菌的種類繁多，接種固氮菌面臨的是與土著菌之間對底物的強烈競爭。大多數的研究表明在自然條件下固氮菌很少能為根際細菌菌群的優勢部分，數量一般占總數的1%～10%，只有在氮素很貧乏的土壤中固氮菌才會表現出競爭的優勢。微生物之間的競爭顯然是影響固氮菌在根定殖的主要因子。
（2）結合態氮 結合態氮（氨、亞硝酸鹽、硝酸鹽）阻遏固氮酶的合成，抑制某些固氮菌固氮酶的活性，因此土壤中的結合態氮的濃度（範圍從5～500mgN/kg土壤）就能消除和降低接種后土壤中的固氮活性。土壤溶液和植物根分泌物中結合態氮的水平在某種程度上控制與根聯合的固氮速率，在高肥力水平的土壤中根際固氮作用降低甚至消失，而在低肥力水平的土壤中根際固氮作用相對比較高。
（3）氧 在聯合固氮菌的微生態環境中氧的水平是影響聯合固氮另一重要的因子。氧不可逆地使大多數固氮菌的固氮酶失活和調節固氮酶的合成。只有在低氧分壓條件下固氮菌的固氮速率達到最適程度。植物根分泌粘質覆蓋於根冠或根表形成根表粘液鞘，造成低氧環境為聯合固氮菌提供了良好的生存條件。濕生水稻的淹水環境亦有利於固氮菌的固氮作用。
研究進展
在巴西有上百年的甘蔗種植史，蔗田施氮量不多但持續高產。而土壤氮儲量並不下降，用15N實驗表明，某些品種從生物固氮獲得總氮量的60%。這種異常活躍的生物固氮不可能從根際群落得到，暗示存在不同於以往的高效生物固氮系統。1986年以來巴西Dobereiner實驗室從甘蔗根、莖、葉內分離到3種具有獨特生理、生化特性的固氮菌。這類固氮菌給宿主提供相當高的氮素。它們在土壤中不能生存或生存能力很差，而以相當高的數量存在於植物組織內。沒有引起宿主任何不良反應，稱其為內生固氮菌。已發現的內生固氮菌在甘蔗中有2類：①醋酸固氮菌Acetobacter diazotropHicu；②草螺菌Herbaspirillum spp．（在其它禾穀類作物如水稻、玉米中亦被分離到）。內生固氮菌代表了一個新的固氮系統，它的發現和研究擴展了經典的根際聯合固氮系統，並將開拓出一條生物固氮到其它作物的新途徑。
