史秀超

摘 要： 农作物固氮是指借助微生物将空气中的氮气还原为农作物能够利用的氨的过程。本文综述了近年来从禾本科植物体内和根际发现的内生固氮菌和根际固氮菌的种类、特征及对宿主的促生机理，提出了发掘和利用禾本科植物的生物固氮潜力的努力方向。

关键词：  禾本科植物;联合固氮;联合固氮菌;根际固氮菌;内生固氮菌

人类当前面临的最紧迫的问题之一是粮食短缺，粮食作物主要为禾本科植物。对禾本科植物固氮的了解和研究有助于解决粮食短缺问题。联合固氮作用在自然界广泛存在，对该体系的深入研究和探讨对于开发非豆科植物的固氮潜力具有重要意义。虽然联合固氮的固氮效应不及共生固氮高，但其分布广，受益作物多，因此对于非豆科植物而言，联合固氮可能成为将来农、林、牧业中潜在的稳定氮源，其生态意义和经济效益都是不可低估的。

一、联合固氮菌的概念及研究意义

20世纪70年代，巴西学者Dobereiner从热带禾本科牧草雀稗根际分离获得雀稗固氮菌，并提出根际联合固氮的概念，认为根际中存在一类自由生活的能固氮的細菌，定殖于植物根表或近根土壤，部分则能侵人植物根，但不与宿主形成特异分化结构，并将植物与细菌之间的这种共生关系称为联合共生固氮，又称为联合固氮作用。这种固氮作用在自然界广泛存在，是介于根际自生固氮和结瘤固氮之间的过渡类型。进入21世纪，人类社会普遍面临粮食、人口、环境、能源、资源等问题的困扰，加之目前化肥用量不断增加，土壤肥力日趋下降，如何保持农业生态环境的良好循环已成为当今世界现代农业的一个重大课题，在此背景下根际联合固氮作用逐渐显出其特殊的意义。

二、联合固氮菌种类

联合固氮的种类和分布非常广泛，从禾本科作物到木本植物的根际中都有发现。根据生理生态特征联合固氮菌大致可分成为三类：根际固氮菌、兼性内生固氮菌、专性内生固氮菌。

1.根际固氮菌。根际固氮菌指定殖于根表的所有固氮细菌。这类细菌不仅为植物提供氮素营养，其促进植物生长的主要原因在于产生的激素影响了植物的生理过程。这类固氮菌主要包括雀稗固氮菌、拜叶林克氏菌等。

2.内生固氮菌。内生固氮菌是指那些定殖在植物根内而与宿主植物联合固氮的固氮菌。它们的来源之一是种子和无性繁殖材料。另一个来源是根围和叶围，其中主要是根围。根据内生固氮菌的特点不同，又可分为兼性内生固氮菌和专性内生固氮菌两类。

（1）兼性内生固氮菌。兼性内生固氮菌既能在根内也能在根表和土壤中定殖，主要为固氮螺菌属的细菌。该属细菌分布广泛，能与许多寄主联合固氮，目前已分离鉴定出的有五种：产脂固氮螺菌、巴西固氮螺菌、亚马逊固氮螺菌、伊拉克固氮螺菌、高盐菌固氮螺菌等。

（2）专性内生固氮菌。专性内生固氮菌在土壤中不能生存或生存能力很差，主要存在于植物组织内。它们可为宿主提供相当数量的氮素。这类细菌主要从寄主植物的自然开口、根表皮裂细胞或次生根形成点细胞间隙感染植物，经木质部扩散至植株上部。该类群包括重氮醋酸固氮菌、固氮弧菌、草螺菌属、红苍白草螺菌和伯克霍尔德氏菌等。

三、联合固氮菌对植物的有利作用

1.为植物提供氮素。有些联合固氮菌将固定的氮素直接提供给植物吸收同化，有些则将固定大气中的氮气部分提供给宿主吸收利用，其余部分被细菌转化为细胞氮，由于细菌的生命周期比植物短得多，细菌死亡崩解后释放的有机氮也能逐步为植物根系吸收。

2.产生植物激素。有些根际联合固氮菌还可以产生植物激素，这些植物激素影响宿主根的呼吸速率和代谢，并刺激侧根生长，使根毛数目增多，根系发达。从而在不同的环境和土壤条件下促进植物的生长，尤其是幼苗期的生长。

3.促进内根际的生理变化。主要可以促进植物内根际多元酚的分泌，促使根部氧化酶活性降低还原酶活性提高，多元酚的功能与植物色素形成、细胞壁构建、紫外线杀害的保护和真菌浸染的防御有关;氧化酶活性降低可能是造成内源激素和多元酚水平提高的原因。同时还可以促进植物内根际ATP含量增加从而增强植株的生活力。

4.固氮菌可有效地抑制不同病菌引起的植物病害。由于内生固氮菌定殖在植物体内占据了植物上的生态位点，使病原菌由于生存空间的限制而难以入侵和定殖，这些细菌还可以与病原菌形成营养竞争关系，使病原菌得不到营养而死亡。另一方面是由于有些联合固氮菌能够分泌邻苯二酚等高铁载体，可以抑制土壤病源微生物的生长与繁殖，增强植物抗逆性。杨海莲研究发现阴沟肠杆菌对水稻稻瘟病、纹枯病、白叶枯病都有一定的抑制作用。Braun等也发现成团肠杆菌对丁香假单胞菌引起的小麦粒瘟病的防治效果达45%～74%。

四、发掘和利用禾本科植物联合固氮潜力的研究方向

1.联合固氮关系的强化和有效化。联合固氮是实现禾本科植物生物固氮的近期目标。首先必须获得广谱高效固氮菌株，可通过从自然界分离筛选来实现。因地制宜，根据各地的土壤类型、气候条件、作物品种选用适宜的接种剂。其次，配合良好的田间管理措施，有报道指出玉米接种后应用地膜覆盖技术或在玉米的行间覆盖稻草可提高地温保持土壤湿度，有利于接种菌在根际的繁殖和定殖，而获得较好的接种效果。

2.诱导禾本科植物形成固氮根瘤。用纤维素酶、果胶酶降解根尖细胞壁或用植物生长调节剂2，4-二氯苯氧乙酸处理根后能将根瘤菌、固氮螺菌引入小麦、水稻、玉米并形成类根瘤结构，在类根瘤中可以检测到大量细菌存在和较低的固氮酶活性。植物内生固氮菌的发现为禾本科植物实现生物固氮开辟了一条新的途径。这个部位不仅可满足细菌生长和固氮所需的足够的能源、低氧分压以及交换代谢产物的微环境，还避免了化合态氮的抑制及土壤微生物的竞争，固定的氮又可直接供给植物吸收，因而表现出更高的固氮效率。这种固氮菌的接种方式不仅避免了基因工程方法的复杂性和不易实现性，又保证了联合同氮的高效性，无疑给禾本科植物的生物固氮带来了新的曙光.

五、展望

生物固氮研究是一项长期而艰巨的工作，在理论和实践上都还有不少需要解决的问题。目前还没有一种完全满意的应用于田间检测固氮效果的方法。尤其是非豆科作物在缺乏共生固氮的情况下，涉及到作物和固氮菌两方面的研究，应针对其特点分不同层次和不同步骤开展工作。纵向深入研究的方法一直被视为科学研究的焦点，力求突破;而横向联系平衡遗传效应研究，也许更适合自然规律，有利于固氮作用的应用。徐兴良的研究为人们提供了一个崭新的视角。要建立固氮微生物与小麦真正的共生固氮，至少要有侵染识别、固氮的能量供应和控氧机制三大方面的突破。

参考文献：

[] 张丽梅，方萍，朱日清.禾本科植物联合固氮研究及应用现状展望[J].应用生态学报，2004，15（9）：1650-1654.

[2] 刘晓璐，杨柳青，吕乐，等. 烟草根际固氮菌的筛选、鉴定及优化培养[J]. 中国烟草学报. 2015（01）： 89-94.