TUhjnbcbe - 2022/3/25 17:00:00
摘要氮素是植物生长必不可少的元素，植物内生固氮菌不仅能够在植物体内产生氮素以供植物利用，而且在自然界氮素循环过程中发挥积极作用，对农业可持续发展具有重要意义。近年来，植物内生固氮菌逐渐成为研究热点。由植物内生固氮菌的发现、作物共生、侵入途径、固氮机理、促生作用机制等方面系统地综述了植物内生固氮菌的研究进展，探讨了植物内生固氮菌新的研究思路以及一些尚未解决的问题，以期为植物内生固氮菌及生物固氮研究提供参考。关键词内生固氮菌；固氮酶；固氮机理；生物固氮植物内生固氮菌（endophyticdiazotroph）是指与宿主植物进行联合固氮并且定殖于植物体内的一类微生物[1]。它们不需要与植物产生结瘤，就可以侵入到宿主植物体内并定殖，可以直接或间接提供植物生长所需要的氮源，除了固氮作用外已经被证实的有产IAA、溶磷、产铁载体、拮抗病原菌等功能，可用于生物防治、促进植物生长等领域。植物内生固氮菌的研究始于20世纪60年代，之后在牧草、甘蔗、水稻等多种作物中均分离出了内生固氮菌。由于内生固氮菌定殖在植物体内，相比于根际和共生固氮菌位置优势更明显。因此，研究内生固氮菌与植物之间的关系对农业生产、可持续发展等具有重要意义。1植物内生固氮菌的发现年,D?bereiner等[2]在尝试研究甘蔗固氮系统时，首次从根际分离到固氮细菌——拜叶林克氏菌（Beijerinck），这也是研究者首次证实禾本科植物存在生物固氮潜力。D?bereiner等[3]在年研究了热带牧草生物固氮系统，其由固氮螺菌（Azospirillum）和牧草形成，而且还发现固氮螺菌大多数聚集在牧草根表，但是有一部分菌株可以穿过根表皮细胞壁侵入到牧草根内部，这些侵入到植物体内的菌不与宿主植物形成特殊的共生组织，而是处于一种没有表型特征而且松散的共生状态，这一现象被称为联合共生固氮作用（associativesymbioticnitrogenfixation），这种固氮类型是介于根际自生固氮和结瘤固氮之间的过渡类型。D?bereiner团队还从甘蔗组织内部发现并分离出固氮菌，因其具有将乙醇氧化成乙酸的能力而且能够在酸性条件下固氮，所以被命名为醋酸固氮菌（Acetobacterdiazotrophicus）。这些菌在甘蔗根和茎中大量存在，并且可以在含糖培养基上表现出最佳生长态势，这正是其在甘蔗汁中普遍存在的生长条件[4]，之后又被重命名为固氮葡糖醋杆菌[5]。Helvécio等[6]采用乙炔还原法测定了2种热带牧草中的固氮酶活性，并用15N标记证实了植物的固氮能力。年Tarrand等[7]命名了拜叶林克氏菌属（Azospirillumlipoferum）和巴西固氮螺菌属（Azospirillumbrasilense）的新型菌株，这2种菌是由D?bereiner从马唐属和小麦中分离出来的。虽然越来越多的固氮菌被分离出来，但是对于固氮菌的划分一直并未明确。直到年Joséi等[8]研究了根际、内生、兼性和专性固氮菌，然后根据固氮菌菌体是否可以侵入植物组织内部并定殖，将固氮菌分为根际固氮菌（rhizospherediazotrophs）和内生固氮菌（endophyticdiazotrophs），之后相继发现甘蔗、水稻、玉米、牧草等具有重要经济价值的作物中均存在明显的生物固氮现象。植物内生固氮菌能否顺利侵入植物体内并定殖是发生联合固氮作用的决定性因素[9]。植物内生固氮菌由于在植物组织内部，相比于根外占据着更加有利的地位，具有供应营养物质、与病原菌竞争营养和空间、分泌植物生长激素等优势，相较于根外更容易形成高效固氮体系。内生固氮菌与植物的独特关系和环境特点潜力，使其成为了一个具有重要意义的研究方向。2内生固氮菌与多种作物共生内生固氮菌根据其特点不同，又可分为兼性内生固氮菌和专性内生固氮菌2类。国外在甘蔗上的内生固氮菌相关研究报道较多。年,D?bereiner[2]首先在甘蔗根际分离到大量的Beijerinck属细菌，并提出了甘蔗联合固氮作用（sugarcaneassociativenitrogenfixation）的概念。随后陆续报道在甘蔗的根、茎、叶及根际中分离到了多种固氮细菌。年我国科学家在广西种植的不同甘蔗品种中分离出内生固氮菌[10]。黄杏等[11]通过采用3种不同固氮菌的混合菌液接种甘蔗，发现甘蔗的根系活力、碳水化合物及蛋白质含量均得到明显提高。罗霆等[12]采用15N同位素稀释法证明在接种固氮菌后，甘蔗的固氮量和固氮百分比均得到提高，同时，魏春燕等[13]发现甘蔗基因型对甘蔗与固氮菌间的联合互作有影响。最近，史国英等[14]从广西甘蔗茎基部组织分离筛选到1株内生固氮菌株NN，其固氮促生效果明显，有望研发成为优良固氮微生物肥料生产菌种，并可进一步用于甘蔗联合固氮菌作用机理的相关研究。除了甘蔗之外，国内的科学家在水稻和玉米上的内生固氮菌研究报道最多，如丘元盛等[15]在广东省水稻根分离出来的粪产碱菌（Alcaligenesfaccalis）。研究者还从水稻上分离到内生阴沟肠杆菌（Enterobactercloacae）[16]。华南农业大学谭志远团队[17]在野生稻内生固氮菌方面的研究比较深入，已取得了一系列研究成果。该团队在普通野生稻、澳洲野生稻、岑溪药用野生稻、藤县药用野生稻中均分离到多种内生固氮菌，并证明这些分离到的菌不仅在遗传方面具有多样性，而且还含有一些高固氮酶活性的菌株，可以达到42.52μmolC2H4·mL-1·h-1。该团队将普通野生稻分离出的内生固氮菌进行回接实验，结果表明其能够显著促进水稻生长。野生稻不仅是我国的一种重要种质资源，也是宝贵的功能微生物资源库[18]。在野生稻内已发现的固氮菌目前有31个属74个种，其中兼性内生固氮菌占绝大部分，并且寄主范围广、分布地域全球化。野生稻内生固氮菌存在巨大发掘空间，现有研究大多集中于其促进生长、抗病害作用等方面。自从年美国科学家Palus等[19]从甜玉米茎内分离到可固氮的肺炎克雷伯氏菌（Kelebesillapneumomiae）以来，此后相继在玉米的根、茎、叶上分离到内生固氮菌[20]。其中，同一玉米样品根内生固氮菌的多样性最高，其次是叶，茎中最低[21]。一些玉米根、茎、叶上分离到的固氮菌株，如L1A1、L1A4、L1B9和L2A2是多功能固氮菌，有研究者对这4株菌的固氮、溶磷、拮抗、促生等一系列指标进行评价后，将这4菌株接种到小麦上，发现小麦的农艺性状有明显改善，植株更加健壮，幼苗的长势也更好，并且在一定程度上可以提高小麦的抗干旱能力[22]。覃姚红等[23]研究表明，玉米种子内生固氮菌对小麦生长及抗旱能力也有促进作用。此外，科学家们在小麦、禾本科牧草、蔬菜、果树、林木上也分离鉴定出了不同类型的内生固氮菌，并研究了固氮活性及其菌株特性[24-28]，这引起了人们对植物内生生物固氮作用的广泛