全 文 ：神木地区耐旱灌木和草本豆科植物
根瘤菌遗传多样性*
聂摇 刚摇 陈卫民摇 韦革宏**
(西北农林科技大学, 陕西杨凌 712100)
摘摇 要摇 豆科植物具有抗逆性强、耐瘠薄的特性,许多豆科植物是荒漠地区的先锋植物,在生
态环境保护中起重要作用.以神木地区主要的灌木和草本豆科植物鄄根瘤菌共生体系为材料,
采用 16S rRNA PCR鄄RFLP和序列分析等方法,对分离得到的 55 株菌进行多样性分析,其中,
30 株菌分离自灌木豆科植物紫穗槐和柠条,25 株菌分离自草本豆科植物斜茎黄芪、苜蓿、草
木樨黄芪等.结果表明: 这些菌株共有 11 种 16S rRNA PCR鄄RFLP遗传图谱类型,分离自草本
豆科植物的菌株主要归属于中慢生根瘤菌属、剑菌属、根瘤菌属、叶瘤杆菌属和土壤杆菌属 5
个属,分别与华癸中慢生根瘤菌、地中海中慢生根瘤菌、刺槐中慢生根瘤菌、费氏剑菌、草木樨
剑菌、木兰根瘤菌、放射根瘤菌、突尼斯叶杆菌和根癌土壤杆菌系统发育关系最近.分离自灌
木豆科植物的菌株仅归属于中慢生根瘤菌属,分别与华癸中慢生根瘤菌和地中海中慢生根瘤
菌系统发育关系最近.华癸中慢生根瘤菌和地中海中慢生根瘤菌是两类豆科植物的共生菌
种,表明在干旱地区,根瘤菌对两种类型豆科植物的选择共生存在差异,这与豆科植物种类有
关,还可能与其所处生态环境有关.
关键词摇 耐旱植物摇 根瘤菌摇 16S rRNA PCR鄄RFLP摇 多样性
文章编号摇 1001-9332(2014)06-1674-07摇 中图分类号摇 Q939摇 文献标识码摇 A
Genetic diversity of rhizobia isolated from shrubby and herbaceous legumes in Shenmu arid
area, Shaanxi, China. NIE Gang, CHEN Wei鄄min, WEI Ge鄄hong (Northwest A&F University,
Yangling 712100, Shaanxi, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(6): 1674-1680.
Abstract: Legume, with a strong resistance to the adverse environmental conditions, is one of pio鄄
neer plants in the desert region and plays an important role in the protection of the ecological envi鄄
ronment. In this study, the symbiosis of rhizobia associating with shrubby and herbaceous legumes
in Shenmu area, Shaanxi, China was characterized by the 16S rRNA PCR鄄RFLP and sequence
analysis of involved genes. A total of 55 strains were isolated and purified, including 30 strains from
the shrubby legume Amorpha fruticosa and Caragana microphylla, and 25 strains from herbaceous
plants Astragalus adsurgens, Medicago sativa and Astragalus melilotoides. Results showed that there
were 11 16S rRNA genotypes. The strains isolated from herbaceous legumes belonged to five genus
including Mesorhizobium, Ensifer, Rhizobium, Phyllobacterium and Agrobacterium, which were very
close related to M. huakuii, M. mediterraneum, M. robiniae, E. fredii, E. meliloti,
R. indigoferae, R. radiobacter, P. ifriqiyense and Ag. tumefaciens through the phylogenetic analy鄄
sis. The strains isolated from shrubby legumes belonged to Mesorhizobium, and they were very close
related to M. huakuii and M. mediterraneum which were shared simultaneously by shrubby and her鄄
baceous legumes. All of these indicated the choice of rhizobia by the two types of legumes in the
arid area was different, and it might depend on the species of host plant and environmental factors.
Key words: drought鄄tolerant plant; rhizobium; 16S rRNA PCR鄄RFLP; diversity.
*国家自然科学基金项目(31125007)资助.
**通讯作者. E鄄mail: weigehong@ nwsuaf. edu. cn
2013鄄09鄄03 收稿,2014鄄03鄄09 接受.
摇 摇 根瘤菌是一类农业生产中常见的杆状细菌,能 与豆科植物形成共生固氮体系,将空气中 N2转化成
NH4 +供植物生长,提高生物产量. 为获得与生态环
境及豆科植物相匹配的优质根瘤菌,发掘新的适应
性强、固氮效率高的根瘤菌种质资源,促进农业、林
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 6 月摇 第 25 卷摇 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2014, 25(6): 1674-1680
业、牧业及环境可持续发展,根瘤菌资源的生物多样
性和分类一直是研究热点[1-2] .
豆科植物具有抗逆性强、耐瘠薄的特性,广泛分
布在荒漠区、盐碱地等恶劣自然环境中,在农业生产
和生态环境保护中,具有重要的经济和生态价值.优
良的豆科植物鄄根瘤菌共生固氮体系,不但能有效提
高土壤氮素养分,增加土壤有机质,提高土壤肥力,
同时还能保蓄水分,防风固沙,防止水土流失[3] . 豆
科植物是很好的绿肥[4] . 玉米间作草木樨、麻豌豆
和针叶碗豆并压青具有较好的增产、培肥效果[5] .
周涛等[6]用筛选到的 2 个菌株接种“贡选 1 号冶大
豆,其产量比对照显著增加 18. 5%和 33. 5% . 豆科
植物是恶劣生态环境治理的首选植物,在非洲和中
东地区干旱胁迫条件下,广泛种植相思和牧豆,对该
地区水土保持、防止土壤条件恶化等起到积极作用,
是干旱和沙漠环境中的先驱植物[7] . Zahran[8-9]对埃
及干旱沙漠修复地区的草本豆科植物白花三叶草
(Trifolium repens)、印度草木樨(Melilotus indicus)、
波斯三叶草(T. resupinatum)和弯果葫芦巴(Trigo鄄
nella hamosa)的共生固氮体系的固氮活性进行了研
究,发现这些豆科植物在长期进化中选择了相容的
根瘤菌,并能与根瘤菌属(Rhizobium)菌株形成有效
根瘤.
神木县位于陕西省北部,晋、陕、蒙三省(区)接
壤地带,地处黄土高原与毛乌素沙漠过渡地带,是典
型的干旱、半干旱地区. 近年来,由于煤矿资源过度
开采,该地区生态环境极为脆弱,以沙漠化最为突
出[10-11] .神木地区广泛分布着多种草本和木本豆科
植物,如斜茎黄芪(Astragalus adsurgens)、沙珍棘豆
(Oxytropis psamocharis)、柠条 (Caragana microphyl鄄
la)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)等. 这些豆科植物具
有耐干旱特性,在培肥土壤、防风固沙等方面起重要
作用,是荒漠区贫瘠土壤中生长的先锋植物.本研究
对该地区灌木豆科植物和草本豆科植物的根瘤菌多
样性进行分析,旨在发掘这两类豆科植物对土壤根
瘤菌的选择特性,确定这些根瘤菌的系统发育关系,
为该地区豆科植物资源及根瘤菌的开发利用提供科
学依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 根瘤样品采集
于 2011 年 6—7 月,采集神木地区主要灌木豆
科植物和草本豆科植物根瘤,每株植物上选择饱满、
体积大、活性较高的根瘤,保存于装有变色硅胶的青
霉素瓶中,编号备用. 同时记录采样地点、植物种类
等信息.
1郾 2摇 根瘤菌的分离与纯化
在实验室内,将干燥的根瘤在无菌水中浸泡至
吸胀,用 95%的酒精浸泡 5 min,再用 0. 1% HgCl2处
理 3 ~ 5 min,无菌水冲洗 5 ~ 6 次后,接种于 YMA斜
面(YMA培养基:甘露醇 10 g,酵母粉 3 g,MgSO4·
7H2O 0. 2 g,K2HPO4 0. 5 g,NaCl 0. 1 g,琼脂粉 18 g,
蒸馏水 1000 mL,pH 7. 0),挑取单菌落,革兰氏染
色,镜检,直至得到纯菌,4 益低温斜管保藏一份,
30%甘油保藏两份备用.
1郾 3摇 16S rRNA基因 PCR鄄RFLP分析
1郾 3郾 1 DNA模板制备摇 供试菌株经 YMA 斜面活化
后,转接于 10 mL TY 液体培养基中(TY 液体培养
基:胰蛋白胨 5 g,酵母粉 3 g,无水 CaCl2 0. 46 g,pH
6. 8 ~ 7. 2),28 益培养至对数期. 离心收集到 1. 5
mL Eppendorf管中,TE(pH 8. 0)洗涤、离心 3 次.洗
好的菌体中加入 500 滋LTE 和 125 滋L 10%的 SDS,
37 益水浴保温 2 ~ 4 h. 用苯酚 颐 氯仿 颐 异戊醇
(25 颐 24 颐 1)抽提 3 次去蛋白,加入-20 益预冷的等
体积异丙醇沉淀 DNA,离心去上清后用 75%的乙醇
洗涤脱盐过夜. 95%的乙醇脱水 10 min 后风干,溶
于 TE溶液中,提取的总 DNA 用琼脂糖凝胶电泳检
测后作为 PCR 扩增的模板.
1郾 3郾 2 PCR扩增摇 以总 DNA 为模板,正向引物 P1:
5 爷鄄AGAGTTTGATCCTGGCTCAGAACGAACGCT鄄3 爷
(E. coli 对应位置为 8—37);反向引物 P6:5爷鄄
TACGGCTACCTTGTTACGACTTCACCCC鄄3爷 (E. coli
对应位置为 1479—1506). PCR 反应体系为 50 滋L,
模板 DNA(20 ~ 30 ng)2. 0 滋L,反应缓冲液(10 伊)
5郾 0 滋L,dNTPs(20 mmol·L-1)1. 0 滋L,正向引物 P1
(50 滋mol·L-1)1. 0 滋L,反向引物 P6(50 滋mol·L-1)
1. 0 滋L,Taq聚合酶(5 U·滋L-1)0. 5 滋L,MgCl2 3. 0
滋L. PCR反应条件为:95 益预变性 3 min,94 益变性
1 min,56 益复性 1 min,72 益延伸 2 min,72 益再延
伸 6 min,32 个循环,1. 0%琼脂糖凝胶电泳检测,溴
化乙锭(EB)染色 10 min,UV照相,检测扩增片断长
度及产量.
1郾 3郾 3 酶切与电泳 摇 分别选用 Hae 芋、 Msp玉、
Hinf玉、Rsa玉4 种限制性内切酶对 16S rRNA进行酶
切分型,取 8 滋L 16S rRNA PCR产物,根据内切酶的
使用操作说明,加入适量的限制性内切酶缓冲液和
限制性内切酶,充分混匀,37 益 酶切 4 h 后,用
2郾 0%的琼脂糖凝胶电泳分离,100 V 电泳 3 h,UV
57616 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 聂摇 刚等: 神木地区耐旱灌木和草本豆科植物根瘤菌遗传多样性摇 摇 摇 摇 摇 摇
凝胶成像扫描,文件以 TIFF格式保存.
对比每一个酶切电泳图谱照片,凡是电泳图谱
上不同菌株间迁移速率相同的带被认为是同一个性
状,4 种酶切条带完全一致的菌株被认为是同一种
基因型.
1郾 4摇 16S rRNA基因序列测定和系统发育分析
根据 16S rRNA PCR鄄RFLP酶切分型结果,从每
种基因型中任选取 1 株菌作为代表菌株送至深圳华
大基因公司进行 16S rRNA 测序. 序列结果在 Gen鄄
Bank (NCBI)中比对,获得已知模式菌株序列,再应
用 ClustalX1. 81 软件进行序列比对,用 Bioedit
4郾 8郾 4 软件对所得序列进行手工纠正,利用 MEGA
序列分析软件,采用 Neighbor鄄joining 方法构建 16S
rRNA系统发育树,通过 EzTaxon server 2. 1 软件比
对测试菌株间 16S rRNA序列的相似性值[12] .
2摇 结果与分析
2郾 1摇 菌株 16S rRNA基因酶切图谱和基因类型
共分离纯化得到 55 株菌,其中,30 株菌分离自
灌木豆科植物紫穗槐和柠条,25 株分离自草本豆科
植物斜茎黄芪、苜蓿(Medicago sativa)、草木樨黄芪
(Astragalus melilotoides)和沙珍棘豆(表 1). 供试菌
株的 16S rRNA扩增均产生 1500 bp大小的片段,经
Hae芋、Msp玉、Hinf玉、Rsa玉4 种限制性内切酶酶切
和电泳分离,部分菌株的酶切结果见图 1,分别得到
6、8、7、3 种限制性内切酶酶切图谱类型(表 1).这 4
种酶切图谱组合到一起得到的 16S rRNA 遗传图谱
类型共有 11 种.
2郾 2摇 16S rRNA系统发育地位的确立
选取 11 种 16S rRNA 基因型的代表菌株进行
16S rRNA序列测定(表 1),并进行序列同源性比较
和系统发育树构建.由图 2 可知,分离菌株主要分布
在根瘤菌属、土壤杆菌属鄄根瘤菌属(Agrobacterium鄄
Rhizobium)、剑菌属(Ensifer)、中慢生根瘤菌属(Me鄄
sorhizobium)和叶瘤杆菌属(Phyllobacterium)5 个发
育分支上.
分支玉包括基因型 4 和基因型 9(4 株菌),其
代表菌株 SM16 和 SM27 与豌豆根瘤菌(R. legu鄄
minosarum)和木兰根瘤菌(R. indigoferae)形成一个
分支,构成根瘤菌属分支,在系统发育上与木兰根瘤
菌亲缘关系最近,16S rRNA 序列相似性分别为
99郾 8% 、99. 7% .
表 1摇 菌株的寄主和 16S rRNA基因类型
Table 1摇 Host plant and 16S rRNA genotype of the rhizobia
菌株
Strain
16S rRNA 酶切图谱
16S rRNA PCR鄄RLFP pattern
Hae芋 Msp玉 Hinf玉 Rsa玉
16S rRNA
基因型
16S rRNA
genotype
寄主植物
Host
plant
采样地
Geographical
origin
相似模式菌种
Similar type
strain
SM37,SM38,SM39,SM40,SM41,SM42,
SM45,SM46,SM49,SM50,SM51,SM52
A A A A 1 紫穗槐 西葫芦镇 M. huakuii
SM4,SM5,SM8,SM11,SM12,SM1,SM2,
SM3,SM9,SM10
A A A A 1 紫穗槐 红碱淖 M. huakuii
SM34,SM35 A A A A 1 斜茎黄芪 尔林兔镇 M. huakuii
SM53,SM54 A A A A 1 柠条 六道沟镇 M. huakuii
SM13 A A A A 1 斜茎黄芪 中鸡镇 M. huakuii
SM19,SM21 A A B A 2 草木樨黄芪 中鸡镇 M. mediterraneum
SM23 A A B A 2 砂珍棘豆 中鸡镇 M. mediterraneum
SM6,SM7 A A B A 2 紫穗槐 红碱淖 M. mediterraneum
SM43,SM44,SM47,SM48 A A B A 2 紫穗槐 西葫芦镇 M. mediterraneum
SM14 B B C B 3 斜茎黄芪 中鸡镇 R. radiobacter
SM16,SM17 C D E A 4 草木樨黄芪 中鸡镇 R. indigoferae
SM28 C D E A 4 斜茎黄芪 中鸡镇 R. indigoferae
SM18,SM22,SM29 A C D A 5 草木樨黄芪 中鸡镇 E. fredii
SM26,SM15 A C D A 5 斜茎黄芪 中鸡镇 E. fredii
SM24 B B E B 6 斜茎黄芪 中鸡镇 R. radiobacter
SM25 A E F C 7 斜茎黄芪 中鸡镇 M. robiniae
SM30 D G G B 8 斜茎黄芪 尔林兔镇 Ag. tumefaciens
SM27 E F E B 9 斜茎黄芪 中鸡镇 R. indigoferae
SM33,SM31,SM32,SM36 F D G B 10 斜茎黄芪 尔林兔镇 P. ifriqiyense
SM20 A H D A 11 苜蓿 六道沟镇 E. meliloti
SM55 A H D A 11 草木樨黄芪 六道沟镇 E. meliloti
6761 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
图 1摇 部分菌株 16S rRNA的 4 种酶切图谱
Fig. 1摇 Four restriction endonucleases patterns of some rhizobial 16S rRNA.
图 2摇 根瘤内生菌 16S rRNA系统发育树
Fig. 2摇 Phylogenetic tree of 16S rRNA gene sequences of nodule endophytes.
摇 摇 分支域包括基因型 6、3 和基因型 8(3 株菌),
其代表菌株 SM30、SM14 和 SM24 与根癌土壤杆菌
(Ag. tumefaciens)和放射根瘤菌(R. radiobacter)聚
在一起,构成土壤杆菌属鄄根瘤菌属交叉分支.其中,
菌株 SM30 与根癌土壤杆菌的 16S rRNA 序列相似
性为 99. 5% ,SM14 和 SM24 与放射根瘤菌相似性分
别为 99. 6%和 99. 2% .这一分支已引起国际分类学
者的关注,其属名正在酝酿中.
分支芋包括基因型 5 和基因型 11(7 株菌),其
代表菌株 SM20 和 SM22 与新疆剑菌(E. xinjiangen鄄
sis)、费氏剑菌(E. fredii)、苜蓿剑菌(E. medicae)和
草木樨剑菌(E. meliloti)形成一个分支,构成剑菌属
分支.其中,菌株 SM22 与费氏剑菌系统发育关系最
近,SM20 与草木樨剑菌系统发育关系最近,16S
rDNA序列相似性均为 99. 9% .
分支郁包括基因型 10 (4 株菌),其代表菌株
SM33 与突尼斯叶杆菌(P. ifriqiyense)系统发育关系
最近,16S rRNA序列相似性为 99. 8% .
分支吁包括基因型 1、2 和基因型 7(37 株菌),
其代表菌株 SM41、SM19 和 SM25 与华癸中慢生根
瘤菌(M. huakuii)、刺槐中慢生根瘤菌(M. robini鄄
ae)、地中海中慢生根瘤菌(M. mediterraneum)、天山
中慢生根瘤菌(M. tianshanense)、广布中慢生根瘤
菌(M. plurifarium)和紫穗槐中慢生根瘤菌 (M.
amorphae)亲缘关系较近,形成一个分支,共同构成中
慢生根瘤菌属分支.其中,SM41 与华癸中慢生根瘤菌
发育关系最近,16S rRNA 序列相似性为 98郾 9%;
SM19 与地中海中慢生根瘤菌发育关系最近,相似性
77616 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 聂摇 刚等: 神木地区耐旱灌木和草本豆科植物根瘤菌遗传多样性摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 灌木和草本豆科植物分布及生态功能
Table 2摇 Distribution and ecological function of shrubby and herbaceous legumes
植物类型
Plant
type
豆科植物摇 摇
Legume 摇 摇
species摇 摇
抗性
Characteristics
分布
Distribution
生态功能
Ecological
function
共生根瘤菌种类(数量)
Symbiotic rhizobial
species
非共生菌种类
No鄄symbiotic
rhizobial species
灌木
Shrub
紫穗槐 耐旱、耐寒、耐湿、
耐盐碱、抗风沙、抗
逆性极强的灌木
东北、华北、河
南、华东、湖北、
四川等省(区)
是黄河和长江流域很好
的水土保持植物
M. huakuii (22),
M. mediterraneum (6)
摇 摇 摇 0
柠条 耐旱、耐寒、耐高
温、耐碱土、抗风
沙、旱生灌木
西北、华北、东
北西部
水土保持和固沙造林的
重要树种之一,属于优良
固沙和绿化荒山植物
M. huakuii (2) 摇 摇 摇 0
草本
Herb
斜茎黄芪 抗旱、抗寒、抗风
沙、耐瘠薄,且较耐
盐碱
东北、西北、华
北地区等种植
利用
绿肥、饲草和水土保持兼
用型草种,防风固沙能力
强、防止水土流失和改良
土壤
M. huakuii (3),
E. fredii (2),
M. robiniae (1),
R. indigoferae (2)
R. radiobacter (2)
Ag. tumefaciens (1)
P. ifriqiyense (4)
草木樨黄芪 耐旱、耐轻度盐渍
化生境
北方地区,从东
北到西北各省
区均有
沙区及黄土丘陵地区水
土保持草种
M. mediterraneum (2),
E. meliloti (1), E. fredii
(3), R. indigoferae (2)
摇 摇 摇 0
苜蓿 干旱的耐受能力
极强
西北、华北、东
北、江淮流域
改良土壤,牲畜饲料 E. meliloti (1) 摇 摇 摇 0
砂珍棘豆 喜暖耐旱 陕西、甘肃、山
西、河北、内蒙
低等饲用植物 M. mediterraneum (1) 摇 摇 摇 0
为 99. 1% ;SM25 与刺槐中慢生根瘤菌发育关系最
近,相似性为 99. 9% .
2郾 3摇 草本豆科植物与灌木豆科植物根瘤菌多样性
比较
由表 2 和图 3 可知,分离自草本豆科植物的菌
株主要分布于中慢生根瘤菌属、剑菌属、根瘤菌属、
叶瘤杆菌属和土壤杆菌属 5 个属,分别与华癸中慢
生根瘤菌、地中海中慢生根瘤菌、刺槐中慢生根瘤菌、
费氏剑菌、草木樨剑菌、木兰根瘤菌、放射根瘤菌、突
尼斯叶杆菌和根癌土壤杆菌系统发育关系最近.分离
自灌木豆科植物的菌株仅分布于中慢生根瘤菌属中,
分别与华癸中慢生根瘤菌和地中海中慢生根瘤菌系
统发育关系最近.其中,华癸中慢生根瘤菌和地中海
中慢生根瘤菌是两类豆科植物共有的菌种.
2郾 4摇 根瘤菌多样性分析
由图4可知,中慢生根瘤菌属占总数的67郾 3% ,
图 3摇 分离自灌木(玉)和草本(域)豆科植物的根瘤菌种类
和数量分布
Fig. 3 摇 Distribution of rhizobial species and quantity from
shrubby (玉) and herbaceous (域) legumes.
图 4摇 不同菌种类的分布百分比
Fig. 4摇 Distribution percentage of the rhizobial species.
其中,华癸中慢生根瘤菌占 49. 1% ,地中海中慢生
根瘤菌占 16. 4% ,刺槐中慢生根瘤菌占 1. 8% ;剑菌
属占总数的 12. 7% ,其中费氏剑菌和草木樨剑菌分
别占 9. 1%和 3. 6% ;根瘤菌属占总数的 10郾 9% ,其
中,木兰根瘤菌占 7. 3% ,放射根瘤菌占 3郾 6% ;非共
生的菌种根癌土壤杆菌和突尼斯叶杆菌分别占总数
的 1. 8%和 7. 3% .
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 根瘤菌与植物抗旱作用
本研究中,可与豆科植物形成共生体的根瘤菌
非常多,主要分布在中慢生根瘤菌属、根瘤菌属和剑
菌属 3 个属中,这可能是豆科植物和根瘤菌为适应
不同恶劣环境协同进化的结果. 豆科植物是干旱半
干旱地区自然演替的重要组成部分,它们可以与根
瘤菌形成共生体系,然后进行生物固氮,是最基本的
氮源输入途径.它们不仅能提高生态环境中的关键
8761 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
植物物种适应性,同时能增强氮素从固定态转变为
有效态的自然演替,提高土壤氮含量,增加土壤有机
质,增强土壤的蓄水能力,从而提高土壤质量[3] . 与
其他异养生物及弗兰克氏菌属相比,豆科植物和根
瘤菌这对共生体系对氮循环影响最大,目前被认为
是陆生系统中固氮主要来源,固氮量占生物固氮量
50%以上[9],是地球圈氮素循环的主要环节. 研究
表明,根瘤菌主要通过固氮作用,提高植物的生物
量,有些根瘤菌产生 IAA、铁载体等促进植物生长,
有些根瘤菌具有耐盐碱性、耐受重金属的作
用[13-14],增加共生固氮体系的形成几率. Rejili
等[15]对突尼斯南部干旱地区 5 种野生豆科植物共
生固氮状况进行了调查,发现这些根瘤具有高效的
固氮能力,对于干旱环境中植物的适应生长起积极
作用.在干旱少雨的荒漠地区,野生豆科植物适应性
强,对改善土壤条件及防止生态环境恶化起关键
作用.
3郾 2摇 不同类别豆科植物内生菌多样性差异及作用
豆科植物与根瘤菌共生有较强的专一性, 即每
种植物只与其相匹配的根瘤菌共生.在神木地区,与
灌木和草本豆科植物共生的根瘤菌种类具有一定的
差异.灌木豆科植物根瘤菌以中慢生根瘤菌属为主
要类群,能与其结瘤的根瘤菌范围较窄,而草本豆科
植物的根瘤菌有中慢生根瘤菌属、根瘤菌属和剑菌
属 3 个类群,分布均匀且共生范围较广.同时还从豆
科植物根瘤菌中分离得到 3 种其他内生菌,这些菌
株从传统分类上属于非共生根瘤菌.但有研究发现,
非共生根瘤菌也具有结瘤固氮作用,从而间接地证
明了共生基因的转移,使得根瘤菌的范围逐渐扩大.
陈文峰等[16]发现,从木本豆科植物中分离的大多数
根瘤菌属于根瘤菌属和慢生根瘤菌属,少数属于中
慢生根瘤菌属和剑菌属,属于伯克霍尔德氏菌属
(Burkholderia)的则更少. 黄莉莉等[17]发现,华东地
区木本豆科植物根瘤菌 41. 5%菌株属于中慢生根
瘤菌属,其他菌株属于根瘤菌属和慢生根瘤菌属.
Liu等[18]研究发现,我国中东部地区紫穗槐根瘤菌
绝大多数属于中慢生根瘤菌.有研究认为,类群结构
是由于结瘤相关的 nod基因从中慢生根瘤菌属到慢
生根瘤菌属发生了水平转移[19] . Li 等[20]在中国北
方干旱半干旱地区锦鸡儿分离得到的根瘤菌中,
78郾 4%的根瘤菌属于中慢生根瘤菌属,紫穗槐中慢
生根瘤菌、北部中慢生根瘤菌和温带中慢生根瘤菌
是锦鸡儿属的主要类群.可见,豆科植物内生菌具有
丰富的多样性,木本植物和草本植物的内生菌存在
差异,这可能与豆科植物种类有关,也可能与其所处
生态环境有关.
3郾 3摇 根瘤内生菌与豆科植物共生进化
本研究发现,豆科植物根瘤中存在非共生内生
菌,如根癌土壤杆菌和突尼斯叶杆菌. 目前,针对这
些内生菌的作用和侵入方式还不清楚,在研究根瘤
菌与豆科植物共生关系过程中,普遍发现根瘤中同
时定居着许多与根瘤菌不同的内生细菌. 这些根瘤
菌与非根瘤菌长期生活在宿主体内,与宿主协同进
化并在演化过程中与宿主植物形成互利共生关系.
一方面,内生细菌将宿主植物作为栖息场所,从中吸
取生长必需的营养和能量,并得到保护;另一方面,
内生细菌可通过自身的代谢产物或借助于信号传导
作用促进植物生长,增强植物体抗病、抗干旱等生物
学作用,从而促进植物对恶劣环境的适应和保证寄
主植物健康生长[14] .目前,豆科植物鄄根瘤菌鄄内生细
菌三者之间的相互关系得到广泛关注[21-23] . Sturz
等[24-25]发现,根瘤菌不但存在于根瘤中,而且整个
植株中也有分布,并与内生细菌共存. Bai 等[26]发
现,枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和苏云金芽孢杆
菌(Bacillus mucilaginosus)可以和慢生型大豆根瘤
菌(Bradyrhizobium japonicum)自然寄宿在大豆根瘤
中,并且在混合接种试验中这些革兰氏阳性菌可以
提高植物的生长量. Muresu等[27]从 8 种野生豆科植
物分离得到 24 种内生细菌,这些细菌分别位于 琢变
形菌纲和 茁 变形菌纲,不能使寄主植物结瘤,同时
证实根瘤菌与内生细菌共同存在. Zakhia 等[28]从野
生豆科植物根瘤内生菌微杆菌属(Microbacterium)、
壤霉菌属(Agromyces)、Starkeya、叶瘤杆菌属(Phyl鄄
lobacterium)中获得与草木樨剑菌 nifH 相似的基因,
同时发现分枝杆菌属(Mycobacterium)和微杆菌属具
有一定的乙烯还原活性.因此,在微生物与豆科植物
长期协同进化中,除根瘤菌外,非共生内生菌同样可
以与豆科植物形成一种互利关系.
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作者简介摇 聂摇 刚,男,1975 年生,硕士研究生.主要从事根
瘤菌多样性研究. E鄄mail: niegang@ nwsuaf. edu. cn
责任编辑摇 孙摇 菊
0861 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷