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台湾相思结瘤固氮与吸氢酶活性研究
蔡克强 邹小鲁 黄维南
(福建省亚热带植物研究所 , 厦门 3 6 1 0 0 6)
摘 要 台湾相思 的根系具有多年生 的根瘤 , 根瘤初发生时球状 , 以后发
育成分叉 瘤和扇状瘤 。 根瘤固氮活性因苗龄 、 成熟度不 同而有明显差异 。 环境
条件影响结瘤及 固氮活性 。 15 c 时臻索受到明显抑制 , 固氮作用界适温度条件
是 25 一 30 ℃ 。 光照不足降低根瘤固蠢洽性 。 短期轻度干旱不影响才良瘤固氮活性 ,
但持续干旱使固氮活性明 显下 降 。乡妇石 5一 8 . 5 条件能正常结瘤 , 阳 5 . 5叮绪瘤
最好 。 根瘤固氮作用时不释放 H Z `其有较 高的吸氮酶活性 , 在 固氮反应系搜中
加入 5 %的 H : , 能提高根瘤固氮活性 。
类键词 台湾相思 , 固氮酶活性 , 结瘤 , 氮晦活性
台湾相思 ( A ca ic a co , lfu s a) 为豆科常绿乔木 , 分布于我国台湾 、 福建 、 广东 、 广西 、
云 南等省区 , 菲律宾 、 印尼 、 斐济也有分布 。 本树种适应性强 , 生长迅速 , 且萌发力强 ,
耐砍伐 , 为华南地区荒 山造林 、 水土保持和沿海防护林的重要树种 , 也是该地区农村重
要的薪炭来源川 。
近年来 , 南方各地大面积营造台湾相思林 , 并在营林学和生态学方面有较多的研究
报道 2j[ 。 但在结瘤固氮方面尚未见有系统研究的报道 。 本文报道了台湾相思结瘤固氮和氢
酶活性的研究结果 。
材 料 和 方 法
台湾相思种子由本省惠安县林业局提供 。 种子经沸水处理后分期播种于沙中 , 出苗
后移到大试管中水培或移植于花盆中 , 盆土为沙质红壤 , 也有少量直播在田间育苗 , 盆
栽或田间苗均粗放管理 , 不施加肥料 , 分期取样测定 。
根瘤固氮活性测定用乙炔还原法闭 , 晴天上午 10 时挖取根瘤 , 洗净后吸干称重 , 装
入容积为 15 m l 或 5m l 的玻璃瓶中 , 密封后注入瓶容积 10 %的乙炔 , 28 C育温振荡 , 用带
收稿 日期 : 1 9 92一 1 1一 1 2。
注 : 本文系国家自然科学基金资助课题的组成部分 。
有 H : 焰检测器的 1 20 G 型气相色谱仪 (上海分析仪器厂产 ) 测定 。 氢酶活性参照汪化等
方法川 , 样品加入 5% H Z 用 1 03 型气相色谱仪 (上海分析仪器厂产 ) 热导检测器测定 。 土
壤含水量按烘干法巨5 】 , 根瘤含水量按 自然鲜重法 L叼测定 。 每个样品 3~ 5 个重复 。
结 果 与 讨 论
一 、 根瘤形态和固氮活性
台湾相思出苗后 2~ 3 星期即有根瘤出现 , 根瘤着生在表土 1 0 c m 以内的侧根上 , 新
形成的根瘤细小 、 白色 、 圆球状 、 表面光滑 , 单个根瘤鲜重仅十凡 m g , 随着苗木的生长 ,
根瘤逐渐长大 , 发育成椭圆状且长出 2一 3 分叉 , 进而发育成姜状或扇状的大瘤 , 根瘤多
年生 , 在 2 年生的苗木根部曾采集到重达 1 . 73 9 的特大根瘤 。
台湾相思幼苗前期生长较慢 , 根瘤数量也较少 。 一般在半年以后苗木生长加快 , 根
瘤数量也有较大增加 。 对 7个半月生和 2 年生苗木的根瘤进行调查 , 结果如表 1 。
7 个半月生苗木 , 平均每株根瘤重 0 . 4 9 , 以每亩 6 万株计算 , 每亩苗地结瘤 26 · 4 k g 。
2 年生的苗木平均每株结瘤 1 .声一 1 . 89 9 , 每亩以 3 万苗计算 , 共有根瘤 48 一 56 · 7 k go
表 1 台湾相 思苗木结瘤状况调查
苗龄 调查株数 根瘤数量 (粒 /株 )
7 个半月
2 年
2 4
1 5
大瘤 中瘤
1
.
0 3
.
2 1
4
.
1 3 5
.
4 0
小瘤
根瘤鲜重 ( g /株 )
总数 大瘤 中瘤 小瘤
2 5 0
.
4 4 0
.
1 8 0
.
2 0
8
.
6 0 1
.
6 0 0 7 0
.
3 5
0
.
0 6
0 1 9
2年 2 8 未 计 数 1 . 8 9 0· 8 9 1· 0 0
台湾相思根瘤固氮活性因苗龄和根瘤成熟度不同而有明显差异 。 对苗龄 2 个月 、 5 个
月和 2 年的苗木根瘤进行 比较测定 , 结果表明 , 5 个月生苗木根瘤的固氮活性最高 , 达
8
.
49 2 拌m ol C ZH 4 · g 一 ` fw · h 一 ’ (单位下同 ) , 2 个月生苗木和 2年生苗木分别仅为 .3 1 54
和 3 . 3 41 。 在 5个月生的苗木中 , 不同发育阶段的根瘤固氮活性也有明显差异 (表 2 ) 。
2 年生苗木的大根瘤 , 其顶部活性最高为 5 . 1 95 , 中部为 1 . 9 29 , 而根瘤的基部固氮
活性只有 0 . 5 37 , 根瘤顶部和基部固氮活性相差近 10 倍 , 这是 由于大根瘤中段的类菌体
已开始衰老 , 基部的类菌体已大部分衰老的原因 , 这与银合欢大根瘤的情况相似川 。
表 2 5个月生 苗木不同成熟度根瘤固氮活性的差异
根瘤种类
小 瘤
外部形态
圆球状 , 白色 ,
表面光滑
不规则椭圆状 ,
或短 2一 3分叉 , 浅褐色 ,
表面稍粗糙
姜状或扇状 ,
褐色 , 表面粗糙
平均瘤鲜重
( m g )
固氮活性
(拌m o lC Z H ; · g 一 ’ f w · h 一 ` )
7
.
4 4 1
中 瘤 1 0 . 4 7 4
大 瘤 7 . 5 62
。
2
·
二 、 环境因子对根瘤固氮活性的影响
1
、 温度 挖取盆栽苗木根瘤 , 按常规处理加乙炔后 , 放在 5 ~ 35 一C六种不同温度条
件下反应 , 定时测定乙烯生成量 。 结果 (图 1) 表明 , 台湾相思根瘤固氮作用最适温度条
件为 25 ~ 30 C 。 20 ` C 以下 、 35 ` C 以上固氮活性 明显降低 。 这与 iG b s o n 等所报道的热带亚
热带豆科植物对温度的要求基本上一致困 。
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温度 ( ℃ )
温度对 台湾相思根瘤固氮作用 的影响
温度不仅影响台湾相思根瘤的固氮活性 , 而且影响苗木的结瘤率及根瘤数量 。 用水
培方法在光照培养箱中分 1 5 、 25 、 35 C三种温度培养台湾相思幼苗 , 结果 (表 3) 表明 ,
各组幼苗结瘤状况有明显差异 。 15 C条件培养的幼苗结瘤能力最差 。 这表明台湾相思在
较低的温度条件下生长和结瘤都受到抑制 。
表 3 温度对 台湾相 思结瘤的影响
结瘤率 ( % ) 根瘤数量 (粒 /株 )接种天数— —1 5 C 2 5 C 3 5 C 1 5 C 3 5 Cē匕Oé9éǎ只内卜R甘一了自é.…né,上Qó八j00 . 3 61 . 0 31 . 2 4 2 5 ’ C0 . 6 90 9 01 . 5 01 . 7 9120.9.211 94 36 l7 82 、 土壤含水量 把盆栽苗分成 3 组 , 第 1 组连续 4 天不浇水 , 第 2 组 2 天浇水 1 次 ,第 3 组每天浇水 。 4 天后测定盆栽土壤的含水量和根瘤含水量以及根瘤固氮活性 。 结果(表 4) 表明 , 持续的土壤干旱 (第 1组 ) 使植株出现轻度萎蔫 , 根瘤含水量降低较大 , 固氮活佳锐减 。 但短期土壤干旱 (第 2 组 ) 对根瘤含水量影响不大 , 固氮活性较高 , 这表
明台湾相思苗木对土壤干旱有一定的耐受能力 。
.
3
.
表 4 土攘含水量对根瘤固氮活性的影响
组别 土壤含水量
( % )
根瘤含水量
( % )
固氮活性
(拼m o l CZ H ; · g一 ’ f w · h一 ’ )
1 5
.
79 6 5
.
0 0
.
31 8
2 6
.
2 8 7 6
.
2 4
.
8 8 7
3 1 8
.
8 7 79
.
5 3
.
8 2 8
3
、 光照 把原来放置在阳台上的一部分盆栽苗移到荫棚中 , 1 星期后测定阳台和荫
棚中苗木的根瘤固氮活性以及取样时的光照强度 。 结果 (表 5) 表明 , 光照强度不足明显
抑制根瘤固氮活性 。
表 5 光照条件对根瘤固氮活性的影响
光照条件 光照强度
( L x )
4
.
8 0 万
0
.
1 5 万
土壤温度
( C )
固氮活性
l h 4 h
阳台
荫棚
2 0
2 1
2 8 8 6
0
.
6 9 1
4
.
2 9 6
0
.
6 4 2
4
、 培养液 p H 值 用不同 p H 值的无氮培养液在光照培养箱中水培刚萌芽的台湾相
思幼苗 , 两星期后接种根瘤悬浮液 。 定期观察各组幼苗结瘤状况 。 结果 (表 6) 表明 , 除
表 6 培养液 p H 值对幼苗结瘤的影响
结瘤率 ( % ) 根瘤数量 /侏 )接种天数
P H 4
.
0 4
.
5 5
.
5 7
.
0 8
.
5 PH 4
.
0 4
.
5 5
.
5 7
.
0 8
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3 9 2
.
3 8 4
.
6 0
.
0 1
.
9 6 8
.
2 7 7
.
2 7 5
.
1 9
p H 4
.
o 培养的苗木始终不结瘤外 , p H 4 . 5一 8 . 5 的各组培养液中 , 台湾相思幼苗都能正常
结瘤 , 这与银合欢情况相类似 。 但银合欢最适 p H 为 7 . J g 〕 , 而台湾相思最适 p H 为 .5 5 。
可见台湾相思更耐酸性土壤环境 , 但在极强酸性 (p H 4 . 0) 条件下也不能结瘤 。
5
、 季节 和银合欢 、 大叶相思 l0[ 〕一样 , 台湾相思根瘤固氮活性也有明显的季节变化
(表 7 ) , 其变化的总趋势也是秋夏高 , 春冬低 , 尤其是一 、 二月份最低 。 固氮活性变化主
要与温度 、 光照强度等因素的季节性变化有关 , 但温度变化的影响尤为明显 。
表 7 不 同季节对根瘤固氮活性 的影响
测定月份
固氮活性
(林mo lC
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2 月 3 月 7月 9 月 1 0 月 1 2 月 l 月
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三 、 吸氢酶活性及其对固氮作用的影响
E v a n s 等的研究指出 , 豆科植物根瘤中固氮酶反应的放氢现象具有普遍性 , 它是一种
耗能的反应 , 而具有吸氢酶的根瘤能重新利用固氮反应所放出的氢 , 获得能量 , 从而提
高固氮效率 l[ : 。
经多次测定表 明 , 台湾相思根瘤固氮反应时不放 出氢 , 而且有吸收分子氢的能力
(图 2 ) 。
把台湾相思根瘤装瓶加入乙炔后 , 分成 2 组 , 一组再加入 5%的 H Z , 另一组不加 H Z ,
置于相同条件下 (2 6℃振荡 ) 反应 , 连续测定各样品乙烯生成量 。 结果 (图 3) 表 明 , 加
H
Z 组的样品乙烯生成量明显多于不加 H : 组的样品 。 表明在台湾相思根瘤固氮反应系统
中 , 外源 H : 的加入 , 可提高根瘤的固氮效率 。
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图 2 台湾相 思根瘤的吸氢活性 图 3 外源氢对 固氮作用的影响
参 考 文 献
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