全 文 ：2008年第2期
生物固氮及在可持续农业中的应用
张秋磊 林敏 平淑珍
(中国农业科学院生物技术研究所,北京 100081)
摘 要: 氮是限制农业生产的重要营养元素。生物固氮指某些原核生物能利用体内的固氮酶将空气中的氮气还原
为氨,为植物生长提供氮素。自然界中存在多种具有固氮能力的微生物,依据其固氮方式分为自生固氮、共生固氮和联合固
氮三种类型。联合固氮菌通过趋化定殖在植物根表,并生长、固氮。
关键词: 生物固氮 联合固氮 农业
BiologicalNitrogenFixationandItsApplicationinSustainable
Agriculture
ZhangQiuleiLinMin PingShuzhen
(BiotechnologyResearchInstitute,ChinaAgriculturalScience,Beijing100081)
Abstract: Theavailabilitynitrogenisthefrequentlylimitingfactorforagricultureproduction.Biologicalnitrogenfixation-
theconversionofatmosphericnitrogenintoammoniabyprocaryoticorganismincludingsymbiotic,asociativeandfree-living
diazotrophs-isofimportancetosustainableagriculture.Theasociativenitrogen-fixingbacteriacancolonizeonsurfaceofplant
roots,andfixnitrogenthereforcropgrowth.
Keywords: Biologicalnitrogenfixation Asociativenitrogenfixation Agriculture
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论·
氮是自然界中动物、植物、微生物不可缺少的
生命元素,也是农业生产的重要限制因子。世界农
业对氮的需求逐年增加,自化肥使用以来,农业生
产有很大提高,但同时带来了负面影响,如土壤板
结,肥力下降,污染地下水源等。据国际权威机构
(FAO,1995)统计,地球上结合态氮总量有 70%来
源于生物固氮,每年全球微生物固定的氮素量可达
2亿 t,约占全球作物需氮量的 3/4,相当于工业生
产氮肥的 3倍多[1]。
生物固氮指某些种类的原核生物利用体内的固
氮酶将空气中的氮气还原为氨,为植物生长提供氮
素。简化成化学方程式为:N2+8H++8e-+16MgATP→
2NH3+H2+16MgADP+16Pi[2]自然界中可进行生物固
氮的微生物种属范围分布比较广泛,可以分成自生
固氮、共生固氮和联合共生固氮 3种[3]。因此,有效
利用生物固定的氮素是减少氮肥使用,缓解环境污
染,发展可持续性现代农业的一条重要途径。
1 自然界 3种生物固氮
1.1 自生固氮
在自然界,自生固氮微生物种类很多,分散地
分布在细菌和蓝细菌的不同科、属和不同的生理群
中。红螺菌、红硫细菌、绿硫细菌和梭状芽胞杆菌等
都是自生固氮菌,利用光能或化能固定氮素[4]。
土壤中的自生固氮菌能够在自由生活状态下
固氮,只是当它固定的氮素满足本身生长繁殖需要
以后就不再固氮了,多余的氮反过来会抑制它们自
身的固氮系统。因此,它们固氮效率比较低,固氮量
较少。
据统计,每公顷土地上的自生固氮细菌,每年
约固定 20~50kg的大气氮[5]。虽然不及另外两种生
收稿日期:2007-12-20
基金项目:国家“863”项目(编号:2006AA020202)
作者简介:张秋磊(1983-),女,在读硕士研究生,研究方向:环境微生物代谢工程,E-mail:zhqiulei@hotmail.com
通讯作者:平淑珍,E-mail:pingszhen@yahoo.com.cn
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第2期
物固氮的固氮量,但是它们在增加土壤中有机含氮
化合物方面起着巨大的作用,对生态农业的开发及
保护环境也具有重要意义。
自生固氮菌中有少数可在特定条件下与植物
进行联合固氮[4],对于性质研究深入的自生固氮来
说,是一个新的应用方向。
1.2 共生固氮
共生固氮,指土壤中的固氮菌与宿主植物形成
共生固氮体系,进行生物固氮。常见的有根瘤菌属
的细菌与豆科植物共生形成的根瘤共生体系。根瘤
菌,与豆科植物根系共生结瘤,从豆科植物中获得
有机物后进行固氮,发挥生物固氮的效果。一些非
豆科植物根系也存在共生固氮,如弗氏菌属与非豆
科植物共生形成的根瘤共生体系;还有某些蓝细菌
与植物共生形成的共生体系等[1]。
共生固氮过程中所形成的紧密的共生结构,不
易受外界环境影响,满足生物固氮条件,固氮效率
高。据统计,一般每年每亩大约可以固定纯氮
13.3kg,折合每亩地每年固定标准化肥 65kg,且几
乎全部被利用[6]。
统计表明,在 3种固氮形式中,共生固氮效率
最高(比自生固氮效率高数 10倍),固氮量最多。迄
今,从豆科植物根瘤中分离出来并进行过研究的固
氮菌约有 100多种,而真正用于农业生产上的种类
不足 1/5[6]。另外,共生固氮在全球主要粮食作物如
水稻、玉米等种植中无法单独应用,因此,如何能有
效开发推广共生固氮,对于农牧业生产和人类的有
着重大意义。
1.3 联合固氮
较前两种生物固氮方式,联合固氮是发现较晚
但潜力相当可观的新型固氮方式。
1976年巴西学者 Dobereiner从雀稗根表粘质
层里分离出固氮酶活性很强的雀稗固氮菌,继而又
从玉米等植物的根表分离出具固氮能力的产脂刚
螺菌。这两种固氮菌的分离促使联合固氮作用概念
的提出[7~9],自此,联合固氮作为一种新的生物固氮
形式开始受到各界的广泛关注。
联合固氮是某些固氮细菌在高等植物根际形
成的一种特殊的共生固氮作用。固氮菌虽和植物关
系密切,但植物根系上并不形成类似根瘤那样的特
异化结构。固氮菌只是聚集在根表或通过植物根部
伤口定殖到根内。固氮细菌同样从植物宿主获得根
际分泌有机物作为碳源和能源,植物则得到固氮菌
固定的氮和分泌的生物活性物质[9]。
研究表明,联合固氮容易受到 NH4+、O2的影
响,但它对植物具有固氮、促生、抗逆和耐盐等优良
特性[10],而且目前所熟悉的联合固氮菌大多分离自
粮食作物根系,它们的存在有利于作物的增产,因
而在农业生产上具有广阔的应用前景。
2 固氮菌与宿主植物间的互作
生物固氮的重要性及需求主要体现自农业,因
此,研究了解固氮微生物与作物之间互作机理、方
式,对在实际中的合理利用有很大帮助。
2.1 植物根际分泌物对固氮菌的影响
在陆地生态系统中,植物是第一生产者,土壤
中的微生物则是有机质的分解者。植物进行光合作
用,将产物以根系分泌物和植物残体形式释放到土
壤,可作为土壤微生物的碳源和能源;微生物再将
有机养分转化成无机养分,被植物吸收利用[11]。因
此对土壤微生物而言,植物根际分泌物是最直接最
主要的影响因素。
植物根际是一个很特别的微区域,土壤因根系
的影响,在物理、化学和生物方面都与土壤主体不
同[12,13]。植物根际分泌物在土壤中逐级扩散而呈梯
度趋势,不同的微生物会以各自的喜好而趋化运动
分布在不同的区域内[14]。在水稻根际土壤中,联合
固氮菌在水稻根表占总微生物区系中的 76%。离根
系越远,联合固氮菌所占比例越小,其他微生物的
比例增加[15]。在豆科作物土壤中,其根系所分泌类
黄酮物质,诱导根瘤菌对豆科植物根系的识别,近
而侵染、定植和结瘤[16]。
此外,不同种类的作物,或是相同作物在不同
生长发育阶段,根系分泌物的种类和数量均存在差
异,这种差异也直接影响着根际微生物(包括固氮
菌)的种类、数量、生物活性及丰度[11]。
2.2 固氮菌对植物的影响
固氮菌利用来自植物根系的有机物质进行自
身的生命代谢活动,所固定的氮素,再被植物吸收,
供其生长利用。目前,全球范围内已经应用成功的
是共生固氮,主要体现在豆科植物与根瘤菌之间的
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2008年第2期 张秋磊等:生物固氮及在可持续农业中的应用
共生固氮;另外,一些非豆科木本植物也可以与某
些共生固氮菌如弗氏固氮菌进行共生固氮。这两种
共生固氮体系分别增加了豆科与非豆科植物的氮
素营养[12]。而自生固氮菌在一定程度上也可以帮助
增加土壤中的有机含氮化合物。
自上世纪 70年代中期,分离自单子叶作物根
系的联合固氮菌出现,扩大了固氮菌的在农业上的
应用范围。现已从含 C的作物如玉米、高粱、甘蔗、
黍的根际,分离出不同的联合固氮菌。对它们性质
的研究已经广泛开展,主要侧重从分子遗传角度改
造基因,提高固氮效率。李季伦等对从我国土壤中
分离出来巴西固氮螺菌 Yu62进行了多方面研究,
铵对该菌固氮酶活性的抑制已基本研究清楚,构建
成脱铵阻遏的工程菌株 UB37,在玉米田间小区实
验中达到减少氮肥用量 20%的效果[17,18]。同样,还
有分离自我国南方水稻根系的斯氏假单胞菌
A1501,尤崇杓等通过研究构建出一系列固氮工程
菌。田间试验结果表明,水稻的氮素营养状况有很
大改善[19]。这些研究和发现可以看出,联合固氮在
农业生产上有着广阔的应用前景。
土壤中微生物的存在是多样性的,其他种属也
存在植物益生菌。芽孢杆菌属的一些溶磷细菌可以
促进土壤中难溶性磷的分解与释放;而菌根真菌可
以促进植物对磷素的吸收,改善了植物磷素的营养
状况[12];磷素同时帮助增强土壤微生物的活性[20]。
土壤中固氮菌与这些益生菌共存并相互协作,有助
于植物对氮、磷等主要营养元素的吸收,促进植物
生长[12]。
现代农业意味着科学和绿色,生物固氮取代传
统化肥是必然趋势。但是提高粮食产量是长期和复
杂的过程,微生物固氮作用也同样存在利与弊。因
此,如何扬长避短的发挥生物固氮优势值得探索。
就目前而言,联合固氮是最具潜力最受关注的固氮
方式。
3 根际联合固氮特点和应用
联合固氮体系广泛存在于禾本科作物和牧草
的根际和根表。目前被证实能与植物联合共生固氮
的细菌已达 16属 30种以上。粪产碱菌、圆褐固氮
菌、雀稗固氮菌、巴西固氮螺菌、肺炎克氏杆菌、假
单胞菌等都是比较普遍的联合固氮菌[9]。多数种类
的固氮菌能与多种植物联合,而许多植物也常有多
种固氮菌同时与之联生。目前对联合固氮菌研究的
重点,主要是对菌株进行遗传改造,筛选出具有高
细胞密度,同时又能大量分泌 NH4+的联合固氮菌,
使之能与外界环境抗衡[17]。
3.1 联合固氮体系
植物与固氮菌之间存在紧密的联合固氮体系,
其形成机理已成为当前研究的热点。目前联合固氮
体系形成的模式已经建立,机理也逐渐明确。
联合固氮菌大多具有极性鞭毛或周生鞭毛,通
过鞭毛的旋转运动对根分泌的有机酸、糖、氨基酸
形成的梯度和低氧浓度表现出趋化和化学激活现
象,根际的细菌向植物根靠近[3]。联合固氮菌与宿
主植物间的识别与结合是联合固氮体系形成过程
中的关键步骤。植物根表或根冠外覆盖着一层由多
糖类组成的粘质,联合固氮菌大多聚集在根毛粘质
部分。有的联合固氮菌如固氮螺菌通过次生根伸出
的裂隙、伤口或已退化的根毛进入植物组织内,定
殖于表皮和皮层细胞的细胞间隙,有的甚至进入中
柱,定殖于维管束细胞[21]。固氮菌定殖于根组织内
对联合固氮双方都有益,它降低了对底物的竞争。
因为只有极少数菌能侵入根内,这导致在根内定殖
的是一些较高特异性的细菌群落,促进了根和菌之
间的物质转化,有利于植物生长需要。
3.2 联合固氮的实际应用及存在问题
利用联合固氮菌作为田间作物的接种剂已在
世界各国广泛开展,有一些国家已形成商业产品。
联合固氮菌不同于能为植物提供稳定氮源的根瘤
菌,它除固氮作用外,还有分泌激素,提高根际矿质
元素有效性,增强植物抗逆性,抑制土壤病原微生
物生长繁殖等作用。目前世界主要的粮食作物大多
为非豆科植物,联合固氮菌的接种在一定条件下均
有效益。近 30年来田间接种联合固氮菌的结果表
明,在不同地区和气候条件下,对农业上一些重要
作物如玉米、水稻、小麦接种是有增产作用的。
然而,由于联合固氮菌与根系只是松散的联合
没有形成稳定的共生结构,联合固氮的效率受植物
生长状况、土壤、肥力、气候、土著菌竞争及铵和氧
浓度等因素的影响很大,联合固氮菌的固氮效率还
暂不能达到理想的程度。这些实际问题的存在表明
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生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第2期
对联合固氮的研究还需深入。相较而言,联合固氮的
基础性研究相对薄弱,尤其是根际微生态系统中植
物、土壤和细菌三者间的相互作用机理尚待阐明[22]。
分子遗传学已揭示在联合固氮细菌中存在与共生
有关的同源 DNA序列,那么,这些同源 DNA片段
功能性各是什么,受哪种机制调控,能否通过遗传
手段激活或改造同源 DNA片段使其表达等问题还
有待解决[22]。同时,从开发角度考虑,提高联合固氮
效率的主要途径有:建立稳定的内根际体系,构建
不同抗逆性的工程菌如高效耐铵菌株,筛选培育具
有较高固氮活性的作物品种,改善土壤条件等。联
合固氮细菌与粮食作物间若能建立稳定的内根际
体系,那对于非豆科作物而言,联合固氮将有可能
成为未来农业中的一个潜在的稳定氮源,其生态意
义和经济效益不可估量[15]。
4 生物固氮在农业生产中的应用展望
人口的增长,使粮食短缺成为全球性的难题。
农业科学的进步,农业技术的提高,各国农作物产
量都逐年增加,但却始终不能彻底解决粮食问题。
现代的农业生产,不仅需要满足高产作物体系对氮
的需求,还要使土壤维持一定的氮素水平。因此,充
分发挥生物固氮作用及合理利用有机氮源,保持氮
素平衡、减少氮素损失已成为农业持续发展的一项
措施。豆科植物的共生固氮体系以及水稻和玉米等
的联合固氮作用为农业的持续生产提供了有效的
氮源[12]。根据我国目前的生产状况,将生物固氮和
传统化肥、有机肥结合使用,符合当前生产要求。田
间实验统计表明:通过利用生物固氮及合理施用氮
肥可增加水稻的产量。稻田施用绿肥降低了水田的
pH值,部分抑制了 NH3的形成,从而降低了 NH3的
挥发,尿素的损失也相应降低[12]。由此可见,生物固
氮作用配合氮肥的合理利用,不仅增加作物产量,
还能维持土壤中氮素持续供给,减少植物-土壤系
统中氮素的流失,在保持我国现代农业可持续性发
展中可望发挥重要作用。
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