全 文 ：核 农 学 报 ,
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粪产碱菌与水稻根的联合过程
林
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敏 方宣钧 尤崇构
中国农业科学院原子能利用研究所 北京 。。。
应用 ’ 同位素标记 菌体和 转座子诱变的 突变株研究 固氮粪 产碱 菌对宿
主水稻的联合进程 。 结果表明 , 枯附作 用是结合过程的第一 步 , 接种 后拈附在根表
的 菌体数童达最大值 , 约占接种贡的 。 耘附的 菌体 易脱离根表 , 表明粘附作用
是细 菌与宿主植物 间的弱的相互作用 。 在根表定位是结合过程的 第二 步 。 接种
后 , 定位菌体数量达最大值 , 约占接种童的 。
’
经振荡处理不 能使定位菌体脱离根
表 。 定殖是结合过程的 第三 步 , 接种 后定殖 菌体 紧密结合于根表 , 剧烈振荡亦不
易使其脱 离根表 。 定殖后 菌体开始 出现果 胶晦活性 。 采 用趋化 和 胞 外 多糖
突变株研 究表 明 , 趋化性和胞外 多糖的合 成是影响细 菌在根表结合 的重要 因
素 。 粪产碱 菌在水稻根表没有专一 的拈附部位 , 但粪产碱 菌的定位和定殖主要发生在
主根根表 , 尤其是主 、侧根交接处 。
关键词 粪产碱 菌 水稻根 拈附 定殖 ’
目 舀
联合固氮细菌与自生固氮细菌的重要差别之一就在于前者能与宿主植物建立松散的“ 共
生 ”关系 。 在根分泌物诱导下 , 联合固氮细菌趋向宿主植物根部 , 聚集其根表并建立生长优
势 。 目前对参与结合的各种因素如细菌胞外多糖 , 植物凝集素等研究较多阁 , 但对这种联合
固氮体系建立中的结合过程仍知之甚少 。 等应用 标记的菌体与去茎叶的小麦根系
进行结合试验 , 提出在结合过程中存在粘附和定位两种结合方式〔, , 〕 为了进一步探讨这一 问
题 , 本文采用稳定性同位素‘ , 标记的菌体接种完整的水稻植株 , 以研究粪产碱 菌对水稻根表
的结合过程 。
材 料 与 方 法
菌体培养与 的标记 实 验 用 的 菌 株 如 表注 。 菌 体 在 培 养 基 上 培 养 , 补 加
” ‘ ‘ 丰度 , 浓度为 ’ 。 菌体培养过夜 , 用无菌水洗涤 次待用 。
水稻品种及培养条件 选用粳稻品种“越富 ” 。 培养条件如前述闹 。
此文于 年 月 日收到 。
期 粪产傲菌与水稻根的联合过程
表 试验用的菌株
菌株 基因型或表型
阵
来很或文献
野生型 一
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丘元盛等
林敏和尤崇构闺
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细菌对水稻根的结合试验 参照 等方法略有修改 。 烧杯 中盛 水稻
培养基 , 移入 株水稻幼苗 二叶期 , 接种菌体浓度为 护 。 定时取样 , 分别作如下处
理 第一组将根系在无菌水中浸泡 后再用滤纸吸干 , 重复 次 。第二组将根系在无菌水中
振摇 , 重复 次 。 第三组将根系在无菌水中用旋涡混合器剧烈振荡 , 重复 次 。 称取鲜
根 , 测定‘ 丰度 。 根据‘ , 含量一细菌数量标准曲线计算在每克鲜根上粘附 、定位和定殖的
菌体数 目 。 试验以 ‘ 作对照进行同样处理 ‘〕。
果胶酶测定 粪 产碱 菌 与水稻根 系 的培 养参照 等方法 ’〕, 果 胶 酶测 定 参照
一 等方法 ‘ 〕。
扫描电子显微镜观察 参照张跃林等方法 〕
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图 粪产碱菌 几 与大肠杆菌 对水稻根
表的粘附作用
图 粪产碱菌 与大肠杆菌 在水稻
根表的定位
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, 粘附菌体总量 菌体 鲜根 与总接种量 菌体
瓶 〕的百分 比 。
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定位菌体 总童 菌体 鲜根 与总接种量 菌
体 瓶 的百分比 。
核 农 学 报
图版 接种粪产碱菌 后水稻根表的电镜照
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少量菌体粘附在根冠上 粪产碱菌粘附在根毛
上 , 、 粪产孩菌粘附在主 、侧根交接处 。
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结 果 与 讨 论
一 粪产碱菌对水稻根的粘附
前已报道闭 , 粪产碱菌能趋向并聚集在水稻根表 。 但是 , 结合的进程尚不清楚 。 本工作 比较
了 与 对水稻根的粘附行为 , 发现粪产碱菌的粘附发生在接种后 或
更短时间内 。 后粘附到根表的菌体数量达最大值 , 占总接种量的 。 这一结果与巴西固
氮螺菌对小麦根系结合相似 〔川 。 ‘ 基本上没有粘附现象 , 在此期间其最大值仍低于 铸
图 。 粘附在根表的菌体采用较剧烈条件 振荡 处理即脱离根表 表 , 表明细菌对根表的
粘附是细菌与植物间的一种弱的相互作用 ‘ , 〕。 这是结合过程的第一步
表 粪产碱菌 野生型和突变型 对水稻根丧的结合
菌株 表型 枯附 定位
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, 菌体总童 菌体 鲜根 与总接种 菌体 瓶 的百分比 。
八
粪产碱菌与水稻根的联合过程
表 粪产碱菌 】 在水稻根表的 种结合状态
艺
浸泡
枯附
振荡
定位
剧烈振荡
定殖
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包括粘附 、 定位和定殖 种结合状态的菌体总量 菌体 鲜根 。
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菌体总量 菌体范 鲜根 与总接种量 菌体 瓶 的百分比
行
趋化缺陷型 的粘附行为与野生型菌株 及 。 不同 , 尽管其形态及鞭毛没
有变化 , 但其粘附能力远低于野生型 , 在接种 后达最大值 , 仅为野生型的三分之二
表 。 趋化缺陷型并未完全丧失粘附能力 , 表明趋化性并不是影响粘附能力的唯一因素 , 如
采用蛋 白酶 处理菌体则使其丧失粘 附能力 , 这表明细菌表面蛋 白性物质也与粘附作用有
关 。
电镜观察表明 , 粪产碱菌在根表没有专一的粘附部位 , 不仅在侧根及根毛上 图版 一 ,
甚至在根冠上也能观察到少量粘附菌体 图版 一 。 但粘附作用主要发生在主根根表 , 并 以
主 、侧根交接处粘附的菌体为最多 图版 一 , 。
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图 粪产碱菌 痴 与大肠杆菌 在水稻根表
的定殖 、
定殖菌体总量 菌体 鲜根 与总接种量 菌体
瓶 的百分比 。
图 不同按浓度对固氮螺菌和粪产碱菌果胶酶
活性的影响
厉口耐动
核 农 学 报 卷
图 粪产碱菌与水稻根共培养条件下的
果胶酶活性
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二 粪产碱菌在水稻根表的定位
接种 后 , 粪产碱菌开始在水稻根表定位 。 已定位的菌体采用较剧烈方式 振荡 处理不
能使其脱离根表 。 接种 巧 后 , 定位菌体数量达总接种量的 。 ‘ ’ 基本上不能
在水稻根表定位 图 。 采用剧烈振荡方式能使部分定位菌体脱离根表 表 , 这表明细菌在
根表的定位是细菌一植物间一种比较强的相互作用 。
趋化缺 陷型 虽然粘 附能力 较野 生 型 差 , 但基本上 能保持在根表 的定位 能力
。 胞外多糖丰富型 和胞外多糖缺陷型 , 以及趋化和胞外多糖同时缺陷
,
型 均部分丧失了定位能力 表 。 这表明定位能力与趋化无关 , 但与胞外多糖的合成量
密切相关 。胞外多糖合成过多或过少均不利于菌体在根表的定位 〔幻 。 关于胞外多糖的作用将另
文报道 。
三 粪产碱菌在根表的定殖
接种 后 , 在振荡条件下仍有部分菌体紧密地结合于根表 表 , 其值在 时达总接
种量的 图 。 各种缺陷型均低于野生型 , 表明影响细菌定殖能力的因素很多 , 而上述联
合过程的第一 、 二步必然直接影响了定殖细菌的数量 , 同时 , 由表 可知 , 粪产碱菌在根表的结
合是一个分三步骤的动态过程 。 接种 后 , 在根表同时存在三种不同结合状态的菌体 , 即枯
附 、定位和定殖菌体 , 各占总接量的 、 和 。
在纯培养条件下 , 粪产碱菌具有果胶酶活性 , 但比巴西固氮螺菌低两倍多
。
在高按下果胶
酶 活性消失 。 但粪产碱菌 基因转化子 和 一 基因转化子 似 , 在高钱
条件下仍有果胶酶活性 , 并且高于野生型 图 。 在与水稻共培养 后 , 菌体果胶酶
活性开始出现 , 并逐渐升高 , 且高于纯培养条件 图 。 有报道 巴西固氮螺菌在小麦根表定殖
时 , 表现 出果胶酶活性 ’〕。 联合固氮细菌在根表定位后经过一段时间的适应 , 在宿主植物分泌
物诱导下 , 细菌处于新陈代谢的活跃状态 , 某些相关酶系如果胶酶等活性开始出现 , 使其在根
表竞争中取得优势地位闹 , 这可能是联合体系的一个特征 , 也是高铰下野生菌株远离根表 ,
而工程菌株仍附着根表的原因 ’〕。 同时 , 这对于稳定的联合体系的建立是有所裨益的 。
粪产孩菌与水稻根的联合过程
图版 互 接种粪产碱菌 后水稻根表的电镜照片
·
以
粪产碱菌在 主根根表定位 主根根表定殖 侧根根表定位 侧根根表定殖 根毛上定位
,
根毛上定殖 根冠
上没有定位和定殖 、 主 、 侧根交接处定位 。 、 主 、侧很交接处定殖
卜 , 能 , ,
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电镜观察表明 , 定位与定殖发生在主根和侧根根表 , 在根冠上未发现有菌体定位或定殖
图版 一 。粪产碱菌主要定位和定殖在主根根表 图版 卜 , , 尤其是主 、侧根交接处 图
版 一 , , 而侧根根表和根毛上定位和定殖的菌少得多 图版 卜 , , , 。 这些主要的结合
部位同时也是水稻分泌质子的部位阔 。 由于质子的分泌使得这些部位及其周围介质酸化 , 从而
有利于菌体的结合阁 。 因此质子分泌作用可能是导致粪产碱菌大量聚集于主根及主侧根交接
处的重要原因 。 和 曾报道固氮螺菌主要结合在小麦根的伸长区 〔, 〕, 表明水稻
与小麦这两种联合体系之间存在差异 , 其原因有待于进一步研究 。
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,
参 考 文 献
丘元盛等 水稻根际固氮细菌的研究 科学通报 , ,
张跃林等 粪产碱菌 与水稻根的结合作用 植物生理学报 , ,
李继平 , 尤祟构
·
水稻 一 固氮粪产碱菌内根际体系的探讨 中国农业科学 , ,
范晓辉 , 刘芷宇
·
稻 、麦根系 十 的分泌与介质磷水平的关系 植物生理学报 , ,
林 敏等 粪产碱菌对水稻根质子分泌作用及根际微生态的影响 植物生理学报 , ,
林 敏 , 尤崇钓 根际联合固氮作用的研究进展 植物生理学通讯 , , 一
, ,
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