全 文 ：书Mini-Review 小型综述
微生物学报 Acta Microbiologica Sinica
51(8) :1001 － 1006;4 August 2011
ISSN 0001 － 6209;CN 11 － 1995 /Q
http:/ / journals． im． ac． cn / actamicrocn
基金项目:国家“973 项目 ”(2006CB100206)
作者简介:刘杰(1963 －) ，男，博士，安徽霍山人，从事根瘤菌资源、多样性与分类研究。Tel: + 86 － 532-84022845，E-mail:jieliu206 @
yahoo． com． cn
收稿日期:2011-02-17;修回日期:2011-04-10
豆科植物根瘤内生细菌的发现及其研究进展
刘杰1，汪恩涛2，3，陈文新2
1 青岛科技大学生物工程与技术系，青岛 266042
2 中国农业大学生物学院微生物系，北京 100094
3 墨西哥国立理工大学生物与技术学院微生物系，墨西哥城 11340
摘要:近年来研究报道显示，某些豆科植物与根瘤菌在形成固氮共生体的同时，其根瘤内还存在多种其他类
群的内生细菌，该现象在根瘤菌研究领域越来越引起关注和重视。本文综述了根瘤内生土壤杆菌、非共生根
瘤菌、其它细菌的发现、种类及其对共生关系和植物生长的影响等研究进展，同时对该研究方向提出一些初
步观点和认识，旨在增加人们对根瘤微生态的了解，拓展根瘤菌研究与应用的视野。
关键词:豆科植物，根瘤，内生细菌，综述
中图分类号:Q933 文献标识码:A 文章编号:0001-6209 (2011)08-1001-06
豆科植物一个显著特点是与根瘤菌共生固氮。然
而，它们除了与根瘤菌形成共生关系以外，还可与其它
微生物形成多种相互关系，包括植物体内和根际。即
使在豆科植物的根瘤内，也存在许多非共生细菌［1 － 5］。
相对根瘤菌而言，人们对这些根瘤内生细菌的研究还
相对 较 少，其 中 研 究 较 多 的 是 分 离 自 根 瘤 的
Agrobacterium tumefaciens［1 － 2，6 － 7］，Pantoea agglomerans
也是豆科植物根瘤和其他植物组织中的常见内生
菌［3 － 4，8 － 9］。另外 Burkholderia cepacia 也被证实为植物
内生菌和根瘤内生菌［10］。本文拟就豆科植物根瘤内生
土壤杆菌、非共生根瘤菌和其它细菌的发现、种类，以
及它们对宿主植物结瘤、生长的影响等方面进行综述。
1 根瘤内生土壤杆菌
1. 1 根瘤内生土壤杆菌的发现
近年来，从豆科植物根瘤中分离到土壤杆菌的
现象时有报道。1999 年，Philippe de Lajudie 等人［1］
从非洲合欢等木本豆科植物的根瘤中分离到一群土
壤杆菌，经表型性状、数值分类、全细胞蛋白电泳、脂
肪酸组成和 DNA 同源性等分析表明，它们属于
Agrobacterium tumefaciens。1997 年，谭志远等人［11］
从陕西等地的甘草、狼牙刺、锦鸡儿根瘤中，发现有
5 株属于根癌土壤杆菌。2001 年，高俊莲等人［2］从
内蒙等地的沙打旺根瘤上分离出 19 株与土壤杆菌
相关的株菌，经数值分类、AFLP、16S rDNA-RFLP 分
析，表明它们与土壤杆菌关系较近，其基因组 DNA
与土壤杆菌已知种的同源性小于 25%。2005 年，刘
杰等人［12］从江苏、浙江一带的紫藤根瘤中也分离到
一群与 A． tumefaciense 的表型与遗传型极为相似的
土壤杆菌。2007 年，Bhupendra N． 等人［13］从 Vicia
faba 根瘤中鉴定了 2 个 A． tumefaciens 生物型;同
年，阚凤玲等人［3］研究了中国青藏高原等地区豆科
植物分离菌及根瘤内生菌的特征，结果显示其中有
DOI:10.13343/j.cnki.wsxb.2011.08.001
Jie Liu et al． / Acta Microbiologica Sinica(2011)51(8)
些非共生菌属于土壤杆菌。另外，王凤芹［14］、刘晓
云［15］、李继红［4］等也有类似的报道。因此，我们认
为豆科植物根瘤或其他组织中存在土壤杆菌是一个
较为普遍的现象。
1. 2 根瘤内生土壤杆菌对宿主植物结瘤与生长的
影响
目前人们对根瘤内存在土壤杆菌的现象已有一
些相关研究，且有了初步认识。这些研究主要集中
在根瘤内土壤杆菌的鉴定、对共生结瘤的影响、以及
其 侵 入 根 瘤 的 途 径 等 方 面。早 在 1976 年，
Imshentskii 等［16］就曾报道过土壤杆菌在自然条件
下偶尔可以形成非典型的、无固氮能力的无效瘤。
1999 年，谭志远［17］对 5 株分离自根瘤的土壤杆菌做
了回接试验，发现它们不能结瘤;以 nodA 和 nifH 基
因为探针做 Southern 杂交，也均没有杂交信号。
2004 年，高俊莲等人［18］对 19 株土壤杆菌做了回接
试验，发现它们不能结瘤。Sohail 等［19］用酶联免疫
金技术证实土壤杆菌可以和慢生根瘤菌同时进入根
瘤，并且还可提高慢生根瘤菌在宿主上的结瘤效率。
2005 年，Mhamdi 等［20］用 gusA 基因标记了一株土壤
杆菌并与根瘤菌混合回接，证实土壤杆菌可以侵染
成熟根瘤，但这种混合回接对植株地上重、地下重、
瘤数及瘤重没有显著影响;而 Mrabet 等［21］却证明
根瘤内生土壤杆菌能降低 Rhizobium gallicum 与菜
豆结瘤的数量。2006 年，汪玲玲等［7］采用绿色荧光
蛋白基因(gfp)标记的研究表明，分离自 Onobrychis
viciaefolia 根 瘤 内 的 土 壤 杆 菌 能 伴 随 根 瘤 菌
Sinorhizobium meliloti 一起进入并定植在草木樨的
根、根瘤和茎中，且对植物的株高、地上部干重、瘤数
没有明显影响，同时也扩增不出该菌的 nodA、nifH、
virC 等基因。2010 年，刘杰等［22］的工作发现，根瘤
内生 土 壤 杆 菌 的 存 在，可 以 使 得 Sinorhizobium
meliloti 在一些非宿主木本豆科植物上形成根瘤，并
且影响根瘤的形态发育。
从上述研究结果中，我们可以得出以下几点认
识:(1)某些土壤杆菌在豆科植物根瘤中的存在是
一个较为普遍的现象，而且它们对宿主不表现致病
性;(2)它们进入根瘤的途径多种多样，有的伴随根
瘤菌的侵入而进入，有的在根瘤成熟后通过根瘤裂
隙渗入，而有的可能先期就已进入植物种子或细胞
间隙;(3)大多数根瘤内生土壤杆菌单独回接原宿
主不结瘤，对植物生长也影响不大;少数有促进或降
低根瘤菌结瘤的效果，但这与植物种类和菌种类型
有关。
由此看来，土壤杆菌侵染豆科植物根瘤及其与
根瘤菌、宿主植物之间的相互作用是一个相当复杂
的过程，目前人们对此还没有清楚的认识。
2 根瘤中的非共生根瘤菌
非结瘤(或非共生)根瘤菌是指在分类上属于
根瘤菌、但不具有结瘤能力的细菌。这类细菌广泛
存在于土壤中，尤其是豆科植物的根际，并被发现于
各类根瘤菌中。早在 1979 年，Winarno 就曾发
现［23］，一个非共生根瘤菌菌株的存在可以抑制与阿
富汗豌豆(Pisum sativum cv． Afghanistan)和伊朗豌
豆(P． sativum cv． Iran)专一性结瘤共生根瘤菌菌
株的结瘤能力，其抑制程度依共生根瘤菌菌株而异，
显示出菌株间的竞争能力有巨大差异;同时，他们还
发现竞争的关键时期在接种后 24 小时之内。1996
年，John T． Sullivan［24］ 报 道 了 4 个 未 命 名 的
Mesorhizobium 非共生菌种。1997 年，Sivakumaran S．
等人［25］从种植三叶草和羽扇豆的土壤中分离到了
Rhizobium leguminosarum， R． etli， R． tropici，
(Meso)Rhizobium loti 和 Sinorhizobium meliloti。近年
来，国内研究者又陆续从栽培或野生豆科植物根瘤
中发现了一些非共生根瘤菌［26 － 30］，它们一般都不能
在原宿主上结共生瘤，也检测不到结瘤基因的存在，
但在系统发育分析中，它们却均属于根瘤菌。而韩
丽丽［26］和韩天旭等［27］从新疆地区采集的大豆根瘤
中分离到一些 Bradyrhizobium yuanmingense 菌株，它
们在回接原宿主时不能结瘤或只结少数无效瘤，但
它们却含有结瘤基因;同样的现象在分离自西藏地
区的一些根瘤菌中也存在［30］。2011 年，吴立娟
等［31］的最新研究表明，在我国东北等地区野大豆
(Glycine soja Sieb． ＆ Zucc．)根瘤内分离到的 99 株
细菌当中，有 72 株属于 Bradyrhizobium japonicum、
B． elkanii、B． yuanmingense、 B． liaoningense 和
Sinorhizobium fredii，它们在回接原宿主时可形成有
效根瘤;而另外属于 Rhizobium spp． 的 27 株菌却不
能与原宿主结瘤。此外，他们的实验还证实在细菌
和宿主之间存在共生基因(nodC)转移的现象。以
上这些研究表明，在某个根瘤菌的种或属中可以同
时包含共生成员和非共生成员。
2001
刘杰等:豆科植物根瘤内生细菌的发现及其研究进展 ． /微生物学报(2011)51(8)
非共生根瘤菌与相应共生根瘤菌之间遗传上的
差异在于，前者不具有共生基因或共生基因发生突
变。另外，两者之间在植物根际或根瘤内也可能还
存在基因受体和供体的关系，其中非共生根瘤菌有
可能通过接受共生基因而转化成共生菌株［32］，而共
生菌株也可能突变或丢失共生基因而转化成非共生
根瘤菌。例如，共生固氮基因从 B． japonicum 水平
转移到其他共生细菌(如 S． fredii 和 B． elkanii)的
现象已被发现［33］。
上述研究让我们认识到，从一种植物根瘤中分
离的、但却不能与该植物回接结瘤的根瘤菌有两种
可能:(1)它们是不具有共生基因的非结瘤根瘤菌;
(2)它们是其它植物的共生细菌，但在原分离宿主
上是内生细菌。由此我们得到启示，即:根瘤菌与豆
科植物的关系远非共生一种，还包括内生和非特异
性共生关系等。
3 其它根瘤内生菌
3. 1 其它根瘤内生菌的发现
2009 年，王浩等人［34］曾采用构建 16S rDNA 克
隆文库方法对大豆根圈细菌的种群结构进行了分
析，结果表明:大豆根圈细菌的种群极具多样性，但
却以变形杆菌门(proteobacteria)类群为主。而人们
在豆科植物根瘤中，除发现土壤杆菌和非共生根瘤
菌外，也可以分离到 Enterobacteriaceae、Bacillus、
Stenotrophomonas、Burkholderia 等类群的细菌［3 － 4，15］。
例如，我国研究人员从青藏高原和其它地区豆科植
物中分离的根瘤内生菌就包括了土壤杆菌属和肠杆
菌科 (Enterobacteriaceae)的菌株［3］。还有资料表
明［5］，从突尼斯野生豆科植物根瘤中分离的 34 株内
生菌归属于 Agromyces、Bacillus、Bosea、Inquilinus、
Microbacterium、 Ochrobactrum、 Ornithinicoccus、
Paenibacillus、 Paracraurococcus、 Pseudomonas、
Rhodopseudomonas、Phyllobacterium、Sphingomonas 和
Starkeya，其中绝大多数属于 α-proteobacteria。2008
年，Muresu R． 等人［35］发现野生豆科植物根瘤中除
根瘤菌(占优势)外，还有不同种属的内生细菌存
在。中国东北地区栽培大豆根瘤中既有慢生根瘤
菌，也有其他 6 个不同属(Pantoea、Acinetobacter、
Bacillus、Agrobacterium、Burkholderia、Serratia)的内生
菌存在［4］。另外，2003 年 Angel Valverde 等人［36］曾
报 道 过 草 螺 菌 的 一 个 新 种 (Herbaspirillum
lusitanum) ，该种菌株分离自菜豆根瘤，能固氮，但其
结瘤能力没有被证实。2004 年 Yacine Benhizia 亦报
道 称［37］，γ-变 形 菌 纲 的 根 瘤 内 生 菌 Pantoea
agglomerans 能够与野生岩黄芪(Hedysarum)共生结
瘤，但当时这一报道的试验证据尚不充分。后经
Muresu［35］进一步证实，在 Hedysarum 的根瘤中分离
不到可培养的根瘤菌;但采用根瘤原位 16S rDNA-
PCR 技术却表明根瘤菌在瘤中是主要群体，同时还
得到了 24 个 γ-变形菌纲细菌的分类单元。因此作
者推测有不可培养根瘤菌的存在。
从豆科植物根瘤中分离内生菌的差别可能与植
物的基因型、不同区域、当地气候条件和土壤条件以
及人类的活动有关［38］，但我们认为，分离过程中所使
用的培养基、分离方法等也会对这些差异存在影响。
3. 2 其它根瘤内生菌对宿主植物生长与结瘤的影
响
从已有研究来看，根瘤内生菌对宿主植物生长
的影响效果不尽一致。2009 年，Fernando Ibáez
等［39］发现，阿根廷花生(Arachis hypogaea L．)根瘤
中的 Pseudomonas spp．、Enterobacter spp．及 Klebsiella
spp．等内生细菌，在与 Bradyrhizobium 共生菌株混合
接种花生时可以侵入原根瘤，且它们的存在可以增
加作物产量。但也有报道称［40］，芽胞杆菌属的菌株
单独接种木豆时对植株没有明显促生长作用;但分
别用不同属种的根瘤内生菌 Pantoea、Acinetobacter、
Bacillus、Burkholderia 及 Serratia 与慢生根瘤菌混合
回接大豆时，大豆都能形成根瘤，只是在植物生物量
及瘤数方面与单接根瘤菌对照差异不显著。还有报
道显示，某些大豆内生菌可产生植物生长激素 IAA，
且具有溶解磷矿物和固氮功能，从而促进了宿主植
物根部生长［41］和抗污染能力［42］。例如，2008 年，李
继红等［4］在从大豆根瘤中分离到的多种内生菌中
发现，几乎所有菌株都产生 IAA，部分可溶解磷矿
物，少数具有固氮能力。
另外，在对根瘤内生菌及其与植物生长关系的
研究中，人们也发现某些功能基因在根瘤内生细菌
之间发生横向转移的现象［4 － 5，31 － 33］。我们认为这在
根瘤微生态学研究上具有非常重要的意义，可为发
现根瘤内生菌种群结构的变化提供线索。
综上所述，豆科植物根瘤内存在除共生根瘤菌
外其它细菌的现象是一个不争的事实。尽管人们已
3001
Jie Liu et al． / Acta Microbiologica Sinica(2011)51(8)
经进行了一些初步研究，但因涉及到内生菌种群、宿
主植物、根际微环境等多种复杂因素，目前人们对这
些根瘤内生菌与共生根瘤菌之间的相互作用，以及
其对共生表型的影响机制还不是很清楚，并且深入
展开相关研究亦具有理论和技术上的复杂性。但我
们认为，通过有针对性地研究某些豆科植物根瘤内
生菌将有助于对根瘤微生态的了解，解释豆科植
物—根瘤菌共生体系形成过程中出现的一些新现
象;同时也可为我们今后扩展根瘤菌研究视野、或科
学地利用某些根瘤内生菌提供依据。
致谢 中国农业大学博士生李继红同学参与本文部
分资料的搜集与汇总，在此表示感谢。
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Discovery and research progress of endophytic bacteria in
the root nodules of legumes—A review
Jie Liu1* ，Entao Wang2，3，Wenxin Chen2
1 Department of Bioengineering and Biotechnology，College of Chemical Engineering，Qingdao University of Science and
Technology，Qingdao 266042，China
2 Department of Microbiology，College of Biology Science，China Agricultural University，Beijing 100094，China
3 Departamento de Microbiología，Escuela Nacional de Ciencias Biológicas，Instituto Politécnico Nacional，11340，México
D． F．，México
Abstract:Recently，some research reports showed varied endophytic bacteria in the root nodules of some legumes，which
attracts great interest in research field of rhizobia． Here，we reviewed the discovery，identification of some endophytic
bacteria (Agrobacterium，non-symbiotic rhizobia，and other bacteria)in root nodules and their influence on symbiosis or
plant growth，to understand the microecosystem of root nodule and to extend the field of rhizobia research．
Keywords:legume，root nodule，endophytic bacteria
(本文责编:张晓丽)
Supported by the Key Project of Chinese National Programs for Fundamental Research and Development (2006CB100206)
* Corresponding author． Tel: + 86-532-84022845;E-mail:jieliu206@ yahoo． com． cn
Received:17 February 2011 /Revised:10 April 2011
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