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非豆科植物的根瘤菌促生机制的研究进展



全 文 :中国农业科技导报,2013,15(2) :97 - 102
Journal of Agricultural Science and Technology
收稿日期:2012-11-09;接受日期:2013-01-15
基金项目:山东大学自主创新基金(2012ZD029) ;国家自然科学基金(31170097)和教育部留学回国人员科研启动基金项目资助。
作者简介:李 婷,硕士研究生,研究方向为微生物学。E-mail:18769783221@ 139. com。* 通讯作者:梁泉峰,副教授,博士,主要从
事代谢工程及合成生物学研究。E-mail:liangquanfeng@ sdu. edu. cn
非豆科植物的根瘤菌促生机制的研究进展
李 婷, 何 来, 梁泉峰*
(山东大学生命科学学院,济南 250100)
摘 要:近年来,随着对根瘤菌与宿主植物的信号交流和结瘤机制研究的逐步深入,以及非豆科植物的基因
改造技术的成熟,根瘤菌的宿主植物范围不断扩大,在非豆科植物中其促生作用不断增强。从非豆科植物中
不同根瘤菌促生机制的角度,分别介绍了近年来该领域研究与应用的现状,并对根瘤菌在非豆科植物,尤其
是禾本科植物中的应用前景进行展望。
关键词:根瘤菌;非豆科植物;结瘤;促生作用
doi:10. 3969 / j. issn. 1008-0864. 2013. 02. 15
中图分类号:S154. 381 文献标识码:A 文章编号:1008-0864(2013)02-0097-06
Progress in the Study of Rhizobium Associated with
Non-leguminous Plants
LI Ting,HE Lai,LIANG Quan-feng*
(School of Life Science,Shandong University,Jinan 250100,China)
Abstract:In recent years,with the study progressing,and genetic engineering constantly matured,the scope of
Rhizobiums host plant has been expanded and the growth-promoting effect on non-leguminous plants has been growing
continuously. From the point of view of different growth-promoting mechanisms,this review summarizes the current
knowledge and application on the Rhizobium associated with non-leguminous plants especially with gramineae.
Key words:Rhizobium;non-leguminous plants;nodule;growth-promoting effect
根瘤菌(rhizobia)是一类广泛分布于土壤中
的革兰氏阴性杆状细菌,常与豆科植物共生形成
根瘤,将空气中的氮气(N2)还原为氨(NH
+
4 )并提
供给其宿主植物以合成蛋白质。根瘤菌与豆科植
物的共生固氮作用不仅可以有效地改良土壤肥
力,缓解因过度使用化学氮肥而造成的环境污染,
而且在生态改良、农林牧业的可持续发展上有着
非常广阔的应用前景[1,2]。
根瘤菌不但可以与豆科植物共生,而且可以
在土壤中长期以腐生菌的状态存在,此外,还可以
作为植物内生菌存在于非豆科植物体内[2,3]。如
豆科植物与水稻轮作后,水稻根系中存在相应的
豆科植物的根瘤菌[4]。为了拓展固氮微生物的
宿主范围,近年来,人们对非豆科植物根瘤菌的促
生作用产生了强烈的兴趣。大量研究已经证实,
根瘤菌可以通过形成类根瘤,继而共生固氮促进
非豆科植物对氮的吸收,也可以不形成根瘤而作
为非豆科植物根际有益菌,促进植物生长。本文
将就根瘤菌对非豆科植物促生作用的研究与应用
现状展开论述,并对发展前景进行展望。
1 共生固氮类根瘤的形成
根瘤的形成需要一系列的信号识别和基因调
控,是非常复杂的过程。根瘤菌与宿主植物的相
互作用始于共生伙伴间的信号识别和交换,根瘤
菌需识别植物释放的一系列信号分子,如类黄酮、
氨基酸和有机酸等,此外,还要逃避宿主植物的免
疫反应,才能够成功侵入宿主植物[5]。同时,植
物也需要识别根瘤菌发出的“友好”信号,从而决
定与根瘤菌建立共生关系。
豆科植物分泌类黄酮,是信号识别的第一步。
类黄酮诱导根瘤菌合成一种脂几丁寡糖小分子化
合物,即结瘤因子(nod factor,NF) ,与宿主植物
进行特异性的识别,激活植物的多重反应[5]。植
物释放的凝集素使根瘤菌特异吸附到豆科植物根
表面。之后,在结瘤因子与结合体胞外多糖的共
同作用下植物根部细胞壁部分降解,质膜内陷形
成侵染线。根瘤菌沿着侵染线,穿过皮层细胞,进
入根瘤原基细胞,根瘤原基逐步发育为根瘤[6,7]。
为了扩大根瘤菌的宿主范围,人们不断地探
索根瘤菌的共生固氮机制,早在 20 世纪 70 年代,
根瘤菌与非豆科植物细胞在体外联合培养成功实
现共生固氮[8]。之后,人们又将根瘤菌与烟草愈
伤组织共培养,结果证明,它们可以形成共生关
系,并表现出固氮活性[9]。此后,该种方法又不
断扩展到半支莲、胡萝卜、矮牵牛以及囊龙面花等
多种非豆科植物,实现了根瘤菌与多种非豆科植
物的体外共生固氮[10]。
2 促进根瘤菌结瘤的方法
随着对根瘤菌和豆科植物共生结瘤机理以及
对根瘤菌和非豆科植物体外共生固氮研究的不断
深入,近年来,人们通过生物技术和基因工程手段
以及各种化学试剂诱导方法,实现了根瘤菌与更
多非豆科植物的共生结瘤。根瘤菌与非豆科植物
结瘤范围的扩大将会对可持续的农业和林业生产
等方面产生积极的作用。
2. 1 基因工程方法
在根瘤菌与豆科植物形成根瘤的过程中,有
许多重要化合物参与,一些重要基因的表达调控
引起了人们的重视。为了实现非豆科植物与根瘤
菌的共生结瘤,将一些来自豆科植物的关键基因
转入非豆科植物并成功表达,是突破根瘤菌宿主
专一性的重要手段。近年来,人们利用类黄酮基
因、凝集素基因,成功实现了根瘤菌与某些非豆科
植物的共生结瘤。
2. 1. 1 凝集素基因的克隆 豆科植物与根瘤菌
的识别具有物种专一性,凝集素作为根瘤菌与植
物的共生介质,决定了根瘤菌的宿主专一性[11]。
关于凝集素的作用机理,一种观点认为在根瘤菌
侵染宿主植物根表面时,植物产生的凝集素可以
与根瘤菌表面 NF的寡聚几丁质部分或脂肪酸链
发生特异性相互作用,使根瘤菌吸附到宿主根表
面并结瘤[12];另一种观点认为凝集素的作用对象
为根瘤菌表面的特异性多糖而与 NF 无直接关
系[13]。但这两种观点都一致认为豆科植物根部
释放的凝集素是宿主植物对根瘤菌的重要识别
因子。
鉴于凝集素在豆科植物结瘤过程中的重要作
用,研究者将凝集素基因转入非豆科植物来实现
根瘤菌的促生作用。王逸群等[14]用豌豆凝集素
基因转化单倍体烟草,获得了转基因的单倍体植
株,从而为深入研究转豌豆凝集素基因的非豆科
植物与根瘤菌相互作用奠定了基础。之后,周小
全等[15]克隆了豌豆凝集素基因并构建植物表达
载体,将豌豆凝集素基因克隆到载体 pVCT2020
中,获得植物表达载体 pVCT-PsL。该载体可用于
转化烟草等非豆科植物。据最新报道,俄罗斯一
研究小组成功将豌豆凝集素基因导入红花烟草和
甘蓝型油菜,合成的凝集素能帮助根瘤菌在根细
胞中安家落户,实验结果表明,聚集在转基因烟草
和油菜根部的根瘤菌数量分别比非转基因品种高
13 倍和 36 倍。更深入的研究仍在进行中,研究
小组表示,这种转基因研究将有望为多种经济作
物的促生增产提供新途径[16,17]。
2. 1. 2 异黄酮基因的克隆 异黄酮是在植物
(主要为豆科蝶形亚科植物)次生代谢过程中产
生的一类多酚化合物[18],广泛存在于豆科植物
中。同凝集素作用相近,异黄酮在根瘤菌与豆科
植物信号识别的过程中发挥了重要的作用,在植
物氮源缺乏时,合成异黄酮的基因被诱导表达,产
生的异黄酮类物质可以吸引根瘤菌靠近植物的根
部,并促使根瘤形成,以及诱导固氮基因表达[19]。
异黄酮的合成过程中有多种酶参与,其中异黄酮
合成酶(isoflavone synthase,IFS)起着关键的作
用。大部分非豆科植物不能生成异黄酮类物质的
主要原因之一是缺乏 IFS[20]。
IFS基因与根瘤形成密切相关,原本认为该
基因只存在于豆科植物中,但随着科学的发展,目
前已陆续在一些非豆科植物中发现[18]。此外,通
过转基因技术,也可以使 IFS 基因在某些不存在
该基因的非豆科植物中表达。当拟南芥中转入
IFS 基因后,经 HPLC (high performance liquid
chromatography)分析,有极少量染料木黄酮的生
89 中 国 农 业 科 技 导 报 15 卷
成 [21]。当用紫外光处理之后,染料木黄酮的含
量极大提高[22]。
异黄酮不仅在豆科植物与根瘤菌共生过程中
起到重要的作用,还具有调节人体新陈代谢、预防
中老年疾病等保健功能。由于其重要的经济价值
以及广阔的开发前景,近年来,利用生物技术实现
在非豆科植物中大量合成天然的异黄酮,并改善
异黄酮的苦味与收敛性[23],不仅将会使根瘤菌与
更多的非豆科植物共生固氮成为可能,而且会使
人对异黄酮合成药和豆科植物的依赖性大大降
低,同时又可以避免食用豆类时的特异性味道,这
也许将成为异黄酮研究的趋势[20]。
2. 2 化学试剂诱导方法
结瘤因子是在类黄酮诱导下根瘤菌结瘤基因
表达的一种重要信号分子。研究者通过人工方法
激活根瘤菌的结瘤基因,解决了非豆科植物不产
类黄酮类物质的问题。胡小加等[24]使用类黄酮
激活根瘤菌的结瘤基因,被激活的根瘤菌成功侵
入油菜根系结瘤并固氮。接种 15 d 后,根部形成
类根瘤,结瘤率为 100%。而空白对照、类黄酮对
照和根瘤菌对照根部均无变异出现。此实验结果
证明,类黄酮在适合的浓度(2 × 10 -5 mol /L)下,
能有效地激活根瘤菌的结瘤基因,使根瘤菌侵入
油菜根部,并使其发生变异。王梦亮等[25]以费氏
中华根瘤菌为研究对象,利用紫外分光光度计对
大豆根瘤菌促生剂的作用进行了初步研究,实验
证明,该根瘤促生剂可以诱导费氏中华根瘤菌产
生结瘤因子;在根瘤促生剂存在的条件下,使用实
验室培养的黄豆芽配制的培养基可以促进结瘤因
子的产生,而根瘤促生剂是否会对其他豆科植物
以及非豆科植物的结瘤固氮产生影响等问题,将
是以后研究的重点内容。
1980 年以来,利用 2,4-D 等植物生长调节诱
瘤剂能诱发非豆科植物打破其与根瘤菌的互接界
限,并使根瘤菌和非豆科作物形成共生固氮根
瘤[26],已在小麦[27]、大麦[28]、水稻[28]、油菜[29]、
青稞[30]和烟草[31]上获得成功。近日,杨永友[32]
用 2,4-D处理水培养的棉花植株并接种豌豆根瘤
菌,结果表明,2,4-D 能诱导植株形成透明根瘤,
最佳浓度为 0. 05 mg /kg,与豌豆根瘤菌同时处理
棉苗后,可促进根瘤形成。但对于 2,4-D 诱导根
瘤菌进入棉苗根系形成根瘤的机制,尚待进一步
研究。
目前根瘤菌的非豆科宿主植物范围还比较局
限,其固氮能力也比较有限。扩大宿主范围和提
高现有非豆科植物共生体系的固氮能力是根瘤菌
应用于非豆科植物研究的重点。长期以来,在使
用生物技术和化学诱导法等来构建高效地固氮菌
株和新的固氮共生体系方面,除上述介绍的实例
外,人们在根瘤菌胞外多糖功能的研究以及弗兰
克菌于非豆科植物固氮潜力的开发等诸多方面都
取得了一定的进展[33]。
3 非结瘤促生的作用
虽然通过各种化学试剂的诱导以及生物技术
和基因工程手段,使根瘤菌在某些非豆科植物根
部形成类根瘤已经得以实现,然而对于大部分禾
本科植物,根瘤菌不能与它们形成类根瘤共生固
氮,但可以作为植物根际促生菌(plant growth-
promoting rhizobacteria,PGPR) ,对禾本科等植物
产生促生作用[34]。这种促生作用的形成,可以通
过在非豆科植物根圈定殖或者作为内生菌在根内
定殖。该领域的拓展,显著扩大了根瘤菌的作用
范围,对农业的可持续发展具有重要的现实意义。
3. 1 非豆科植物根圈定殖
近年来,人们通过基因标记等检测手段跟踪
根瘤菌在非豆科植物根圈的定殖动态[35],发现许
多根瘤菌在非豆科植物(水稻、油菜、小麦和棉花
等)的根圈具有较强的定殖能力,并对植物根系
以及地上部分的生长有很好的促进作用[36]。作
为 PGPR的一个重要种类,其实际应用意义与价
值更受人们的青睐。近年来,人们更加关注对能
定殖在非豆植物根际并对植物产生促生作用的根
瘤菌菌株的筛选。马天瑞等[37]通过无菌沙土试
管培养试验,从 30 个苜蓿根瘤菌中筛选出了 7 个
对小麦有促生作用的菌株,该实验的成功,对小麦
的生物肥料的研究与开发具有重要的意义。
3. 2 非豆科植物根内定殖
根瘤菌可以作为不形成类根瘤的植物内生菌
侵入水稻、小麦、玉米和大麦等其他的禾本科谷类
植物根部并定殖,从而促进植物的生长[38]。侵入
机制可能是通过根瘤菌产生羧甲基纤维素酶和聚
半乳糖醛酶对植物细胞壁进行水解实现[39]。作
为内生菌,根瘤菌的促生作用表现在多个方面,如
992 期 李 婷等:非豆科植物的根瘤菌促生机制的研究进展
提高非豆科植物对氮和磷等矿质元素的吸收
率[39,40]、提高光合速率以及根部的呼吸强度[41]、
产生吲哚乙酸和赤霉素等调节生长的植物激
素[42,43]以及增强植物抗逆能力和对病原菌的生
物控制等[44 ~ 46]。
对于根瘤菌对谷类禾本科植物是否通过联合
固氮而促进植物生长的问题,引起了许多争议。
近年来,人们采用 RT-PCR 技术检测内生根瘤菌
的固氮基因总正调控基因 nif的表达,发现该基因
仅有微量表达,而且不启动其他固氮相关基因的
表达,另外,通过原子吸收光谱分析,接种根瘤菌
的水稻对矿质元素吸收率的提高具有选择性,从
而证实了内生根瘤菌不是通过固氮作用而是通过
改变根部结构以及产生胞外酸性酶而促进植物对
氮和磷等矿质元素的吸收[45]。
此外,根瘤菌作为 PGPR中的一个重要种类,
在非豆科植物的生长发育过程中也具有重要作
用。如植物激素的产生,不仅可以促进植物根系
的生长发育而且可以提高植物对水分以及营养元
素的吸收,并有效调控植物的各种生命活动[47]。
总之,根瘤菌在与非豆科植物的相互作用中
扮演着多重角色,不但可以与之共生结瘤固氮,而
且还可以定殖于根际或根内,直接或间接的作用
于植物的生长发育的各个阶段。然而,目前国内
对根瘤菌在其他促生作用方面尤其是在提高植物
抗逆性等方面的研究相对较少,而且研究主要停
留在生理代谢水平上,很少涉及深层的机制[47]。
4 展望
随着现代农业的高速发展,化学肥料与农药
的大量使用,使得土壤肥力显著下降,环境质量与
人类健康以及生态平衡受到极大威胁[48]。充分
利用各种可再生生物资源,是解决农业生产与环
境问题以及经济效益与环境代价之间矛盾的根本
途径[49]。鉴于根瘤菌在豆科植物与非豆科植物
的相互关系中发挥的多重作用,深入研究其作用
机理,进一步扩大根瘤菌的宿主植物范围尤其是
禾本科植物,进一步提高根瘤菌对各种非豆科植
物的促生作用效果,是未来实现农业可持续发展
的方向之一。
为了更充分的利用根瘤菌的作用,今后要加
强根瘤菌与植物的相互作用机理研究,筛选优良
菌种,从环境因素、基因表达以及基因与环境相互
作用的角度,深入研究根瘤菌的遗传多样性以及
生态特性,对根瘤菌进行更具现实意义的遗传改
造,应用微生态学与 PGPR 理论来促进以根瘤菌
为主的微生物肥料产业的快速发展[44,50]。
在该领域的深入研究将会使可持续生物肥料
技术(sustainable biofertilizer technology)成为可
能,发展环境友好型的粮食生产系统成为
现实[38]。
参 考 文 献
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201 中 国 农 业 科 技 导 报 15 卷