全 文 ：我国豆科植物根瘤菌资源多样性及应用基础研究
陈文峰　陈文新
(农业部农业微生物资源及其利用重点开放实验室 中国农业大学生物学院 北京 100094)
　　陈文新 ,女 , 1926年生 ,中国农业大学教　　
授 ,中科院院士。 1952年毕业于武汉大学。
1959年毕业于前苏联季米里亚捷夫农学院
研究生院 ,获副博士学位。 1959年初回国 ,一
直在原北京农业大学任教。近 20多年来她主
持研究我国根瘤菌资源与分类 ,组织力量完
成全国 32个省、市不同生态条件下各种豆科
植物根瘤菌资源调查 ,新记载结瘤豆科植物
300多种 ;分离、保藏根瘤菌 5 000多株 ;对其
　　中 2 000株进行过 100多项性状分析 ;发现一批抗逆性很强的根瘤菌种质资源 ;发表根瘤
菌新属 2个 (中华根瘤菌属和中慢生根瘤菌属 ) ,新种 11个 ,占国际上 1984年以来发表根
瘤菌新属的 1 /2,新种的 1 /3;从分类学角度获得豆科植物与根瘤菌共生关系的新认识 ,并
提出根瘤菌选种时必须既要针对豆科植物品种 ,又要针对当地种植条件 ,选择最相匹配的
根瘤菌 ,才能获得最高的增产效果。有关根瘤菌研究在国内外学术刊物上发表论文近 100
篇。她先后获农业部、国家教委科技进步奖一、二等奖多项 , 2001年获国家自然科学二等
奖。1996年她当选为国际根瘤菌 /土壤杆菌分类分委会委员 , 1998年应“伯杰氏手册”集团
主席邀请撰写 ,国际微生物学大型工具书“伯杰氏系统细菌学手册”第 2版中有关根瘤菌
的部分内容。
　　摘要　北京农业大学菌种保藏中心 ( CCBAU)现已保藏根瘤菌 5 000余株 ,是全世界
最大的根瘤菌资源数据库。通过对其中的 2 000余株根瘤菌作多相分类研究 ,确定根瘤菌
新属 2个、新种 11个。结合根瘤菌宿主及其生态环境的关系 ,提出根瘤菌与豆科植物共生
关系的新认识 ;并得出豆科植物接种根瘤菌的新见解 ,这对于西部大开发中新区种植豆科
植物接种适宜的根瘤菌具有重要指导意义。
　　关键词　根瘤菌　豆科植物　多样性
　　根瘤菌是一类生活在土壤内的革兰氏阴性杆状细
菌。在合适的条件下 ,根瘤菌能侵染大豆、花生、苜蓿等
豆科植物并与之进行共生结瘤固氮。 根瘤菌与豆科植
物在长期的进化过程中 ,形成了良好的合作关系——
共生体。在这一对亲密的伙伴之间 ,根瘤菌固定大气中
的氮气为豆科植物提供生长所需的氨 ;而豆科植物通
过光合作用为根瘤菌提供碳水化合物。 根瘤菌与豆科
植物这个共生固氮体系是已知固氮能力最强的生物固
氮体系之一 ,每年固氮量占全球生物固氮量的 65%以
上 ,在可持续农业发展中起到了重要作用。人们热衷于
生物固氮的研究还在于对日益恶化的环境的关注。 全
世界每年因土壤流失造成的氮损失达 20～ 70 kg /hm2 ,
工业氮肥合成和使用过程也造成了环境污染。 人们期
待着通过广泛地种植豆科植物、通过根瘤菌和豆科植
物的共生固氮作用留住氮素 ,变荒地为粮田 ,变沙漠为
绿洲。
通过对根瘤菌资源的调查及分类研究 ,一方面可
以揭示根瘤菌的生物多样性 ,发掘并保存新的、优良的
根瘤菌种质资源 ,为在我国“西部大开发”的退耕还林
还草中及可持续发展的农业、林业、牧业上利用这些种
质资源奠定坚实基础 ;另一方面 ,通过分类研究 ,揭示
根瘤菌及其相关物种的亲缘关系和自身的系统发育地
位、过程 ,从而加深对整个生物进化过程的认识和理
解 ;再者 ,根瘤菌分类也是固氮生理、固氮遗传、微生物
与高等植物之间的分子对话等学科研究的基础。然而 ,
根瘤菌的资源调查及分类研究明显不足。目前 ,世界上
—1—2003年第 38卷第 7期　　　　　　　　　生　物　学　通　报
已知的豆科植物约 750属 ,近 2万个种 ,我国已知有
172属 , 1485种 ,还有许多能够与根瘤菌共生结瘤的豆
科植物正在不断地被收录和记载。 在这些豆科植物中
只有不足 16%的种做过结瘤的调查研究 [1] ,并且只有
0. 3% ～ 0. 5%研究过共生关系。同时 ,结瘤研究通常倾
向于对农业生产有重大意义的豆科草本植物 (如大豆、
田菁、苜蓿、花生和紫云英等 ) ,对乔木、灌木、半灌木状
豆科植物 (占总种数的近乎一半 )根瘤菌研究较少。 这
与当今我国西部大开发中实施退耕还林还草 ,保持和
恢复生态环境 ,进行可持续性农林牧业发展的形势是
不相适应的。
现就中国农业大学多年来对我国豆科植物根瘤菌
资源的调查、保藏情况 ,以及对分离的根瘤菌通过多相
分类研究所获得的结果、根瘤菌接种工作作一阐述。
1　北京农业大学菌种保藏中心简介
在国家自然科学基金“八五”、“九五 重点项目等
的支持下 ,由中国科学院院士、中国农业大学陈文新教
授领导组织的“中国豆科植物根瘤菌资源多样性、分类
及系统发育研究”项目 ,与全国各地 20个相关单位合
作 ,历时 25年 ,对我国 31个省、市、自治区的不同生态
环境中的各种豆科植物根瘤菌资源做了广泛的调查、
采集及保藏 ,共采集植物根瘤标本 7 000余份 ,分离并
保藏了 5 000多株确认宿主来源的根瘤菌。新发现结瘤
豆科植物 300多种 ,是 Allen夫妇一书中所未记载的。
　　基于 16S　 rRN A基因全序列分析的根瘤菌及其相关细菌的系统发育树状图 (图中 Sinorhizobium及 Mesorhizobium为我们发表
的新属 ;★标记的为我们已经发表的新种 ;☆标记的为已完成研究待发表的种 )
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　　通过多年的根瘤菌资源的收集及对其所进行的研
究 ,目前已建成国际上根瘤菌数量最大的根瘤菌数据库
—— 北京农业大学菌种保藏中心 ( Culture Collection of
Beijing Ag ricultural Univer sity ,简称 CCBAU)及一个
根瘤菌资源数据库。
根瘤菌资源数据库下设 12个子库 ,分别是: “基本
信息库”、“采集信息库”、“回接信息库”、“参考文献库”、
“性状信息库”、“菌株特殊说明库”、“ DN A同源性库”
“全细胞蛋白电泳库”、“多位点酶电泳库”、“ 16S rRNA
基因序列库”、“付里叶变换红外光谱库” [2]。此数据库目
前正在建设与充实之中。另外我们正着手构建网上数据
库 ,以充分利用现代通信网络所提供的便利 ,在与国际
同行交流的同时 ,随时搜寻和记录网上有价值的信息 ,
进一步扩大和完善我国根瘤菌资源数据库的功能。
2　多相分类技术在研究根瘤菌多样性中的应用及取得
的丰硕成果
在《伯杰氏细菌系统学手册》第 1版 ( 1984)中 ,根瘤
菌科有 2个属 , 4个种。之后 ,随着根瘤菌宿主研究范围
的不断扩大和多相分类技术的应用 ,根瘤菌的分类突飞
猛进 ,新属新种不断建立。有人预测 ,根瘤菌的种的数目
将与目前豆科植物种的数目 ( 18 000种 )一样多。 1994
年后 ,根瘤菌新种以每年发表 3个的速度增加 ( 1996年
为 1个种 ) ,目前已发展到 9属 34种。根瘤菌的分类地
位在《伯杰氏细菌系统学手册》第 2版 ( 2002)中也由科
( Family)提升到目 ( O rder )。 而且 ,以前认为只在α-变
形杆菌纲内分布的根瘤菌 ,现在发现 β -变形杆菌纲内也
存在着根瘤菌 [3]。
我们通过对 CCBAU所保藏的 2 000多株根瘤菌
作了表型分析 (如数值分类、全细胞可溶性蛋白电泳、多
位点酶电泳 )及遗传型分析 (如 16S rDN A PCR-RFLP、
DN A G+ Cmo l% 、 DN A-DN A同源性、 DNA指纹图谱
等 )及系统发育 ( 16S rRNA基因序列测定及比较 )研究
后 ,发现一批国际上少有报道的抗逆性极强的珍贵菌种
资源。如耐碱 ( pH12)的有 18株 ;耐酸 ( p H4)的有 10株 ;
耐高温 ( 40℃ ) 436株 ;耐抗生素 ( 300μg /mL ) 544株 ;耐
4% ～ 5% NaCl 96株。 在《国际系统与发育微生物学杂
志》 ( IJSEM )上有效发表根瘤菌新属 2个 ,新种 11个 ,
另有 7个新种已完成研究 ,正在著文发表。 图 1所示是
根瘤菌系统发育树状图 ,图中 Sinorhizobium (中华根瘤
菌属 )和 Mesorhizobium (中慢生根瘤菌属 )是我们发表
的两个新属 ,占 1984年后国际上发表新属的二分之一。
根瘤菌的名单中我国的属种占如此大比例 ,充分证明了
我们辽阔的国土上孕育着根瘤菌的种质资源的极大多
样性 ,也是我们将根瘤菌资源调查与分类研究相结合的
有效结果。
3　根瘤菌与豆科植物及生态环境的复杂关系
我们 20多年来对全国范围内收集的根瘤菌资源中
的 2 000多株菌的分类研究 ,共确定并描述了这么多根
瘤菌新属、新种。根据这大量菌株的分类地位 ,结合它们
的宿主种类及生长的生态环境的综合分析 ,获得了根瘤
菌与宿主关系的新认识。我们认为根瘤菌与豆科植物的
共生关系因生态环境的差异而具多样性。
根瘤菌与豆科植物及生态环境之间存在着复杂的
关系 ,说明为豆科植物选择最佳匹配的根瘤菌时 ,应该
扩大选种范围 ,并根据种植地的生态环境及宿主植物两
方面因素选择合适的根瘤菌。
4　豆科植物接种根瘤菌的应用基础研究
国家“西部大开发”的部署中要求山坡地退耕还林
还草 ,以保持水土 ,改善生态环境。 而豆科植物种类繁
多 ,有乔木、灌木、藤本和草本等类型 ,分布广泛 ,全球各
种气候带、各种地形和各种土壤中都有豆科植物生长。
在我国西部地区的农业、林业和牧业等各生产领域中豆
科植物起着重要的作用。有些豆科植物是荒漠和各种贫
瘠地上的先锋植物 ,可防风固沙 ;种植豆科植物不仅可
减少因大量使用化肥对土壤结构的破坏和水源的污染 ,
还可改良土壤和培肥地力 ,有利于可持续农业的发展。
种植豆科树、草在促进林、草业的发展的同时 ,还可保蓄
水分 ,防止水土流失 ,是改善生态环境极重要的措施。
研究表明 ,在荒漠、干旱、贫瘠的地上和从未种过豆
科植物或连续 5年以上没有种过豆科植物的土壤上 (称
为“新区” )种植豆科植物 ,接种根瘤菌是很有必要的 ,是
一种非常有效的措施。我们考虑西部各省多属干旱半干
旱地区 ,风沙荒漠严重 ,土壤贫瘠 ,在退耕还林还草中必
须扩大豆科植物的种植 ,并接种与之高效共生的根瘤
菌。如是 ,我们与中国农业大学草业中心、植保系及秦皇
岛领先科技公司等单位合作 ,针对紫花苜蓿、斜茎黄芪、
岩黄耆、柠条锦鸡儿和甘草等豆科植物的不同品种 ,与
CCBAU中的大量经仔细研究过的、抗逆性强的大量菌
株 ,与之分别接种、盆栽实验 ,发现植物品种对菌株的共
生有效性差异很大。 如从加拿大引进的一个苜蓿品系
( Vector )与我库的 CCBAU45236菌株在 45 d盆栽共生
期内 ,与不接种的或接种其他菌相比 ,经生物学统计其
生物量高 10倍之多 [4 ]。 与不同植物品种共生效果最好
的菌株不尽相同 ,说明用根瘤菌接种时 ,必须针对植物
品种进行菌株筛选。初选后还要考查它是否能适应当地
土壤 ,再进行一次温室土壤盆栽筛选 ,然后田间小区实
验。今年我们在河北、内蒙、陕西和宁夏等省区做了大面
积的接种对比实验 ,获得良好效果 ,苜蓿、斜茎黄芪、柠
条锦鸡儿等均可增产 10% ～ 30% ,甘草的效果更好 ,接
种后 4个月地下部 (药用部分 )增产 1. 5倍。
参考文献
　 1　 Rao Subba N. S. Soil M icrobiology ( Fourth Edi tion of Soil
Microorganisms and Plant Grow th ) . Science Publish ers,
Inc. USA. 1999: 167.
　 2　李颖 ,赵达宁 ,陈文新等 .根瘤菌资源数据库的更新与应
—3—2003年第 38卷第 7期　　　　　　　　　生　物　学　通　报
V EGF-C与肿瘤细胞转移
李中海　王敬泽 (中国科学院动物研究所生物膜及膜工程国家重点实验室 北京 100080)
　　摘要　血管内皮生长因子 C( V EGF-C)通过与其受体 V EGFR2 /V EGFR3结合 ,影响
到肿瘤生长、肿瘤外周血管生成、淋巴血管形成、肿瘤表面积 ,促进肿瘤细胞从原发部位通
过血液以及淋巴系统转移到其他器官 ,是引起肿瘤治疗失败的主要原因之一。阻碍
V EGF-C与受体的结合可以降低肿瘤细胞的转移性 ,为肿瘤治疗提供了 1个新的靶点。
　　关键词　 V EGF　V EGFR2 /3　血管生成　淋巴血管形成　转移
　　肿瘤治疗失败的一个重要原因是肿瘤细胞从原发
部位通过血管、淋巴管系统向其他器官扩散。肿瘤的转
移 ( tumor metastasis)是一个多原因的复杂的过程。 血
管内皮因子家族不同成员对肿瘤的生长以及转移具有
重要的影响。 VEGF-C是新近发现的 V EGF家族的新
成员 ,是 VEGFR3的配体 ,调节肿瘤血管新生以及淋
巴血管生成 ,促进肿瘤细胞进入淋巴管 ,通过淋巴系统
向全身扩散。
1　VEGF家族
VEGF( va scula r endo thelia l g row th factor )家族的
不同成员作为内皮细胞重要的调节子 ,控制着血管
生成 ( ang iog enesis ) 、 淋巴 血管生 成 ( lymphangio
g enesis )、 血管 发生 ( v asculog enesis)、 血管 通透 性
( va scula r permeability )以及内皮细胞存活 ( endothelial
cell surviv al)。哺乳动物细胞 V EGF多肽生长因子家族
目前已知有 5个成员: VEGF-A, -B, -C, -D, PIGF
( placenta g rowth factor ) ,以及新近发现的病毒 V EGF-
E( o rf v irus VEGFs)。 V EGF-A是 1种二聚体糖蛋白 ,
是单一基因选择性剪接的结果 ,人 VEGF-A基因定位
于 6q21. 3,全长 14kb,具有 8个外显子。 V EGF mRN A
通过选择性剪接得到 5种亚型 ,氨基酸残基数为: 121,
145, 165, 189, 206,早已被证实在肿瘤血管生成中起到
重要作用。 VEGF-B基因由于选择性剪接形成 2. 3×
104以及 3. 4× 104的多肽 , 2. 3× 104没有多糖链 ; 3. 4
× 104的具有 O-寡聚糖苷链 ; V EGF-B在良、恶性肿瘤
中都有表达 ,可促进肿瘤血管形成。 V EGF-E是由病毒
编码的具有热稳定性高的二聚体 ,是 V EGF家族的新
成员 ,促进肿瘤血管形成。 V EGF-C是最近发现的
VEGFR3的配体 ,合成前体蛋白是 6. 1× 104 ,通过蛋白
裂解形成成熟 4× 104 ,与 V EGFR3的亲和力提高了
400倍 ,同时还可以与 VEGFR2结合 ,在促进肿瘤血管
生成以及促进肿瘤细胞转移中有重要作用。
2　 VEGFR成员
V EGFR位于细胞膜表面 ,具有受体酪氨酸激酶活
性 ( RTK )。 目 前已 知有 3 种: V EGFR1 ( fms-like
tyro sine kinase, Flt-1) , V EGFR2 ( kinase insert-domain
containing receptor , KDR,或者 fetal liv er kinase, Flk-
1) , VEGFR3( Flt4)。 Flt-1和 Flk-1基因分别定位于
13q12和 4q12; V EGFR3基因定位于 5q33-q35,有 31
个外显子 ,其中 30a与 30b是发生选择性剪接的 2个
外显子 ,在胚胎血管发育中具有重要作用 ,然而在妊娠
中期以后其表达仅局限于发育中的淋巴血管 ,但在一
些发生病变的机体中 ,在血管中也能检测到。 VEGFR3
结合 V EGF-C及 VEGF-D,不结合 VEGF-A; PIGF和
V EGF-B与 V EGFR1结合 ,但是不与 V EGFR2结合 ;
V EGF-E与 V EGFR2具有很高的亲和性。另外新发现
1种受体 Neuroplin-1( N P-1) ,不具有 RTK活性 ,具有
1个短的胞质区 ,但是有 1个长的细胞外基质区。 当配
体与受体结合以后 ,受体二聚化或者寡聚化 ,发生自身
以及相互磷酸化 ,把细胞外信号传递到细胞内 ,引起信
号级联反应 ,发挥生物学效应。
3　 VEGF-C在肿瘤转移中的作用
肿瘤细胞从原发部位 (发病灶 )经过一系列复杂的
过程转移到其他器官 ,其过程包括: 肿瘤生长 ;血管生
成以及淋巴血管生成 ;脱离基质时抑制凋亡 ;侵袭宿主
基质 ( stroma)、血管及淋巴系统 ;逃逸免疫监督 ;进入循
环系统以及存活 ;从血管中迁出到达目的器官 ;在转移
部位克服凋亡 ,增殖繁衍。 VEGF-C在肿瘤转移的不同
阶段都具有重要的作用。
3. 1　 V EGF-C促进肿瘤细胞生长　在 MCF-7细胞 ,
　 　用 .微生物学通报 , 1999, 26: 205— 207.
　 3　 Moulin L. Muniv e A. Dreyfus B. et al. Nodulation of
legumes by members of theβ-subclass of Proteobacteria.
Nature. 2001, 411: 948— 950.
　 4　陈丹明 ,曾昭海 ,隋新华等 . 紫花苜蓿高效共生根瘤菌的
筛选 . 草业科学 , 2002, 19: 27— 31. ( BF)　　
—4— 生　物　学　通　报　　　　　　　　　 2003年第 38卷第 7期
* 基金项目:国家新药基金重点攻关项目 , 96-901-05-93. 中国科学院院长特别支持项目基金 , 676