全 文 ：豆科植物—根瘤菌识别的分子机制及其共生多样性与生态环境的关系
常慧萍1 , 陶令霞1 , 夏铁骑1 , 李 鹏2　(1.濮阳职业技术学院生物系 ,河南濮阳 475000;2.河南科技学院 ,河南新乡 453003)
摘要　豆科植物—根瘤菌的相互识别属亲和性(阴性)识别系统 ,吸附的专化性取决于分子识别 ,参与分子识别的物质包括豆科植物凝
集素 、类黄酮和根瘤菌表面的胞外多糖、荚膜多糖及脂多糖。介绍了这些识别子的研究进展及豆科植物—根瘤菌相互识别的分子机制 ,
并揭示豆科植物—根瘤菌共生多样性与生态环境的关系。
关键词　豆科植物—根瘤菌;识别子;分子识别机制;共生多样性;生态环境
中图分类号　Q948.12　　文献标识码　A　　文章编号　0517-6611(2007)15-04412-01
　　共生关系是指一个以上的有机体 ,双方建立互利共存或
一方有利对方无害地生活在一起的一种关系 ,生物之间共生
关系有利于共生体对外界自然环境的生存适应。根瘤菌与
相应的豆科植物及少数非豆科植物根系共生形成根瘤 ,能将
空气中的分子态氮还原为植物可利用的氨 ,对自然界的氮素
循环起着十分重要的作用 ,豆科植物为根瘤菌提供生长繁殖
所需的能量和营养物质。根瘤菌感染豆科植物形成根瘤共
生体 ,是由根瘤菌和寄主植物 2方面的遗传因素所决定 ,根
瘤菌具备实现固氮功能的全部遗传因子 ,寄主植物提供固氮
作用所需的条件。
1　豆科植物—根瘤菌相互识别的分子机制
1.1　参与分子识别的物质　从生物化学和分子生物学角度
来看 ,吸附的专化性取决于分子识别 ,参与分子识别的物质
包括豆科植物凝集素(lectin)、类黄酮和根瘤菌表面多糖 ,并
将它们分别称为植物识别子(cognor)与细菌识别子(cognon)。
分子识别即植物识别子与细菌识别子间结构互补的特异结
合[ 1] 。
1.1.1　豆科植物凝集素。豆科植物的凝集素是其分泌的一
种糖蛋白 ,它在吸附中有 3种功能:作为媒介联结菌体和根
毛细胞;对糖残基结合的特异性使吸附具有专化性;与细菌
的 cognon结构互补 、相互联结。1973年Hamblin和 Kent 首次
报道了根瘤菌与凝集素相互作用 ,把菜豆根瘤菌的悬浮液加
入到菜豆凝集素中 ,二者发生了凝集作用。根据根瘤菌在豆
科植物上形成根瘤的专一性 ,构成了“互接种族”关系[ 2] 。在
同一互接种族内的植物可以互相利用其根瘤菌结瘤 ,于是他
们提出了假说:与菜豆凝集素结合的根瘤菌到达菜豆的根 ,
在适当的位点感染植物 。1975年 Dazzo和 Hubbell发现了三
叶草根表面凝集素能够凝集具有感染能力的根瘤菌 ,提出了
交联桥假说:三叶草凝集素特异性地识别根瘤菌表面的抗
原 ,形成交联桥 ,从而形成正确的分子界面结构 ,保证根瘤菌
特异性地吸附到三叶草根表面。1978年Dazzo等报道了与根
瘤菌结合的三叶草凝集素存在于根毛尖端。1989年 Diaz报
道豌豆凝集素在根表面的位置存在于易受豌豆根瘤菌侵染
的正在分化生成毛细胞的根表皮细胞 ,而豌豆根尖成熟的根
毛区表面不含凝集素 ,不受根瘤菌的侵染。转豌豆凝集素基
因的三叶草 ,在感染豌豆根瘤菌后结瘤 ,且固氮作用还有所
提高 ,说明引入豌豆凝集素基因可去除豌豆根瘤菌对宿主专
一性的屏障 ,因凝集素基因的转化而扩大了豌豆根瘤菌的主
作者简介　常慧萍(1971-),女 ,河南原阳人 ,讲师 ,从事微生物生态的
教学和研究工作。
收稿日期　2007-01-24
主范围。1991年Ekwards等分别将豌豆凝集素基因转入马铃
薯 、烟草中 ,研究了凝集素在转基因植株中的细胞生物学定
位及其表达[ 2] 。
1.1.2　类黄酮。类黄酮属于植物次生物质 ,不直接参与豆
科植物—根瘤菌分子识别反应 。Peters等(1986)首次证实了
从苜蓿中得到的毛地黄酮能专一地诱导苜蓿根瘤菌 nod 基
因的表达。Lerouge(1990)等在提纯NodRm 因子时 ,在根瘤菌
培养基中加入适量的毛地黄酮 ,诱导 nod 基因的表达 ,从而
刺激NodRm 因子的产生。TonVan Brussel等认为 nod 基因的
诱导物是 nod 基因本身 ,并发现豌豆根瘤菌胞外多糖能诱导
8种新的诱导 nod 基因表达的类黄酮产生 ,这种受根瘤菌诱
导而新合成的类黄酮又通过诱导 nod 基因的表达而控制根
瘤菌表面多糖的产生 ,这样识别信号不断放大。
1.1.3　根瘤菌表面多糖。根瘤菌表面具有与凝集素有特异
结合能力的多糖 ,包括胞外多糖 、荚膜多糖和脂多糖:EPS是
根瘤菌分泌到细胞之外的多糖 ,CPS存在于根瘤菌的荚膜
中 , LPS是细胞壁成分。根瘤菌的 cognon依互作体系的不同
而不同 ,是 3种多糖中的 1 、2或 3种 ,它们调节不同类型的吸
附 ,并非同时参与作用 。EPS 或CPS本身是一种可以与相应
植物凝集素特异结合的半抗原 ,而LPS作为 cognon时必须是
完全型的 ,即含O-抗原 ;O-抗原中的糖组分有细菌种的特
异性 ,使 LPS在作为 cognon起作用时表现出专化性。Sander
等(1978)从豌豆根瘤菌和寄主共生的相互作用中 ,证实了豌
豆根瘤菌荚膜多糖和胞外多糖的重要性 ,他们指出豌豆根瘤
菌的突变株由于不能合成正常量的胞外多糖 ,以致不能使豌
豆植物结瘤。
1.2　豆科植物和根瘤菌的识别及结瘤过程　豆科植物 —根
瘤菌相互识别属亲和性(阴性)识别系统[ 1] ,病菌需先吸附到
寄主根毛上 ,由侵染线侵入寄主后诱发根瘤 。选择吸附学说
认为 ,根瘤菌对豆科寄主植物与非寄主植物根毛吸附的选择
性 ,是致瘤专化性的重要原因 ,一种根瘤菌或其特定菌系(菌
株)只能特异性地侵染其来源寄主和少数其他寄主并诱发根
瘤。Kosuge T 将豆科植物—根瘤菌互作分为 9 个发展阶
段[ 3] :根瘤菌在豆科植物根表增殖群集 、根毛附着 、根毛卷
曲 、侵染线形成 、根瘤启始与发育 、根瘤菌释放 、根瘤菌(结
构)分化 、固氮 、根瘤形成及功能稳定性。前面某个阶段的行
为缺失突变可使后面的反应不能继续 ,这 9个阶段的发展包
括植物和根瘤菌多种基因的作用。豆科植物根部的四羟基
黄酮多环化合物和甲氧苯乙烯酮化合物是根瘤菌启动结瘤
基因的信号 ,它与根瘤菌组成型表达基因 nodD 的产物共同
(下转第 4438页)
安徽农业科学 , Journal of Anhui Agri.Sci.2007 , 35(15):4412 ,4438　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　责任编辑　罗芸　责任校对　李洪
低是叶片光合能力与环境条件日变化综合作用的结果。在
早晨叶肉细胞内糖和淀粉的“库”储量较少的情况下 ,作为
“源”的叶绿体合成的光合产物既可运输出叶片 ,又可在叶肉
细胞内暂时储存一部分 ,这使光合产物运输畅通 ,光合作用
能正常进行且旺盛 ,所以单叶的光合能力就比较高。到中午
光强大 ,温度高 ,湿度低 ,蒸腾速率加快 ,而气孔导度 、叶肉细
胞内的CO2 浓度下降 ,致使 Pn下降。Lakso认为植物光合日
变化原因可能是在低水势 、高水气压差(VPD)和高温下气孔
关闭使 Pn 低下。而强烈的光照是引起环境空气温度 、湿度
等变化的根本原因 ,因此加强水分管理 ,适时灌溉 ,降低温
度 ,增加空气湿度 ,减少水分蒸腾 ,是克服午休的基本方法。
加工番茄光合特性研究发现 ,虽然光照 、温度 、湿度及
CO2 浓度等是加工番茄叶片光合比较重要的环境条件 ,但对
光合作用日变化类型无影响。前人分析认为 ,中午光合速率
下降可能既有气孔因素也有非气孔因素。如果气孔因素的
限制居主导地位 ,那么在净光合速率和气孔导度下降的同
时 ,叶肉细胞内的 CO2 浓度也应该下降。该试验结果与此结
论相符 ,由此说明 ,在此试验条件下 ,加工番茄的光合午休现
象主要是气孔限制为主。
总之 ,植物的光合速率日变化受到多种因素的共同影
响 ,在农业生产中 ,应因地制宜 ,采用适当措施[ 10] ,如夏季中
午遮阳 ,改善光合效率 ,减少光合“午睡”带来的影响[ 11] 。
参考文献
[ 1] 陈月英.番茄的加工利用现状及发展趋势[ J] .农产品加工, 2005(3):55
-56.
[ 2] 许大全 ,徐宝基,沈允钢.C3植物光合效率的日变化[ J] .植物生理学
报 ,1990, 16(1):1-5.
[ 3] STOSKOPF N C.Understanding cropproduction[M] .Reston:Publishing Compa-
ny , 1981:1-12.
[ 4] GARDNERF P , PEARCE RB ,MITCHELL RL.Physiology of crop plants[M] .
Ames:Iowa State University Press, 1985:3-30.
[ 5] BAKERN R, ORT D B.Light and crop photosynthesis performance[ C] //BAK-
ER N R, THOMAS H.Crop Photosynthesis:Spatial and Temporal Determi-
nants.Amsterdam:Elsevier Science Publishers ,1992:289-312.
[ 6] 许大全.气孔的不均匀关闭与光合作用的非气孔限制[ J] .植物生理学
通讯, 1995,31(4):246-252.
[ 7] 徐明宇.几份不结球白菜材料光合特性的研究[ D] .南京:南京农业大
学 ,2005.[ 8] 徐英杰.茄子光合生理特性研究[ D] .兰州:甘肃农业大学 ,2003.
[ 9] 杨江山.樱桃光合特性研究[ D] .兰州:甘肃农业大学 ,2003.
[ 10] 邓仲虎.水稻光合日变化与生理节奏的关系[ J] .中国水稻科学 , 1994 ,
8(1):9-14.
[ 11] 许大全.光合速率、光合效率与作物产量[ J] .生物学通报, 1999 ,34(8):
8-9.
(上接第 4412页)
作用 ,诱导其他基因的表达 ,产生信号分子 Nod因子 ,然后
激活植物共生基因的转录 ,开始形成根瘤 ,根瘤形成后分泌
的根瘤素又促使根瘤发育。研究证明植物中的 RH-42 和
RH-44蛋白可使根毛细胞得到增强 ,因此 ,推测这 2 种蛋白
可能与根毛的变形与弯曲有关 ,但它们的基因需要 nod 基
因产物的诱导才能表达 。
2　豆科植物—根瘤菌共生多样性与生态环境的关系
根瘤菌研究初期 ,认为豆科植物与根瘤菌之间存在“宿
主专一性” 、“互接种族”关系。“宿主专一性”曾被作为分类
的主要依据 ,但近 20多年来的研究否定了这种观点 ,在实
验室及自然界均发现大量根瘤菌越过“互接种族”界限结瘤
的现象 。而分子生物学研究也发现根瘤菌与豆科植物的共
生关系是相当复杂的[ 4] 。目前认为生态环境对豆科植物—
根瘤菌共生体有重要的影响。作为宿主的豆科植物本身要
适应环境压力 ,而与其结瘤的根瘤菌则面临共生宿主和环
境的双重选择 ,结果只能是适应当地环境的菌株被保留下
来 ,并造成可供豆科植物选择的共生伙伴的种类受局限 。
同一种植物在不同生态条件下与不同种的根瘤菌结瘤
固氮是一个较为普遍的现象 ,而且根瘤菌与豆科植物的共
生关系因区域地理环境的差异而具多样性 。同一种豆科植
物在差异大的生态环境中其共生体为不同的根瘤菌属 、种 ,
国内外的研究结果表明 ,大豆可以与属于慢生根瘤菌属 、中
华根瘤菌属和中慢生根瘤菌属的 7种细菌结瘤固氮。比较
这些种的地理分布 ,可以发现 ,中国东北地区的大豆主要与
Bradyrhizobium japonicum 及B .1iaoningense共生固氮;华北地
区的大豆与 Bradyrhizobium japonicum 、B.elkanii 或Sinorhizobi-
um fredii 形成共生体;新疆地区的大豆主要与 S .xinjiangense
和Mesorhizobium tianshanense结瘤。根瘤菌的共生专一性取
决于其共生基因。依据种 、属的不同 ,共生基因或定位于质
粒上 ,或在染色体上 ,且可以在菌株间或种间转移。由于共
生基因的差异 ,有的根瘤菌具有非常广泛的宿主范围 ,如来
自非洲几内亚的 1个未作分类鉴定的菌株 NGR234 ,可与
112个属的豆科植物及非豆科植物———榆科(Ulmaceae)中
的 Parasponia andersonii 结瘤固氮。同样的情况也发现于弗
雷德中华根瘤菌的一些菌株中[ 5] 。
而在同一生态地区很多不同属种豆科植物的共生菌却
属于同一种根瘤菌。在海南岛山蚂蝗(Desmodium spp.)、猪
屎豆(Crotalaria spp.)等 7属 18种豆科植物共生的慢生根瘤
菌均属于 Bradyrhizobium japonicum 一个种;而来自同一区域
的蝴蝶豆(Centrosema spp.)、野百合(Crotalaria juncea)等 9属
12种豆科植物上分离的快生根瘤菌均为 Rhizobium haina-
nense。
共生固氮的研究自 1886年H Hellriegel和H Wilfarth开
始 ,已从经典的生态学 、生理学和遗传学研究进入了分子生
物学领域 ,这些研究对提高豆科植物共生固氮作用和非豆
科植物固氮奠定了科学基础。豆科植物根瘤的形成是植物
宿主和根瘤菌对抗与协调的统一 ,此过程不但受到豆科宿
主和根瘤菌双方基因的调节和控制 ,还与其生态环境的影
响密不可分。
参考文献
[ 1] 董汉松.植物识别子与病原细菌识别子间的相互作用[ J] .植物生理学
通讯 ,1991(27):391-396.
[ 2] 王逸群 ,荆玉祥.豆科植物凝集素及其对根瘤菌的识别作用[ J] .植物
学通报, 2000 ,17(2):127-132.
[ 3] 熊维全 ,万群.植物凝集素及其在生物固氮中的作用[ J] .热带农业科
技 , 2005, 28(2):25-30 ,33.[ 4] PERRET X , STEAHELIN C , BROUGHTON W J.Molecular basis of symbiotic
promiscuity[ J] .Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2000, 64:180-
201.
[ 5] 陈文新 ,汪恩涛,陈文峰.根瘤菌—豆科植物共生多样性与地理环境的
关系[ J] .中国农业科学 , 2004 ,37(1):81-86.
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