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根瘤菌 编辑
中文名:根瘤菌
外文名:Rhizobia
中文学名:根瘤菌
拉丁学名:Rhizobium
界:细菌界
目:根瘤菌目
科:根瘤菌科
属:根瘤菌属、慢生根瘤菌属
种:根瘤菌
经过70年代和80年代初的研究,根瘤菌科的变化较大,现包括7属36种,但其中的放射土壤杆菌不能引起植物异常增生。根瘤菌属和慢生根瘤菌属 两属细菌都能从豆科植物根毛侵入根内形成根瘤,并在根瘤内成为分枝的多态细胞,称为类菌体。类菌体在根瘤内不生长繁殖,却能与豆科植物共生固氮,对豆科植物生长有良好作用。这两属细菌的表现性状极相似,只是根瘤菌属的细菌在酵母膏、甘露醇、无机盐琼脂上生长快,3~5天的菌落直径可达2~4毫米;在含碳水化合物的培养基上产酸。慢生根瘤菌属的细菌却与之相反,菌落生长甚慢,5~7天其直径还不足1毫米,在含碳水化合物的培养基上不产酸,反而呈碱性。
根瘤菌属是于1889年由B.弗兰克建立的,它包括3种:豌豆根瘤菌、苜蓿根瘤菌和百脉根瘤菌。慢生根瘤菌属是D.C.乔丹于1982年从根瘤菌属中分化出来的,属内暂有一种,即曾经称为大豆根瘤菌的大豆慢生根瘤菌。上述两属细菌时常制成细菌制剂在田间施用,作为作物或牧草增产的一种手段(见固氮微生物)。 土壤杆菌属 1942年由H.J.康恩建立。其性状与前述两属的根瘤细菌颇相似,但不能在豆科植物根上形成能共生固氮的根瘤。本属细菌能够通过外伤入侵多种双子叶植物和裸子植物,致使植物细胞转化为异常增生的肿瘤细胞,产生根癌、毛根和杆瘿等病状。土镶杆菌属内各个种诱发根癌的能力与其所特有的Ti质粒有关。本属细菌为土传性植物病原菌。叶杆菌属 1984年D.H.克内泽尔发表的1属细菌。其表现性状与前述3属相近,特点是在紫金牛科和茜草科中某些热带种的叶片上形成共生叶瘤。细菌在叶瘤内也呈多态,但是否能共生固氮还没能断定。共有两个种:紫金牛叶杆菌和茜草叶杆菌。
现代的分类手段,如DNA碱基组成、DNA同源性、rRNA顺反子相似性、蛋白凝胶电泳、数值分类等结果,都证明土壤杆菌与两属根瘤菌有一定的亲缘关系,也证明将根瘤细菌分为两属是符合客观实际的。rRNA顺反子相似性的研究结果证明叶杆菌属与前3属有一定关系,所以暂归属于根瘤菌科。
当豆科植物在幼苗期,土壤中的根瘤菌便被其根毛分泌的有机物吸引而聚集在根毛的周围,并大量繁殖。同时产生一定的分泌物,这些分泌物刺激根毛,使其先端卷曲和膨胀,同时,在根菌瘤分泌的纤维素酶的作用下,根毛细胞壁发生内陷溶解,随即根瘤菌由此侵入根毛。 在根毛内,根瘤菌分裂滋生,聚集成带,外面被一层粘液所包,形成为感染丝,并逐渐向根的中轴延伸。同时,在根瘤菌的刺缴下,根细胞相应地分泌出一种纤维素,包围于感染丝之外,形成了具有纤维素鞘的内生管,又称侵入线。根瘤菌顺侵入线进入幼根的皮层中。
在皮层内,根瘤菌迅速分裂繁殖,皮层细胞受到根瘤菌侵入的刺缴,也迅速分裂,产生大量的新细胞。致使皮层出现局部的膨大。这种膨大的部分,包围着聚生根瘤菌的薄壁组织,从而形成了外向突出生长的根瘤。
之后,含有根瘤菌的薄壁细胞的细胞核和细胞质逐渐被根瘤菌所破坏而消失,根瘤菌相应地转为拟菌体(baCTerioid)。
主根瘤菌刚刚进入豆科植物根部的时候,并不能固氮,只能发展到拟菌体阶段,才能进行固氮作用。
在根瘤内,根瘤菌从豆科植物根的皮层细胞中吸取碳水化合物、矿质盐类及水分。以进行生长和繁殖。同时它们又把空气中游离的氮通过固氮作用固定下来,转变为植物所能利用的含氮化合物,供植物生活所需。这样,根瘤菌与根便构成了互相依赖的共生关系。
由于根菌瘤在生活过程中分泌一些有机氮到土壤中,加之,根瘤在植物的生长末期会自行脱落,从而大大提高了土壤的肥力。据估测,一亩苜蓿年均可积累40斤氮肥,相当于200斤硫铵。并可增加土壤中的腐殖质。
由于有些土壤中没有与豆科植物共生的根瘤菌,同时不同豆科植物需要与不同类型的根瘤菌共生,因此在农业上采取在播种豆科植物时,将其与根瘤菌制剂搅抖,以便给豆科作物形成根瘤创造条件。据调查,采用该方法播种,可使大豆、花生增产10%以上。
根瘤菌是一种特殊的细菌,可以生活在土壤中或豆科植物根部形成的根瘤中。在根瘤中,它们与豆科植物形成一种共生关系,植物通过光合作用向根瘤菌提供能量,根瘤菌将大气中的氮固定在根瘤中,并将其转化为植物可以利用的形式,以支持植物的新陈代谢。根瘤菌为豆科植物生产氮的复杂过程称为生物固氮。根瘤菌对缺氮土壤中的植物尤为重要。
在实验室里,根瘤菌生长在一种叫作酵母甘露醇琼脂的特殊培养基上。根瘤菌主要分为快速生长的根瘤菌和缓慢生长的慢生根瘤菌两个属。快速生长的根瘤菌在培养基上一般2~3天内明显生长,产生酸生长反应,豌豆、蚕豆、苜蓿和鹰嘴豆等分离出的根瘤菌生长迅速;慢生根瘤菌在培养基上需要6~8天才能明显地生长并产生碱性反应,大豆和豇豆根瘤菌生长缓慢。实验室培养的根瘤菌在显微镜下呈短杆状。像大多数生物一样,它们需要空气(O2)的供应才能生存,可以通过一种叫作鞭毛的特殊丝状结构移动。
并非所有的根瘤菌都能使所有的豆科植物结瘤,特定的根瘤菌与特定的豆科植物或豆科植物群形成共生关系。当豆科植物和根瘤菌匹配良好时,有效瘤体内部呈深红色;内部绿色或白色的瘤体是无效的。不同生态系统中存在的根瘤菌种类繁多,而今确定的有15属130种。当某些新的豆科作物被引入新的地区或当土壤中存在无效和不相容的根瘤菌时,需要接种根瘤菌。接种根瘤菌高效菌株,是发挥共生固氮作用、减少氮肥用量的可行途径。
根瘤菌不仅在生物固氮中发挥重要作用,还有助于提高土壤生产力和肥力,为植物生长创造适宜的环境。此外,根瘤菌对不同属的土壤植物病原真菌如镰刀菌、根核菌、菌核菌和大孢菌的生长具有明显的抑制作用,可以降低作物的发病率。
土壤中根瘤菌的数量受植被、种植历史、降雨、土壤温度、pH值等因素影响。在许多农用土壤中,豆科植物、非豆科植物都能促进根瘤菌的生长,豆科植物栽培区土壤中根瘤菌数量高于非豆科植物栽培区,且根际土壤中根瘤菌的数量较大。多年未种植豆科植物的土壤中只有少量的根瘤菌。降雨充足的地区往往有大量的根瘤菌,根瘤菌喜欢潮湿但不积水的土壤。根瘤菌适宜土壤温度是25~30℃,最适pH值为6.0~6.8 。