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生物固氮与农业经济的可持续发展

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  [摘要]生物固氮是农业生产中氮素的主要来源。本文概述了生物固氮,阐述了共生固氮的分子机理及生物固氮对农业经济的可持续发展的意义。


  [关键词]生物固氮,共生固氮,可持续发展


  一、前言


  氮是构成蛋白质和核酸的主要物质,是农业生产中必不可少的肥料。在大气中分子态氮约79%,不能为大多数生物(包括所有植物和动物)直接利用;而地球水圈和土壤含有相当数量的硝态氮,可绝大部分在海洋中,难以被生物有效利用,限制了生物体的发展。生物界氮素输入的最主要物质形式是大自然含量极低的氨态氮(铵离子),因此氨态氮的供应成为生物界繁荣发展的主要决定因素。自然界中,氨态氮的来源主要就是通过固氮作用(分子态氮被还原成氨及其他氮化物的过程称为固氮作用)。固氮作用有两种方式:一是非生物固氮,即通过闪电?高温放电等现象固氮,这样形成的氮化物较少;二是生物固氮,即通过微生物的作用固氮,这样形成的氮化物占90%以上。


  二、生物固氮


  固氮生物自1862年发现以来,已有100多年的历史。现在已知的固氮生物,多数为原核生物,主要的生物类群有真细菌,放线菌和蓝藻三大类。根据不同的固氮方式可分为自生固氮和共生固氮两大类。自生固氮生物的种类多,分布广,但固氮效率低,固氮量少。这类固氮生物主要有:①需氧的自身固氮菌,如固氮菌等;②厌氧的自生固氮菌,如巴氏梭菌等;③兼性厌氧的自生固氮菌,如克氏杆菌等;④光合自养的自生固氮菌,如红螺菌等。现在已知的自生固氮菌有15个科37个属的100多种。共生固氮的微生物固氮效率高,固氮量大,在自然条件下必须与另一生物共同生活才能固氮,这类生物在农业生产和自然界氮素平衡中发挥着重要的作用。这类微生物有:①与豆科植物共生的根瘤菌(快生型大豆根瘤菌为中国特有);②与满江红(红萍)共生的鱼腥藻;③与桤木共生的弗兰克氏菌等。次外,有些自生固氮微生物也可与其他生物联合,形成松散的结构,进行固氮,它们在一起生活时对彼此双方生长都有利,但关系不如共生固氮那么密切。这种固氮方式称为联合固氮。近20年来,联合固氮的研究也正得到了各国政府的重视。


  共生固氮在生物固氮中占有十分重要的地位,它的固氮量约占生物固氮量的五分之四,相当于当今全世界合成氨生产的三倍,而主要的固氮共生体是农业生产上的一类重要经济作物――豆科植物。因此,共生固氮主要指的是豆科植物与根瘤菌之间的共生固氮作用。共生固氮作用是根瘤菌与植物双方有关基因共同参与,相互识别,相互作用,其生理、生化过程是非常复杂的。基本过程为:(a)植物分泌特定的类黄酮物质;(b)类黄酮物质被根瘤菌识别(nodD基因产物是传感器);(c)nodD基因的产物NoD-D蛋白能识别出正确的类黄酮物质,就会激活其他的nod基因,然后由这些基因编码的蛋白会共同形成结瘤因子;(d)植物再识别确认正确的结瘤因子。于是,结瘤因子就启动了结瘤的早期过程;(e)除结瘤因子之外,根瘤菌的胞外多糖可能在以后结瘤过程中(细菌侵入植物细胞)也起到重要的识别作用。


  几十年的研究表明,共生固氮研究在根瘤菌的形态学、生理学、生物化学、遗传学和生态学等方面已经取得了重要的进展。20世纪70年代后,随着分子生物学的发展,共生固氮研究也进入到分子遗传学研究阶段。近年来,在研究根瘤菌共生固氮基因的定位、调控以及根瘤菌与豆科植物的相互作用等方面取得了许多新的进展。


  三、共生固氮的分子遗传研究


  1862年,人们就确定了固氮生物的存在,并发现了自身固氮菌以及根瘤菌与高等植物共生后能固定空气中氮素的现象。但是,一直到1960年,固氮的研究都是以固氮菌的整体细胞为材料,探索的是生物固氮代谢的途径,大部分研究仅局限于生理水平。1960年以后,随着生化技术的发展,获得了高纯度的固氮酶,便开始了固氮生化和酶学方面的研究。在此后的二十多年里,对生物固氮的能量来源、电子传递和防氧机制等进行了深入的研究。在固氮酶的结构与功能,酶促反应及催化机理、氧防护机制以及固氮酶活性的调节,电子传递等方面都有了较深入地了解。


  二十世纪七十年代初,在固氮生物化学方面取得了比较大的进展,对固氮酶的性质和固氮的基本原理也有了较为全面的了解后,开始了固氮遗传学方面的研究。肺炎克氏杆菌最先用于固氮遗传研究的材料,根瘤菌的分子遗传学研究是在研究了肺炎克氏杆菌(Klebsiellapneumoniae)固氮酶基因(nif)的结构和功能研究的基础上发展起来的[27]。近年来,在根瘤菌共生固氮基因的定位、调控、基因组研究及其与豆科植物的相互作用等方面都取得了不少突破性进展。


  根瘤菌的共生固氮机理是一个十分复杂的过程。根瘤菌中有大量的基因参与了这个过程。目前对于根瘤菌与豆科植物相互作用机理的了解仍然较少。随着基因组序列及功能深入的研究,一定会极大地促进人们对根瘤菌与豆科植物之间的共生关系机理的了解。随着新的研究方法与技术手段的运用和研究工作的深入,还将会发现更多新的根瘤菌共生固氮基因和调控机制,彻底揭开共生固氮作用的奥秘,并进一步定向改造和提高根瘤菌的共生固氮效率,实现非豆科植物的共生固氮。


  当今生物固氮的热点之一是研究禾本科植物的固氮。Reddy等利用豆科植物早期结瘤素基因作为探针,与不同水稻品种的基因组进行杂交,发现水稻中也存在早期结瘤素基因,如enod2、enod5、enod12、enodl4、enod40、enod55、enod70和enod93的同源基因。中科院上海生命科学院俞冠翘等人的研究也表明,在水稻基因组中广泛存在豆科植物结瘤素基因的同源基因。王彦章等将大豆早期结瘤素基因Gmenod2B的启动子与报告基因β-葡萄糖苷酶(GUS)基因融合构建成嵌合基因Gmenod2BP-GUS,以此嵌合基因作为探索水稻细胞感受结瘤因子信号的分子标记;结果转基因水稻中的大豆早期结瘤素基因enod2B启动子的表达可以受结瘤因子诱导,仅在水稻根部的皮层薄壁细胞和内皮层细胞中呈特异性表达,且受到氮源的调控,由此推测在水稻中可能存在结瘤因子所诱导的豆科早期结瘤素表达的类似机制。


  四、意义


  目前,世界各国都面临着能源、粮食、人口和环境等问题,因而生物固氮的研究备受关注,生物固氮研究已经被列为“国际生物学计划”中的重点研究内容,各国政府都将其视为重点科技攻关项目。据美国国家科学院1979年估计,地球表面每年约有14500万t分子氮通过生物固氮转化为肥料氮,约占全球氮素供应量的70%。上世纪初以来全球农作物单位面积产量不断增长,在一定程度上依赖于氮肥的施用量不断增加。大量施用化肥,既提高了农业生产成本,也招致水体严重污染,破坏生态平衡,阻碍农业可持续发展。而生物固氮既不降低土壤肥力,也不污染环境,而且是取之不尽,用之不竭的廉价氮源,应用生物固氮,能有效减少化肥的使用,改善土壤和生态环境质量,提高农业作物的产量和品质,有利于农业结构的调整,取得良好的经济效益、生态效益和社会效益。生物固氮对农业经济的可持续发展具有至关重要的战略意义,在农业生产中具有十分广阔的应用前景。作者:陈钢,本文来自《农业经济与管理》杂志

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