豆科牧草与根瘤菌的共生固氮作用的探讨

豆科牧草与根瘤菌的共生固氮作用的探讨刘兆红(青海畜牧兽医职业技术学院湟源812100)摘要：本文简述了豆科牧草与根瘤菌的共生固氮作用，指出培育与豆科牧草有效组合的高效优质根瘤菌菌株，协调共生固氮各环节的影响因素，充分发挥豆科牧草与根瘤菌的固氮效率，在饲草饲料生产上的重要意义。关键词：豆科牧草根瘤菌共生固氮生物固氮对自然界的氮素循环有着十分重要是意义。具估计，每年全球的生物固氮量为175×107吨，是工业固氮的3倍。其中农田固氮约为9×107吨，而根瘤菌与豆科植物的共生固氮能力居各类固氮体系之首，约为3,7×106吨。近年来，共生固氮资源的人工开发利用成就显著，花生、大豆、紫云英、三叶草、直立黄芪、苜蓿、红豆草等根瘤菌接种大面积推广应用，南方荒山和北方黄土高原飞机大面积播种豆科牧草技术的推广起了关键性作用。但开发利用生物固氮资源及人工草场栽培豆科牧草与国外相比差距较大，美国每年从豆类生物固氮获取240万吨氮素，俄罗斯为260万吨，我国仅为160万吨。目前我国发现的豆科植物约为1500种，有90%以上为开发利用。根瘤菌与豆科植物共生形成根瘤而固氮，自给氮素营养而成为高蛋白优质牧草，在饲草饲料生产中占有重要地为。一公顷生长良好的紫花苜蓿，每年可提供300公斤氮素，三叶草可提供255公斤氮素，并且豆科牧草残渣在土壤中还有较高肥力。我省土地面积大，土壤贫瘠少氮，充分利用共生固氮资源，对农区粮草轮作和牧区饲草饲料基地建设有重要意义。1根瘤菌与豆科植物共生关系的形成固氮豆科植物的根瘤形成是一个复杂的多步骤过程，需要共生双方基因的参与及生态环境的协调。豆科植物的根瘤是根瘤菌和植物之间对抗和协调的统一，最终成为相互有利的共生关系。在某些情况下，协调关系不能完全建立，根瘤菌对豆科植物也可能是单纯寄生而无固氮作用。根瘤的形成过程包括寄生在植物根区的定居，根表的接触，根毛卷曲，侵入线形体，根瘤菌的繁殖与释放，类菌体的形成和有效根瘤固氮活性出现等，每一步均受二者的遗传控制。2根瘤的结构（1）根瘤皮层：位于根瘤表皮，由4-10层薄壁细胞组成，不含根瘤菌，细胞较小，排列紧密，根瘤皮层具有保护作用，我省干旱地区豆科牧草根瘤表皮较厚。（2）分生组织：一般位于根瘤的先端，有一堆小型细胞，保持着细胞活跃分裂和生长作用，产生新的细胞形成皮层，维管束，增加含菌组织，使根瘤不断张大。分生组织位于皮层里，若在根瘤顶端，则形成棒状根瘤，如苜蓿、三叶草、豌豆的根瘤，根瘤单个或聚集在一起；若在顶端不同部位，形成分枝状根瘤；若在根瘤周围呈带状分布，则形成球状根瘤，如大豆、花生的根瘤，根瘤单个存在。（3）含菌组织：位于根瘤中部，是根瘤内部组织的重要组成部分，由含菌细胞构成。在三叶草、豌豆、花生的有效根瘤内，几乎100%的细胞都含有类菌体，而在菜豆、锦鸡儿、田菁的有效根瘤内，通常只有50-70%的细胞受感染。（4）维管束系统：位于皮层内，呈网状分布，与根中柱木质部和韧皮部相连，成为根瘤的疏导组织。光合产物输入根瘤和固氮产物供给植物利用，都需要通过维管束。苜蓿和三叶草有2或4条维管束，豌豆、大豆、田菁等较大的圆形根瘤中，维管束分枝形成疏导组织网。发育完全的维管束由木质导管，韧皮纤维，筛管和伴胞组成；包在一层薄壁细胞鞘内，鞘外有凯氏内皮层环绕着，维管束常有几层未受感染的薄壁组织细胞将维管束与内部组织隔开。由此可见，豆科植物的根瘤具有十分复杂的组织结构和高度的组织分化。3提高根瘤菌与豆科牧草共生固氮效率在草业生产中，提高根瘤菌与豆科牧草的共生固氮效率，必须重视下列问题：（1）选育与豆科牧草品种有效组合的高效根瘤菌菌株，根瘤菌的选育，只有服从于栽培豆科牧草品种，获得最有效的组合，加强共生体系发挥共生固氮作用。自然筛选菌种是根瘤菌选育的一项基础工作。栽培过豆科牧草的土壤就有根瘤菌存在，饲用蚕豆、红豆草、直立黄芪等根瘤丰富。从根瘤中分离获得纯种，通过结瘤和固氮比较试验，筛选优良菌株。选育工作的另一方面是人工改造菌种，培育新种或新菌系。在分子遗传学理论基础上，利用基因工程等高新技术进行基因转移和基因重组，把有关共生固氮的基因，如感染、结瘤吸氢、耐旱、耐盐碱、耐氨（铵）等基因转移和组装，定向培育新种。（2）协调共生固氮关系的各个环节：在自然条件下，要充分利用共生固氮作用，首先必须满足根瘤菌和豆科植物所需要的生活条件，才能最大限度的发挥共生固氮效率。a．光合作用是固氮强度的决定因素之一：豆科牧草的光合作用能为根瘤菌提供碳素养料，为共生固氮提供能源物质。影响光合作用的各种因素均能影响成瘤和固氮，如光照不足或中止向根部运输糖分，已侵染根毛的根瘤菌不在向前推进，无法成瘤，有效根瘤的固氮酶活性降低或迅速衰败。反之，能促进光合作用的各种因素，如延长光照时间等能增强根瘤的固氮作用。由此可见控制光合作用能有效的调节共生固氮作用。b．牧草生长发育过程中固氮作用动态：在豆科牧草生长发育过程中，光合作用和固氮作用产物最后大量地积累在籽实中。固氮作用和豆科牧草的发育是充分协调的，当子叶中的氮素快耗尽时，根瘤就形成了，为牧草的旺盛生长准备了供应氮素的条件。随植株生长，光合产物增多，固氮作用积累的氮素增加，在整个牧草生长阶段，固氮作用持续进行。当豆科牧草转为生殖生长阶段后，情况发生急剧变化，同化的物质向籽实积累，这时根瘤衰败。为积累氮素，一方面要在牧草营养生长阶段加强固氮作用，另一方面也要使固氮作用持续的生长，这个目的可以通过豆科牧草和根瘤菌育种、生理调节和生态环境控制而实现。（3）共生固氮的生态条件a．土壤水分：土壤水分保持在饱和持水量的60～80%，根瘤形成和牧草生长量最高。若草地土壤水分不足，植物缺少正常根毛，根瘤菌感染受到限制，使天然草地豆科牧草根瘤数量极少，个体小。缺水影响根瘤的正常发育，长期缺水会导致根瘤脱落。b．土壤氧气含量：根瘤菌是好氧性微生物，土壤通气状况影响根瘤菌在土壤中的活力，也影响根瘤的固氮活性。在土壤渍水或板结、过度放牧情况下，根瘤很少或很难形成，或只在土表中形成。改善土壤通气状况，可促进根瘤形成，并提高生物固氮效率。c．温度：温度对共生体系的影响是复杂的。温带豆科植物在70C能结瘤，热带豆科牧草在200C左右时严重影响结瘤，青海从外省引进根瘤菌接种豆科牧草，结瘤率低，无效根瘤多。野外考察中发现，3500米以上豆科牧草结瘤小而少，无效根瘤多，固氮活性低，有的甚至无固氮活性。因此筛选土著优良根瘤菌是应研究的课题。d．PH：多数豆科牧草适宜在中性或偏碱土壤中结瘤固氮。豆科牧草生长的PH范围常宽于结瘤的PH范围。如大豆的PH3.9-9.6内能生长，而在PH4.6-8.0时才结瘤。PH对苜蓿影响也十分典型，当PH下降到4.7时形成根瘤的速度迅速下降。我省大部分土壤适合多数豆科牧草生长结瘤。e．施用磷肥和微量元素，适当施用氮肥：青海土壤大多存在少氮缺磷，磷素缺乏会严重影响根瘤的发育和固氮效率，因此，人工草地种植豆科牧草时，适当施用磷酸盐、磷酸氢二钾或磷酸氢二钠，会提高土壤磷的含量，对早结瘤和根瘤发育有利。在严重缺磷的土壤，施磷和人工接种根瘤菌可使白三叶草的结瘤、固氮和产草量增长几倍至几十倍。许多微量元素对共生固氮作用有积极的影响。钼是固氮作用不可缺少的，缺钼导致无效根瘤多。因此在豆科植物播种时，用钼酸铵或在根瘤菌剂中混入少量钼酸钠，能使苜蓿粗蛋白含量增加6%，豌豆籽实蛋白质含量增加2%。缺硼根瘤的维管束发育差，根瘤生长不良，因此在播种时施入少量硼肥，对结瘤和固氮有明显效果。铁、锌、钒、钴等微量元素对固氮作用都产生有利影响。土壤中结合态氮素和无机氮化合物丰富，对豆科牧草无害，但阻碍根瘤形成，并降低固氮作用。在三叶草试验中，培养液中含0.05%硝酸钠和不含氮培养液相比，前者形成根瘤数量只有后者的四分之一至五分之一，而根瘤也小得多。化合态氮阻碍根瘤菌进入根毛，影响根瘤增大，降低根瘤的固氮活性，抑制作用的大小随化合态氮的种类、豆科牧草品种、菌株特性、植物营养状况等不同而异。据研究10mgkg-1铵态氮对田菁结瘤固氮有强烈抑制作用，而大豆的反应则有些不同，同样是在水分培养条件下，10mgkg-1硝态氮对固氮有促进作用，在更高浓度下才产生抑制作用。豆科牧草施用少量“起爆氮”已是普遍的经验。在牧草生长的早期施用少量氮对固氮作用产生有利影响，氮肥用量增加，则固氮作用给植物提供的氮量减少，所以植物的总氮量无明显增加。由此可见，究竟施用多大量“起爆氮”，在何时使用，如何在加大化合态氮用量的同时也促进固氮作用，以满足豆科牧草高产优质对氮素的要求，是生产实践中提出的一个研究课题。豆科植物转入生殖生长阶段后，代谢特性发生显著变化，这时代谢产物向生殖器官积累，根瘤衰败，固氮作用减弱或逐渐停止，所以在生殖生长阶段从外界补充氮源，能提高豆科牧草产量。参考文献：1.华中农业大学,南京农业大学主编,微生物学,农业出版社.2.陈文新主编,土壤与环境微生物学,北京农业大学出版社.