豆科植物生物固氮的調(diào)查研究

張世光

（南海東軟信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院,廣東 佛山 528000）

氮素是植物生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素。氮素供應(yīng)不足是我國(guó)豆科作物生產(chǎn)上普遍存在的問(wèn)題。但是，依靠化學(xué)肥料解決大面積土壤缺氮問(wèn)題是不現(xiàn)實(shí)的，也是不經(jīng)濟(jì)的。眾所周知，豆科作物與根瘤菌共生固氮能將空氣中的分子態(tài)氮轉(zhuǎn)化為植物能利用的銨態(tài)氮，為植物或微生物的生長(zhǎng)發(fā)育提供氮源，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為生物固氮 (biological nitrogen fixation,BNF)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地球表面每年從空氣中固定的氮素約有1億噸，通過(guò)豆科作物和根瘤菌所固定的氮素約有5500萬(wàn)噸。利用豆科作物和根瘤菌的共生固氮作用固定空氣中的大量氮素，不僅可以提高土壤肥力，滿足部分農(nóng)作物對(duì)氮素的需求，而且能降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)化學(xué)氮肥依賴(lài)，從而防止因施用氮肥引起的環(huán)境污染。

1 豆科植物的生物固氮

人工接種根瘤菌是增強(qiáng)豆科作物共生固氮作用、增加氮素營(yíng)養(yǎng)和提高作物產(chǎn)量的有效措施。但是，接種根瘤菌的效果受許多因素的影響，包括內(nèi)在因素和外在因素兩方面。內(nèi)在因素是指共生固氮效率在品種、株系間差異較大。Gibson（1962）研究表明，即使豆科作物的品種間親緣關(guān)系非常相近，不同品種與不同根瘤菌間仍然有顯著的差異。外在因素包括：土壤營(yíng)養(yǎng)狀況、水分、溫度、土壤類(lèi)型、土著菌類(lèi)型及其數(shù)量和接種措施等。所以，在對(duì)根瘤菌選種時(shí)，必須既針對(duì)種植植物的品種，同時(shí)又針對(duì)生態(tài)環(huán)境兩方面因素進(jìn)行根瘤菌與宿主的最佳匹配，以期獲得最佳共生效果。

接種根瘤菌是提高豆科作物生產(chǎn)的重要措施。國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)證明，接種根瘤菌在多數(shù)土壤中可以提高豆科作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。Bohlool(1973)在總結(jié)多種作物在多點(diǎn)接種根瘤菌效果時(shí)指出,豆科作物接種根瘤菌的產(chǎn)量比不接種根瘤菌提高89.5%。

根瘤菌(rhizobia)是一類(lèi)廣泛分布于土壤中的革蘭氏陰性細(xì)菌，能侵染豆科植物根部或莖部后形成根瘤或莖瘤，以共生體形式固定空氣中的氮（N2）成為植物可吸收利用的NH4+。根瘤菌菌株經(jīng)革蘭氏染色反應(yīng)鏡檢均為G-（革蘭氏陰性菌），呈小短桿狀。在菌落形態(tài)上，均為慢生型，圓形較小，半透明，在YMA平板上生長(zhǎng)5～7天后的直徑為0.8-2.0m。

2 不同環(huán)境因素對(duì)根瘤共生固氮系統(tǒng)的影響

（1）氮有效性對(duì)大豆根瘤共生固氮系統(tǒng)的影響。土壤中氮的有效性對(duì)根瘤共生固氮系統(tǒng)的形成十分重要。在低氮處理下，接種根瘤菌的效果非常明顯，無(wú)論在地上部干重、根瘤數(shù)，還是植株氮含量都顯著提高。但在高氮條件對(duì)根瘤共生固氮具有抑制作用。這是由于根瘤共生系統(tǒng)的直接產(chǎn)物為氮，豆科植物具有反饋調(diào)節(jié)作用，使之不能或很少結(jié)瘤。

表1 低氮條件下接種不同根瘤菌對(duì)地上部干重的影響

表中百分?jǐn)?shù)為接種根瘤菌后與對(duì)照相比提高的百分?jǐn)?shù)；計(jì)算公式為:(R-CK)/CK*100%

（2）磷有效性對(duì)大豆根瘤共生固氮系統(tǒng)的影響。研究結(jié)果表明：高磷有助于根瘤的形成，提高根瘤共生系統(tǒng)的固氮能力，主要表現(xiàn)在高磷處理下，大豆的根瘤數(shù)、固氮酶活性都顯著高于低磷處理。Vitousek等（2002）將根瘤共生固氮系統(tǒng)需要較高磷的原因歸納如下：(1)豆科植物需要較多的磷，首先植物維持或形成共生系統(tǒng)需要比非共生植物消耗大量的磷，而且共生系統(tǒng)的植物由于得到足夠氮供應(yīng)，生長(zhǎng)較快，而維持這種較快生長(zhǎng)也需要較多的磷；(2)根瘤菌固氮需要較多的磷，主要是因?yàn)楣痰冈诠痰^(guò)程中需要大量的磷，并且共生體本身是通過(guò)膜與植物根細(xì)胞分開(kāi)的，這些膜的形成需要消耗大量的磷。

試驗(yàn)表明，磷處理對(duì)接種效果影響顯著，高磷處理顯著提高了巴西10號(hào)大豆品種的根瘤數(shù)和固氮酶活性，在低磷處理下很少結(jié)瘤，且結(jié)瘤的固氮能力明顯減弱。

（3）接種不同根瘤菌菌株對(duì)大豆氮效率的影響。在篩選耐酸、耐低磷的高效根瘤菌時(shí)，我們?cè)O(shè)定了介質(zhì)中的pH值為5.5，并設(shè)置了低磷處理，以期找到在低磷脅迫，酸性條件下表現(xiàn)仍然生長(zhǎng)較好的根瘤菌菌株。在對(duì)根瘤菌進(jìn)行篩選時(shí)，主要以地上部干重及氮含量作為篩選指標(biāo)，其它性狀如固氮酶活性、根瘤數(shù)等作為參考指標(biāo)。因?yàn)楣痰富钚灾环从硿y(cè)定時(shí)段內(nèi)的固氮酶活，而且固氮酶活受諸多因素如晝夜、天氣、生長(zhǎng)期等的影響。同時(shí)，有的根瘤雖多，但酶活較低，無(wú)效瘤較多，也會(huì)有比較低的固氮效率。

3 結(jié)語(yǔ)

由于大豆品種不同，其最佳匹配的根瘤菌也不同。因此，對(duì)某一大豆品種而言，只有匹配最佳根瘤菌，才能獲得最好的固氮效率。這與根瘤菌的宿主專(zhuān)一性有關(guān)。根瘤菌結(jié)瘤的豆科宿主專(zhuān)一性不僅表現(xiàn)在種的水平上，并且與品種差異有關(guān)。Cregan和Keyser的研究表明，大豆品種的不同基因型也限制了結(jié)瘤菌株的類(lèi)型或血清型。在我們的盆栽試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)有些大豆品種接種菌株后結(jié)瘤很少或者無(wú)效結(jié)瘤，表明它們與供試大豆品種的共生有效性低，根瘤菌與它的匹配很差，共生性有效性很低。

針對(duì)影響大豆—根瘤菌固氮效率的主要因素，篩選適應(yīng)南方酸性紅壤的高效根瘤菌菌株，發(fā)展我國(guó)南方大豆產(chǎn)業(yè)，是一項(xiàng)勢(shì)在必行的重要舉措。

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