[精品]固氮菌研究现状及前景分析

1、固氮菌研究现状及前景分析固氮菌所进行的生物固氮作用是土壤中氮索的主要來源，也是固氮微生物参与自 然界氮素循环的主要环节，固氮菌主要包括自生固氮菌、共生固氮菌和联合固氮 菌，涵盖固氮细菌和固氮蓝细菌两者共59个属。本文将对固氮菌固氮作用的应用、 基因工程育种在固氮菌研究上的应用以及固氮菌的最新研究进展等方面进行展开 阐述，并进一步展望固氮菌的前景。关键词固氮菌 基因工程育种 应用 前景 abstractbiological nitrogen-fixing is the main source of nitrogen in soil, also is the main process that n

2、-fixing bacteria take part in natural nitrogen cycle. n-fixing bacteria include free-living nitrogen fixing bacteria, symbiotic nitrogen fixing bacteria and associative nitrogen fixing bacteria. this article will introduce the application of nitrogen bacteria and the perspective of nitrogen fixing b

3、acteria.keywordnitrogen-fixing bacteria genetic-engineering application perspective固氮微生物包括自生固氮菌、共牛固氮菌以及联合固氮菌三大类型。对固氮菌的研究 在农业生产，增加作物产量以及合成蛋白质等方面有着极其重要的应用。本文叙述了生物 固氮研究取得的重大进展和成果，包括发现了固氮基因，证实了克氏杆菌固氮基因操纵子 的连锁性及正调控基因的调节机制和对氧、温度的敏感性；发现根瘤菌结瘤调控基因nodd3 的产物对结瘤基因表达的启动不受宿主类黄酮的作用；发现根瘤菌的碳利用基因和固氮牛 物氮代射和碳代谢基因表达及其调节

4、的偶联作用；在固氮基因表达调节基础上，构建了固 氮基因工程菌株，并在生产屮得到应用。一、生物固氮作用首先从固氮菌的作用了解固氮菌。固氮菌的生物固氮是指自然界的一些微牛物和蓝绿 藻将大气屮的不能被植物利用的氮气变成可利用的氮的过程1。氮素是构成生命物质最 重要的元素之一，在口然界里只有某些微生物能直接将大气中约78%的氮气通过固氮酶还 原成钱根离子。固氮作用类型分为自生固氮型、共生固氮型和联合固氮型。在自然界屮具 有孤单作用的微生物即是固氮菌2。固氮菌的应用口前固氮菌肥料的生产是最主要的固氮菌应用方式。固氮菌肥料是利用固氮微生物将 大气中的分子态氮气转化为农作物能利用的氨，进而为其提供合成蛋口质

5、所必需的氮素营 养的肥料3。固氮菌肥料是最理想的、最有发展前途的肥料。口前固氮菌肥料的牛产基 本上采用液休发酵的方法。产品可分液体菌剂和固体菌剂。从发酵罐发酵结束后及时分装 即成液体菌剂，发酵好的液体再用灭菌的草炭等载体吸附剂进行吸附即成固体菌剂4。 自身固氮菌不与高等植物共生，没有寄主选择，而是独立生存于土壤中，利用土壤中的有 机质或根系分泌的有机物作碳源来固定空气屮的氮素，或直接利用土壤小的无机氮化合 物。固氮菌肥对各种作物及蔬菜都有一定增产作用。三、固氮菌的研究进展1、固氮基因的发现通过基因定位突变的方法，构建了大肠杆菌e26染色体上基因nifl突变菌e11和e12, 并对其固氮特性进行

6、分析。结果显示，当细菌在有nh+4的条件下，nifl作为固氮基因的负 调节因子，可能是通过nifl蛋白与nifa蛋白之间的相互作用，形成某种复合物，导致nifa 的失活，从而关闭nif基因的表达。高温条件下(37°c),nifl并不参与对nif基因表达的阻 遏作用，但是nifl的突变影响nifa激活nif基因表达对热的稳定性。2、同氮遗传工程的兴起自然界冇生物固氮能力的生物只限于极少数低等的原核微生物，基因重组和细胞融合 等遗传操作新技术为改造生物提供了强有力的手段。对于固氮微生物來说，固氮基因(nif) 操纵和调节固氮酶的合成，从而使固氮微生物具冇固氮作用。如果将固氮基因进行人工转

7、 移，就可能获得具有固氮作用的新物种。在这一领域人们已进行了大量的研究，进展显著。 固氮基因已经能够在原核生物界细菌之间转移，例如，已能将帅炎克氏杆菌的固氮基因转 移到大肠杆菌中去。因此，有的学者预言，玉米结瘤固氮可望在21世纪初成功，水稻的固 氮也有成功的可能。美国科学家估计，今后20年内，生物工程可能使粮食作物产生自身固 氮能力，从而可节约生产氮肥投资的90%以上5。3、对固氮根瘤菌及其宿主植物的基因组、功能基因组和蛋白质组研究认识生物同氮及其与z相关的微生物与高等植物相互作用机理，必将取得新的突破。 重组根瘤菌己构建成功，并作为第一个可提高固氮效率的基因工程根瘤菌肥而投放到国际 市场；与

8、粮食作物联合同氮的同氮螺菌的同氮调控机制研究也已逐步明朗，为构建镀阻遏 条件下也能固氮的基因工程菌株打下了理论基础。最近，对以苜蓿根瘤菌为代表的模式菌 株的基因组工作已经完成，对其功能基因组学研究也刚刚兴起，这必将在一个新的层次上揭示根瘤菌与宿主植物相互作用机理。我国科学家在深入研究在调节基因(nifa)的表达及 其产物(nifa)活性调节机制的基础上，构建了携带冇能组成型表达(不受鞍阻遏)nifa质 粒，将其引入大肠杆菌和大豆根瘤菌后，其固氮作用不再受钱抑制，用此基因工程菌接种 水稻和大豆口j获得增产6。4、内生固氮菌研究进展有些高等植物与菌根真菌共生形成菌根，非豆科固氮植物固氮能力强，是陆

9、地生态系 统屮重耍的供氮系统，植物内生菌与寄主植物在长期的共同进化过程屮形成共生关系。它 们通过固氮作用，产生生理活性物质促进宿主对环境的适应，在农业中具有重要的应用潜 力7。近年来，在廿蔗、玉米屮发现了多种具冇固氮功能的内生细菌，引起了学术界的 高度关注。5、微生物体内碳代谢与固氮及氮代谢的基因表达调节z间存在着偶联关系这一发现不仅对生物固氮调控有重要意义，也是对基因表达调控的基础研究屮的一项 重要贡献。它为进一步研究光合和固氮之间的联系，提供了理论基础。6、培育具有氢酶的固氮微牛物的研究如果固氮微生物体内具有氢酶，可以吸收氢产生的能量。这样，就能提高其固氮效率 而增加产量。固氮菌研究的前景

10、展望口前，利用基因工程技术转移固氮基因从而使植物表达固氮作用已成为一项世界性的 战略课题。许多国家的科学家都在运用现代生物技术从事固氮菌的固氮机理和转移微生物 固氮能力等各方面的研究，展现固氮菌牛物固氮的前景。针对口前固氮菌研究屮存在的问 题，廿前关于固氮菌的发展主要集中在以下几个方面：1、改进现有固氮微生物的固氮效率改变固氮酶作用中的放氢耗能反应。由于固氮作用要消耗一定的能量，即消耗了植物 光合作用的产物。因此可以设想，应用基因工程手段，组建菌株，使释放的能量再用于固 氮酶的固氮作用8。培养菌株，解除抑制固氮酶合成，使固氮菌环境中能结瘤固氮。2、利用生物工程技术，构建新的固氮微生物原核生物间

11、的遗传性能转移是比较容易的。应用质粒转移培育高效固氮的根际细菌 群，开辟根际细菌转人固氮质粒的研究。3、建立新的共生i占i氮体系共生固氮体系是生物界中最有效的固氮组合。固氮作用所需耍的能量來门宿主植物的 光合作用。固氮产物直接为宿主的氮索营养，共生的两方面相互有利，相互支持。但是， 对农、林和牧业生产有价值的共生固氮体系，在门然界中仅限于少数微生物与有限的豆科 植物共生。研究扩人根瘤菌的共生范围，使能在其它植物上结瘤固氮。或将固氮基因导入 高等植物细胞，创建能固氮的高等植物，口给氮素营养的植物类型是非常有意义的。4、加强固氮菌遗传工程的研究从目前的研究现状来看，试图通过基因工程将固氮基因(nif)从豆科植物转移到非豆 科农作物中难度比较大，在短期内很难实现，而采用细胞工程方法将根瘤菌导入非宿主农 作物细胞内则切实可行。5、建立新的共生固氮体系曲于frankia菌具有对宿主的侵染范围宽、固氮活性比较强和对氨气不敏感等特性， 在生物固氮研究屮对frankia茵的研究将更为重要，有可能由此会找到新的突破口。在 frankia菌与农作物之间建立起新的共生固氮体系将具有更大的可能性9。随着生物科学的快速发展和对环境保护的日益重视，固氮菌必将引起更多的关注与研 究，固氮微生物在农业发展、环境保护、工业生产等方面的应用将更加深入的展开，人类 也将从屮获益匪浅。参考文献