固氮菌作为非豆类生物肥料的应用：前景与挑战 生物技术专业

固氮菌作为非豆类生物肥料的应用：前景与挑战摘要：固氮（NF）细菌与豆科植物形成共生关系并固定大气中的氮的潜力已在田间得到开发利用，以满足后者对氮需求。这种现象提供了一种氮肥使用的替代方案，数十年来，氮肥过多和不平衡使用造成了温室气体的排放（N2O）和地下水浸出。最近，研究发现非豆科植物，如水稻，甘蔗，小麦和玉米形成多种固氮细菌的扩展生态位。这些细菌在植物中繁殖，成功地定植在根，茎和叶上。在缔合期间，入侵的细菌使获得的宿主受益，植物的生长，活力和产量得到显著的提高。随着人口的增加，对非豆科植物产品的需求也在增长。在这方面，非豆科植物中固氮菌群的丰富度及其与宿主的相互作用程度无疑显示出其是开发含氮肥料的生态友好替代品的希望。在这篇综述中，我们讨论了与各种非豆科植物相关联的固氮菌，并强调它们促进宿主植物生长和提高其产量的潜能，此外，还简要介绍了观察到的这些固氮细菌的促植物生长特性及其与寄主植物的相互作用方式。关键词：生物固氮（BNF）；固氮（NF）细菌；内生菌；根瘤菌；非豆科植物；促进成长前言禾本科的非豆科植物如水稻，玉米和小麦是世界上约65亿人口的主食。世界人口的指数增长表明需要增加作物产量。根据联合国粮食及农业组织的数据，预计2008年世界谷物产量将增长2.6％，达到创纪录的21.64亿吨。作物产量的增长是化肥（N，P，K）结合先进技术的任意使用的结果。非豆类作物的氮肥施用是农业中最昂贵的投入之一。但是，由于气体排放，径流，侵蚀和浸出，植物-土壤系统损失了大约65％的应用矿质氮。该损失对环境的影响从温室效应，平流层臭氧和酸雨到全球氮循环的变化以及地表水和地下水的硝酸盐污染（RejesusandHornbaker1999）。随着对与环境相关的关注度日益增加，人们正采用各种替代方法来减少植物养分对氮肥的依赖。在此情况下，在农业实践中使用固氮细菌越来越重要。固氮细菌可以自由存在或共生，无论哪种情况下都可以捕获大气中的氮并将未反应的N2分子转化为植物容易利用的NH3形式，此过程称为生物固氮（BNF），并通过以下由细菌内存在的对氧敏感的酶固氮酶催化的反应：在非豆科植物体内部和周围发现了丰富的固氮细菌菌群。在植物内繁殖而未引起任何明显疾病的固氮细菌种群称为“内生菌”，而从植物根围分离出的固氮细菌种群称为“根围细菌”。有人指出内生菌处于比根围细菌更有利的环境中，因为它们不易受与其他土壤细菌竞争的攻击，并且不易受各种生物和非生物胁迫的影响（Reinhold-HurekandHurek1998）。此外，内生菌可获得宿主体内直接提供的营养元素和低水平的O2因子，有助于最佳的固氮酶活性的维持。作为回报，内生菌通过生物固氮和促进生长的物质促进宿主植物的生长发育（SevillaandKennedy2000）。显然，这种密切的联系使研究人员能够预期这些细菌在可持续农业发展中的应用。在我们的综述中，根据过去十年的发展情况，我们讨论了固氮细菌（内生/根围）与非宿主禾本科作物共生的自然趋势有和促进它们生长发育的情况。我们还阐述了在相互作用过程中负责促进宿主植物生长的细菌的各种促进生长活动。固氮细菌的扩展生态位根瘤菌（根瘤菌属，中慢生根瘤菌属，慢生根瘤菌属，固氮根瘤菌属，异根瘤菌属和中华根瘤菌属）作为一种存在于豆科植物的天然内生菌已被广泛记载。然而，内生菌的领域不仅限于豆科植物。在过去的十年中，从世界各地的各种非豆科植物中分离出大量内生菌，每克新鲜组织的内生菌数量为106至107个细胞（Yannietal，1997；Muthukumarswamyetal，1999；Mirzaetal.2001）。与豆科植物-根瘤菌的相互作用不同，内生菌不仅限于非豆科植物内的特定区域，而是发生于植物的主根，茎和叶中。为了分离内生菌，使用次氯酸钠或氯化汞系统地对植物表面（根，芽）进行表面灭菌。Reinhold-HurekandHurek（1998）已经综述了从非豆科植物中分离内生菌的各种表面灭菌技术及其效率。然后，将经过表面灭菌的植物部分的提取物铺在无氮培养基上。通过再接种无菌水稻幼苗验证被分离细菌作为内生菌的能力（Yannietal,1997；Prayitnoetal.1999）。根据分离出的内生菌重新感染宿主植物并满足“Koch”假设的能力，它们被称为“真正的内生菌”（Reinhold-HurekandHurek1998）。Koch的假设陈述了确定某些细菌是否为致病因子的标准。这些标准之一是从受感染的植物中重新分离引起疾病的细菌。如果内生菌与植物相互作用，则应从受感染的植物中重新分离出接种负责促进植物生长的细菌。最新的分离方法包括直接分析从含有内生菌的源植物组织中获得的细菌基因序列（Engelhardetal，2000；Hureketal，2002）。通过这种技术，Conn和Franco（2004）在小麦中建立了更大的内生菌多样性,不同于用通过纯培养的方法获取。纯培养法给予特定细菌群一定的选择优势，因此无法提供内生菌群的完整概况。Knauthetal.(2005)开发了基于信使RNA（mRNA）的固氮酶（nifH）基因分析，并在水稻根系相关的nifH表达群落中获得了显着的品种差异。相似地，Zhangetal.(2007)使用基于nifH基因的短寡核苷酸芯片分析了纳米比亚野生稻根中的固氮菌重氮营养。他们的结果表明，在他们鉴定的总的重氮菌中，有一小部分种群在宿主体内活跃地固氮。根瘤菌接种促进植物的生长与发育分离的内生菌在农业综合产业中的重要性取决于它们在促进宿主植物在田间生长和发育中的表现。在限菌的盆栽和田间条件下进行的各种实验说明了一些分离的内生菌对获得宿主的生物肥育作用(Yannietal.1997,2001;Matthewsetal.2001;Muthukumaraswamyetal.2005,2007).内生菌被用作植物（非豆科植物）的菌剂，被证明是一种有效的氮源，可以在水稻和其他谷物的种植中部分替代尿素氮(Yannietal.1997;Baldanietal.2000;Govindarajanetal.2007).通过根瘤菌接种促进植物生长（包括植物生物量的增加），说明了生物肥育作用。根瘤菌接种促进植物生长涉及增加植物的生物量，氮含量，籽粒产量和在稻草中的转移效应以及接种菌在缺氮和含氮土壤中的持久性(Yannietal.1997,2001;Biswasetal.2000a,b;Pengetal.2002)。表1显示了在致病菌，温室和田间条件下，不同固氮细菌利于其谷物宿主的相对能力。Yannietal.（1997）从埃及水稻根分离了11株三叶草结瘤菌、豆科根瘤菌bv，Trifolii来自埃及水稻与三叶草轮作几代种植的水稻的根部。在致病菌和田间条件下TrifoliiE11和E12对水稻品种Giza的接种显着提高了的总氮含量（置信度为95％），水稻的籽粒氮含量和收获指数（置信度为99％）(Yannietal.1997,2001;Biswasetal.2000a,b).田间植物的总产量和氮积累每公顷分别增加了3.6t和19-28％(Yannietal.1997,2001;Biswasetal.2000a).观察到，根瘤菌接种增强了气孔导度，从而使水稻品种的光合作用速率提高了12％，其中水稻单产显著提高了16％。这表明在零氮水平下，谷物产量的提高与光合速率之间存在正相关关系(Pengetal.2002)。显然，他们认为某些根瘤菌菌株可以通过提高单叶净光合速率的机制来促进水稻的生长和产量。另一方面，某些根瘤菌分离株抑制了水稻幼苗的生长和发育(Prayitnoetal.1999;Perrineetal.2005)。这种抑制作用是在以硝酸盐/亚硝酸盐作为培养基中唯一存在的氮源的情况下发生的。PerrineWalker等(2005,2007a)假设在这些菌株中观察到的抑制作用是由于细菌pSymA质粒中的基因编码的硝酸盐代谢酶所致。这些酶的活性使硝酸盐还原为亚硝酸盐，随后积累了一氧化氮（NO），从而抑制了植物的生长。有趣的是，由于存在附加还原酶，促进植物生长的根瘤菌（PGPR）R.trifoliiR4能够将NO进一步还原为N2(nitrous/NO;Perrineetal.2007a)。在大多数实验中，初始接种密度为108-109个细胞/毫升的菌液足以在接种的植物中获得最佳生长响应(Yannietal.1997,2001;Biswasetal.2000a,b;Chaintrueletal.2000)。然而，可以采用了不同的技术在温室或田地中对植物进行接种。常用的方法包括：在播种前将种子或幼苗的根浸入肉汤培养基中，将细菌悬浮液直接施用到土壤中，对甘蔗的苗木进行接种，接种菌种衣剂，并用细菌悬浮液进行叶面喷洒(Yannietal.1997,2001;Muthukumarasamyetal.1999;Baldanietal.2000;Biswasetal.2000a,b;Gutierrez-ZamoraandMartinezRomero2001;Matthewsetal.2001;Riggsetal.2001;Fengetal.2006)。不幸的是，目前尚不清楚这些技术中的哪种技术能最有效地使细菌作用于植物，使其在生长和生产方面达到最大产量。以前的研究显示，对很多重要商业作物如水稻，甘蔗和小麦的内生菌接种可以减少耕作中的氮肥投入(Yanniatel.1997,Baldanietal.2000,Matthewsetal.2001,Salehetal.2001;Govindarajanetal.2006,2007)。Yanni（1997年）在水稻田除R.trifolii外使用了所建议施氮量的三分之一，稻田的粮食与在施用完全推荐的肥料剂量（每公顷144kgN）的稻田获得的谷物产量等价。相似地，在甘蔗中接种伯克霍尔德氏菌（Burkholderiasp.）MG43所产生的效率要比将肥料从一半增加到建议的完全施用量增加很多，从而节省了约每公顷∼140kgN肥料的成本(Govindarajanetal.2006)。草螺菌（Herbaspirillum）是一种广泛宿主的内生菌，可寄生于甘蔗，水稻，小麦，高粱和其他谷物。Baldani等（2000年）测试了80种不同的从水稻，玉米和高粱中分离出来的H.seropedicae菌株，以筛选适合接种水稻的菌种。他们观察到了12％的测试菌株使水稻鲜重比对照增加100％的超调现象。在连续的实验中，只有少数几个菌株可以保持其性能。在温室中，草螺菌可显着提高水稻产量（以5％的概率水平），达到每株植物7.5克(Mirzaetal.2000)。此外，接种H.seropedicaeZ67的耐铝水稻品种的根部氮含量显着增加29-61％，芽中氮含量显着增加37-85％(Gyaneshwaretal.2002)。同样，伯克霍尔德氏菌是另一种内生菌，在该领域已被广泛研究。在田间不同形式的细菌（根围和内生菌）可使每公顷稻谷产量提高0.5-0.8t，每株植物生物量提高22mg(Baldanietal.2000)。这相当于比未接种的对照植物增加了69％的植物生物量。伯克霍尔德氏菌PsJN菌株需要类似于nadC的基因来促进马铃薯试管苗生长(Wangetal.2006).nadC基因编码喹啉酸磷酸核糖酰转移酶（QAPRTase）。QAPRTase的酶活性是催化烟酰胺二核苷酸的从头形成，并形成烟酸单核苷酸（NaMN）作为副产物。nadC突变体无法合成中间底物NaMN，从而无法促进宿主植物的生长。但是，通过在体外的培养基中补充添加商用NaMN（10-100μM），可以恢复PsJN突变体的生长促进活性。除了促进生长外，B.phytoformisPsJN还使接种植物比无细菌植物对照更具耐寒性(Barkaetal.2006)。表1固氮细菌与非豆科植物结合的优势宿主植物内寄生菌/重氮菌剂定殖栽培条件增长百分比参考文献生物固氮a水稻固氮弧菌草根限菌16（总干重）Reinhold-HurekandHurek1997;Engelhardetal.2000伯克霍尔德菌根温室68（地上部分生物量）19（种子生物量）Baldanietal.2000光合慢生根瘤菌根围(以内寄生菌形式生存)限菌20(植物总生物量)Chaintrueletal.2000醋杆菌茎，根限菌30（总干重）Muthukumarasamyetal.2005,2007草螺菌seropedicae根限菌38-54（根生物量），22-50（地上部分生物量），37.6（植物干重），52–112，71（鲜重与干重）Elbeltagyetal.2001,Gyaneshwaretal.2002,Jamesetal.2002,Baldanietal.2000粘质沙雷氏菌根，茎限菌23（总干重）Gyaneshwaretal.2001玉米伯克霍尔德氏菌sp.茎，根，根围温室、田间36-4、5.9-6.3（产量）Estradaetal.2005,Riggsetal.2001巴西固氮螺菌根、茎温室13-25(产量)Riggsetal.2001甘蔗重氮营养醋杆菌根、茎盆栽试验18.83–49.86(植物生物量)Sumanetal.2005,2007H.seropedicae,H.rubrisubalbicans—温室35(干物质)Oliveiraetal.2002PGPRa水稻豆科植物根瘤菌bv.trifolii根温室和田间15–22,8–22（粒产量）Yannietal.1997,2001;Biswasetal.2000a,b越南伯克氏菌根围苗圃盆栽试验，田间23和59(芽/根重)，19(产量)，13-22(产量)TrânVanetal.2000小麦R.trifolii根盆栽试验24(小麦芽干物质和籽粒产量)Hilalietal.2001纤维菌sp.根围温室，田间33（根系生长）EgamberdiyevaandHöflich2002玉米R.trifolii根温室，田间34(产量)、11(产量)Riggsetal.2001中华根瘤菌sp.—温室49-82（产量）Riggsetal.2001A.螺菌根盆栽试验、田间50-90，33(粮食产量)Dobbelaereetal.2001R.etlibv.phaseoli根限菌20-45(总生物量)Gutierrez-ZamoraandMartinez-Romero,2001H.seropedicae根温室、田间49–82(产量),19.5(产量)Riggsetal.2001假单胞菌sp,根限菌11.7(总生物量)Shaharoonaetal.2006甘蔗G.重氮营养菌微繁殖温室26(植物干重)Muñoz-RojasAndCaballeroMellado(2003)生物固氮+PGPR水稻泛菌属成团泛菌根芽组织限菌63.5（总生物量）Vermaetal.2001;Fengetal.2006G.重氮营养菌LMG7603，H.seropedicaeLMG6513，产脂固氮螺菌4BLMG4348和越南伯克霍尔德氏菌LMG10929的组合—盆栽、田间9.5,23.6Govindarajanetal.2008越南伯克氏霍尔德菌MGK3根，芽盆栽、田间5.6–12.16(产量)Govindarajanetal.2008小麦H.seropedicae种子温室49–82（总生物量）Riggsetal.2001甘蔗越南伯克霍尔德氏菌根围、茎、根田间19.5(产量)Govindarajanetal.2006G.重氮营养菌根、茎田间13–16（产量）Govindarajanetal.2006H.seropedeceae根、茎田间5-12（产量）Govindarajanetal.2006阴沟肠杆菌根限菌55和70（根和芽生物量）Mirzaetal.2001克雷伯氏菌sp.GR9根、茎田间13-19.5(生物量)Govindarajanetal.2007a促进生长的机制：生物固氮指生物固氮，PGPR指促进植物生长的根瘤菌活性（以上各菌种名字均由网络或文献查得其中一些不是很准确或没有中文名字）在寒冷条件下,与未接种的植物相比,B.phytoformisPsJN可以提高葡萄属酿酒葡萄的光合作用活性和淀粉积累（P<0.05）。抗逆性的增强是细菌定植使植物中在适应胁迫过程中起着重要作用的脯氨酸和酚类含量的升高所引起的。(Barkaetal.2006)。酚类物质的升高是宿主植物由于细菌入侵而引起的一种应激反应，在水稻与内生菌的相互作用的过程中也观察到过此现象(Mishraetal.2006)。内生菌用于盆栽或田地中的植物接种，可单独施用或作为混合物施用。用作接种物的细菌分离株混合物在植物生长和发育方面具有协同效应(Govindarajanetal.2008).Govindarajan等（2008年）使用了浓度为每毫升10个菌落形成单位的H.seropedicaeLMG6513，产脂固氮螺菌4BLMG4348，重氮营养葡糖酸醋杆菌LMG7603和越南伯克霍尔德氏菌LMG10929的混合物接种5天龄未感染的水稻幼苗。在所有测定中，混合菌剂的效果最佳，产量提高了14.4％(Govindarajanetal.2007)，而单株平均增产6.2％。然而，在使用混合菌剂时，每种菌株在混合物中彼此的相容性决定了接种物在促进植物生长方面的总体性能。当施用到甘蔗上时，接种重氮营养葡糖酸醋杆菌LMG7603，无乳固氮螺菌和伯克霍尔德菌的混合物比单独接种越南伯克霍尔德氏菌MG43和重氮营养葡糖酸醋杆菌LMG7603的产量要低(Oliveiraetal.2002;Govindarajanetal.2006)。但是，在水稻中，与接种上述混合物相比，接种重氮营养菌LMG7603越南伯克霍尔德氏菌LMG10929，H.seropedicaeLMG6513和产脂固氮螺菌4BLMG4348的混合物表现出更高的生长响应。尽管Govindrajan等人（2007）使用混合物的性能尚未在甘蔗中进行评估，这些研究强调了为使植物获得更高的性能在混合接种物中选择菌株的重要性。

人们已经意识到内生菌在农业综合产业中的潜力，像巴西这样的国家已经采用了在非豆科植物栽培中使用促进植物生长的细菌的方法。随着大量对非豆类如水稻，小麦，玉米和甘蔗的生长和发育具有积极作用细菌的分离和鉴定，使这些植物开发有效的微生物生物肥料前景光明。然而，要广泛采用此种做法，要求对在不同地点和不同轮作中观察到的生产变异性进行严格分析。内生菌促进植物生长：机制研究据推测，宿主植物在内生菌与植物的相互作用中所产生的有益作用是（1）定植细菌产生的生物固氮和（2）根瘤菌产生的促进植物生长的物质的结果。在某些情况下，可观察到上述两种机制的累积参与。表1总结了被提出过的不同内生菌促进宿主植物的生长所产生的不同机制。氮累积氮是许多农业生产系统中最重要的限产元素。众所周知，在豆类中，共生细菌的生物固氮可提供大量植物所需的氮。当固氮细菌在非豆科植物中作为内生菌共存时，植物的总氮含量会均匀上升。接种过的非豆科植物中的氮积累可能是以下因素造成的：生物固氮(Boddeyetal.1995;Elbeltagyetal.2001;Oliveiraetal.2002)或土壤中氮吸收增加(Yannietal.1997;Prayitnoetal.1999)。巴西科研人员们多年来进行的系统研究发现，尽管氮供应不足，但几十年甚至一个世纪以来种植的甘蔗品种并未显示出土壤氮储备或单产下降(Boddeyetal.1995)。某些甘蔗品种中发现，在没有氮肥情况下，进行良好灌溉及施肥种植（给与适当供应钾和磷），第一年每公顷产量增加了170至230t。在品种CB45-3，SP70-1143和Krakatau的甘蔗中，在随后的3年中产量呈持续增加的趋势。在这些品种中，氮积累的60％至80％是由于生物固氮。人们已使用了不同的方法证实了内生菌在宿主体内固定大气中氮的能力，例如：乙炔还原检测，15N同位素稀释实验，15N2还原检测或15N天然丰度测定。Dalton和Kramer（2006）讨论了这些测定的实验细节和缺点。这些实验最终表明，水稻中每株宿主植物（六周龄幼苗）的氮素含量高达30-45mg，而甘蔗每年每公顷氮素含量为170kg，出现此种现象的原因是生物固氮(Boddeyetal.1995;Iniguezetal.2004)。在野生稻品种Oryzaofficinalis中，用乙炔还原法和掺入15N2气体来确定接种内生草螺弧菌(Herbaspirillumsp.)菌株B501后的植物体内氮的固定。N2的掺入百分比为381，而未接种植物比例为0.4，这证明了水稻中草螺弧菌Herbaspirillumsp.B501菌株的固氮作用(Elbeltagyetal.2001)。另一个例子是生长促进内生菌伯克霍尔德菌侵染水稻，其中据估计31％（每株植物372μgN）的水稻植物的氮来自生物固氮(Baldanietal.2000)。众所周知，重要的商品水稻印度香米和超级印度香米也通过接种草螺菌和固氮螺菌受益(Mirzaetal.2000)。在温室试验中，这些水稻品种从大气中获得它们氮需求量的19％和47％。在另一个实验中，Oliveira等人（2002年）用每毫升含2×105个细胞的最初从甘蔗中分离出的5种不同的固氮细菌菌株接种微繁殖甘蔗。这些菌株以各种组合方式一起使用。在温室中驯化45天后，将幼苗移至装有N15的盆栽中，以通过N15同位素稀释技术评估固氮能力。与未接种对照组相比，细菌接种的总生物量（接种后400天，每株植物645g）最大增加39％。在此过程中，接种的细菌通过生物固氮吸收了30％的氮(Oliveiraetal.2002)。同样，在微繁殖甘蔗的根部接种的产生植物激素的甘蔗的重氮型肠杆菌通过大气固定吸收了29％的氮（Mirzaetal.2001）。在上述所有情况下，接种后定植并侵入植物的细菌参与了氮的固定(Boddeyetal.1995;Oliveiraetal.2002)。即使在草丛中，也记录了通过细菌定殖的固氮作用，尽管固氮的量比水稻或甘蔗要低(Iniguezetal.2004)。与接种nifK-突变株BHNKD4的植物相比，接种野生固氮弧菌的植物具有更高的干重，较低的N15和较多的氮（1.4毫克）(non-NF;Hureketal.2002)。他们利用氮平衡研究推测，氮含量的差异不是由于盆栽介质吸收氮引起的，而是因为进行实验的土壤超过8个月未施氮。在分子水平上，使用定殖于非豆科植物的内生菌的突变体nif来确定宿主-内生菌相互作用中的生物固氮(Iniguezetal.2004;Hureketal.2002;deCamposetal2006)。在缺氮培养基中生长并接种肺炎克雷伯氏菌324的非固氮nifH突变体的水稻植株与接种野生型肺炎克雷伯氏菌的批次相比显示出严重氮缺乏迹象(Iniguezetal.2004)。接种了野生型的K.肺炎克雷伯菌的植物同化了42％的氮，其中41％来自大气的氮。与先前的情况相反，接种了具有增强的体外固氮能力的巴西固氮螺菌Sp7::Tn5-33突变株的水稻植株，每株植物干物质累积351mg(deCamposetal.2006)。这种积累相当于用额外5mMNH4NO3处理的对照植物。这些科研人员的观察结果突出了固氮细菌在植物中积累的氮与促进生长之间的相关性。随后，Hurek等（2002年）从接种的Kallar草根中分离出85个核苷酸长的nifHpoly（A）mRNA，表明固氮弧菌BH72在植物中表达固氮酶基因的代谢活性。在同一样品种，从接种草根中分离出的nifH基因可以扩增，而对照植物中nifHmRNA的水平还不够高，无法检测。BH72nifH在受试植物中可以表达，但在对照植物中不表达，说明接种植物的植物氮源来自固氮弧菌固氮。尽管禾本科植物没有为参与生物固氮通路的酶的功能创造一个有利的体内环境的特征，但内生菌在宿主内可成功表达固氮结构基因nif。在小麦，玉米，高粱和水稻根的表皮细胞，根皮质细胞间区和维管组织中检测出编码固氮酶铁蛋白的基因的表达(Hureketal.2002;Egeneretal.1999;RoncatoMaccarietal.2003)。实际上，在O.officinalis7天的幼苗中，定殖的草螺菌sp.B501gfp的nifH转录遵循生理节律（Youetal.2005）。在光亮阶段，nifH基因的转录水平达到了黑暗阶段的100倍。这是矛盾的，并且与所谓的“氧气悖论”背道而驰，因为光照阶段会产生好氧条件（21％O2）。在此阶段，尚不知道在这种情况下酶活性是如何被保护的。但是，You等（2005年）认为可能是为了获得在光照期间产生的光产物的最大益处的内生菌适应现象。内生菌的其他PGPR活性一些科研人员观察到，接种细菌的植物中总体的生长促进和氮同化作用不仅仅是由于内生菌引起的生物固氮所致。在使用未灭菌的土壤进行的大量温室和田间试验中，Riggs等人（2001）观察到，在温室条件下，接种了H.seropedicae的玉米种子中，施用氮肥的玉米产量提高了49％至82％，而没有施肥的玉米产量仅提高了16％。这表明除生物固氮以外的其他因素的参与，可提高玉米植物利用有效氮肥的能力(Yannietal.1997,2001;Chaintrueletal.2000)。同样，Sevilla等（2001年）还提出了除N固定外其他生长促进因子的参与，因为A.重氮营养菌的野生和nifH-突变体都在氮存在下促进了甘蔗的生长。此外，在R.trifolii或缓生根瘤菌与水稻的联系中，没有证据表明细菌会固定植物中的氮(Yannietal.1997,2001;Chaintrueletal.2000)。大多数具有植物生长促进特性的内生菌是植物激素的生产者：吲哚乙酸，赤霉素和细胞分裂素(Biswasetal.2000a,b;Yannietal.2001,Vermaetal.2001)，铁载体螯合体(Yannietal.2001;Vermaetal.2001)，磷酸盐增溶酶(Vermaetal.2001)，重组1-氨基环丙烷-1-羧基脱氨酶(Khalidetal.2005)。细菌产生的生长激素促进了侧根的发育，提高根瘤菌对植物养分的吸收。ACC脱氨酶产生的假单胞菌spp.在氮存在的情况下使玉米植株的株高，根重和总生物量显着增加(Shaharoonaetal.2006)。PGPR产生的ACC脱氨酶降低了乙烯的直接前体ACC，从而降低了乙烯的水平。在根中和根的周围较低水平的乙烯依次促进了根的生长和伸长(Glick1995)。根围细菌在体外释放植物生长素和ACC脱氨酶与促进宿主植物的生长呈线性相关(Khalidetal.2005)。随后，吲哚-3-乙酸和ACC脱氨酶的生产被用来作为鉴定和筛选内生菌的工具(Khalidetal.2005;Shaharoonaetal.2006)。非豆科植物-根瘤菌互作尽管在非豆科植物中广泛存在内生菌，但有关内生菌与宿主相互作用的机理数据很少。固氮细菌对非豆科植物的感染和定殖与豆科植物根瘤菌共生有显着差异。已在许多情况下使用荧光标记的内生菌，抗体，荧光显微镜，扫描和透射电子显微镜等各种技术，对细菌进入宿主植物的途径进行了跟踪和评分(Prayitnoetal.1999;Chaintreuiletal.2000;Jamesetal.2001;Vermaetal.2004;Perrie-Walkeretal.2007b)。在接种非豆类后90-120分钟，可在主根表面观察到绿色荧光蛋白（GFP）标记的根瘤菌菌株ANU843，E4和R4(Prayitnoetal.1999;Perrie-Walkeretal.2007b)。然而，细菌需要24小时才能完全附着在根表面，此后再保持稳定2周(Prayitnoetal.1999;GyaneShwaretal.2001;Chietal.2005;Perrie-Walkeretal.2007b)。内生菌是更具侵略性的定居菌，能够胜过周围环境中的其他细菌（Vermaetal，2004）。R.trifolii水稻根部周围每克根围土壤〜1.7×106的密度下发生。（Yanni等，1997）。在侧根突出的某些区域，R.trifoliiR4处理的水稻中观察到根部卷曲的根毛，包围着大量的GFP标记的细菌（Perrie-Walkeretal.2007b）。另外，在被接种的植物中也明显存在感染线状结构。随后，细菌通过种子或营养器官传播至下一代（Vermaetal.2001）。内生菌能成功进入宿主植物的途径包括：根尖，侧根出现点处的侧根裂纹，根表皮上的损伤部位和受损的气孔(Chaintreuiletal.2000;Jamesetal2002;Sevillaetal.2001;Chietal.2005;Perrine-Walkeretal.2007b)。在拟南芥中，100％已接种H.seropedicae的植物其菌株定植在侧根(Jamesetal.2002)。根瘤菌在成功入渗后，会在整个宿主植物内部传播，而不会引起明显的植物防御反应。根的细胞间和皮质区域形成了内生菌初始定植的首选位点(Chaintrueletal.2000;Vermaetal.2004)。定植进一步扩展到根皮层的细胞间空间，再到木质部导管，再扩展到叶肉的细胞间空间(Gyaneshwaretal.2002;Roncato-Maccarietal.2003)。鉴于细菌在空气传播的机制，许多科研人员提出了“木质部易位”的理论(Jamesetal.2002;Chietal.2005)。观察到接种的甘蔗苗和温室栽培植物的木质部导管和薄壁组织（可能是韧皮部）中存在大量重氮营养菌(FuentesRamirezetal.1999;Jamesetal.2001)。此外，Chi等（2005年）观察到，带有GFP标记的苜蓿中华根瘤菌和毛萼田菁茎瘤菌ORS57的菌落伴随内生植入后，细菌上升到茎基部，叶鞘和叶片中，达到每立方厘米感染组织有9×1010根瘤菌的种群。一旦细菌渗透到植物中，细胞壁水解酶，如由产生的内切纤维素酶，多聚半乳糖醛酸酶，果胶裂解酶以及由成团泛菌，H.seropedicaeZ67，H.草螺菌产生的纤维素酶和果胶酶，其可协助宿主内细菌的入侵和传播过程(Yannietal.2001;Vermaetal.2001;Jamesetal.2002)。Compant等人的工作中也强调在伯克霍尔德菌感染酿酒葡萄中使用细胞壁降解酶内切葡聚糖酶和多聚半乳糖醛酸酶(2005)。在这种相互作用中发现一个有趣的问题，植物是如何识别有益的微生物的。目前，关于帮助内生菌抑制或避免宿主防御反应的根瘤菌因子知之甚少。然而，在这种情况下，可能还存在某种与根瘤菌-豆科植物共生类似的“群体感应”机制，这有助于建立成功的联系。水稻根瘤菌接种与植物叶片中酚酸（例如没食子酸，单宁酸，阿魏酸和肉桂酸）的积累增加有关(Mirzaetal.2001)。酚酸的这种增加是植物中与致病性的胁迫相关的一种现象(Pieterseetal.2002)。响应于根瘤菌入侵而触发的防御反应称为根瘤菌介导的“诱导系统抗性”（ISR）。ISR受茉莉酸和乙烯起关键作用的信号传导途径所控制。相比之下，病原体诱导的“系统获得性反应”受水杨酸的调节(reviewedbyPieterseetal.2002)。乙烯信号是由甘蔗中的一个受体家族触发的，以响应G.重氮营养菌和草螺菌.sp的接种。与致病性相互作用相反，推定的乙烯受体表达在有益细菌入侵期间被上调（Cavalcanteetal.2007）。他们推测，像这样SCER1受体的上调可能会降低乙烯的敏感性，从而降低植物对重氮营养菌的防御能力。从甘蔗中鉴定出的另一种受体样激酶SHR5在内生缔合过程中受到抑制。这是在内生相互作用过程中观察到的排他现象，而在致病性相互作用中则看不到。尽管尚未被更好的了解，但该激酶的产物在成功建立内生相互作用中所涉及的信号转导过程中起着作用。响应PGPR而发展的ISR信号并没有改变相互作用的建立，反而增强了入侵植物的生长和发育(Mirzaetal.2000)。研究表明，甘蔗对重氮营养菌的特异性耐受是由于宿主的某些糖蛋白与重氮营养菌的细胞结合。糖苷部分由通过β-（1-2）键连接的果糖单元组成，并且与生活在甘蔗叶片表面的附生细菌肠膜明串珠菌相比，能更有效地粘附于重A.氮营养菌(Legazetal.2000)。在Ormeño-Orrillo等人的最新研究中（2008年）,强调了根瘤菌脂多糖（LPS）在玉米的根围和根际定植过程中的作用。他们观察到，当以1：1比例共同接种时，LPS生物合成缺陷的3个转座子突变体R.tropici在与亲本菌株的竞争性根部定植过程中显着受损。另外，LPS提供了保护层，其可抵抗植物产生的许多疏水性和亲脂性抗菌化合物，因为突变体比野生型更易感。挑战和未来展望在过去的十年中，进行了大量研究以优化条件并从各种内生菌与非豆类植物的相互作用中获得最大收益。但是