肥料微生物多样性

肥料微生物多样性第1页/共121页工业固氮高能固氮生物固氮有机氮合成氨化作用硝化作用反硝化作用O2不足硝化细菌反硝化细菌亚硝酸盐一、氮素循环与固氮微生物第2页/共121页微生物在氮循环中的作用1.固氮作用：大气中的氮被转化成氨（铵）的生化过程4.氨化作用：有机氮化合物被微生物的分解转化成氨(铵）的过程2.硝化作用：在好氧条件下氨态氮经硝化细菌氧化成硝酸盐的过程。3.同化性硝酸盐还原作用：指硝酸盐被生物体还原成铵盐并进一步合成各种含氮有机物的过程。第3页/共121页5.铵盐同化作用：以铵盐作营养，合成氨基酸、蛋白质和核酸等有机含氮物的作用，称为铵盐同化作用。6.异化性硝酸盐还原作用：指硝酸离子充作呼吸链(电子传递链)末端的电子受体而被还原为亚硝酸的作用。7.反硝化作用：又称脱氮作用，指硝酸盐转化为气态氮化物(N2和N2O)的作用。8.亚硝酸氨化作用：指亚硝酸通过异化性还原经羟氨转变为氨的作用。第4页/共121页重点内容：生物固氮第5页/共121页Someestimatesoftheamountofnitrogenfixedonaglobalscale.Thetotalbiologicalnitrogenfixationisestimatedtobetwiceasmuchasthetotalnitrogenfixationbynon-biologicalprocesses.TypeoffixationN2fixed(1012gperyear,or106metrictonsperyear)Non-biological

Industrialabout50Combustionabout20Lightningabout10Totalabout80

Biological

Agriculturallandabout90Forestandnon-agriculturallandabout50Seaabout35Totalabout175Datafromvarioussources,compiledbyDFBezdicek&ACKennedy,inMicroorganismsinAction(eds.JMLynch&JEHobbie).BlackwellScientificPublications1998.第6页/共121页大气氮：约1015吨雷电、车辆尾气等：占5%生物固氮占：70%土壤氮工业固氮约占20%第7页/共121页1997年美国农田氮的输入和作物吸收的氮来源氮量（Mt）商业化肥11.3豆科作物固定6.2其他2.1总数19.6作物吸收11.7作物吸收（%）60第8页/共121页绿菌门甲烷菌所有能固氮的生物均为原核微生物第9页/共121页自生固氮微生物共生固氮微生物联合固氮微生物固氮微生物的类型：第10页/共121页自生固氮微生物固氮微生物在土壤或培养基中自由生长时就可以固定分子态氮，对其他生物没有依附作用，这类群的微生物称为自生固氮微生物。已发现具有自生固氮作用的微生物有50多个属，均为原核生物，有厌氧菌、好氧菌，其中固氮梭菌属、固氮菌属和固氮蓝细菌最为常见第11页/共121页第12页/共121页丁酸梭菌嗜果酸梭菌拜氏梭菌巴氏芽孢梭菌克氏梭菌丙酮丁醇梭菌麦氏梭菌固氮梭菌属（Clostridium)——厌氧芽孢杆菌第13页/共121页巴氏梭菌（C.pasteurianum)：最常见，分布广，固氮能力强拜氏梭菌(C.beijerinckii)、丙酮丁醇梭菌（C.acetobytycum）可进行丙酮丁醇发酵，生产丁醇燃料破伤风香肠中毒气性坏疽第14页/共121页第15页/共121页厌氧乙酰-COA固定CO2途径第16页/共121页固氮菌属（Azotabacter）——G-好气菌有氧条件下固定大气中的氮，细胞多形，杆状到卵圆状、细胞单个存在、成对或不规则团块、有时呈链状；不形成芽孢，但形成孢囊；可形成荚膜，菌落呈黏液状，化能异养菌，胞内有PHB颗粒，广泛分布于土壤中第17页/共121页第18页/共121页褐球固氮菌（A.chroococcum)最常见，分布较广，固氮能力较强。1901年Berjerinck分离得到细胞多形：幼时杆状，周生鞭毛；成熟后球形，有荚膜，失去鞭毛，排列成8字形或四联体。无芽孢，产生非水溶性色素，菌落呈褐色，生长后期转变为孢囊第19页/共121页自生固氮菌肥料的应用自生固氮菌肥料用于禾本科作物大田试验中，只有1/3表现增产作用，增产率在5%~10%；对蔬菜作用效果明显当土壤C/N小于（70~40）：1时，自生固氮菌固氮作用停止。因此自生固氮菌肥料应结合秸秆还田、有机肥料施用，还要保持有一定的水分、良好的通气状况和适宜的pH。第20页/共121页蓝细菌（Cyanobacteria）——产氧性光合作用的大型原核微生物

含有叶绿素a，能进行产氧光合作用的原核微生物分布广泛，“先锋生物”的美称形态差异极大,有球状、杆状和丝状等形态营养极为简单,不需要维生素,以硝酸盐或氨作为氮源,多数能固氮,其异形细胞(heterocyst)是进行固氮的场所。第21页/共121页常见的有：鱼腥藻属（Anabaesna）念珠藻属（Nostoc）柱孢藻属（Cylindrospermum）单歧藻属（Tolypothrix）颤藻属（Oscillatoria）眉藻属（Calothrix）飞氏藻属（Fischerella）席藻属（Phormidium）第22页/共121页异形胞静息孢子第23页/共121页第24页/共121页水体富营养化指水体中生物营养物质过多积累而引起的水质污染现象。目前表征水体富营养化主要是以含N、P的有机和无机化合物的浓度高低来衡量。第25页/共121页水体富营养化来源：生活污水：洗涤用品工业废水：水产养殖：第26页/共121页水体富营养化后果：藻类大量繁殖，水体透明度降低，完全依赖于光的水生生物丧失藻类进行光合作用放出O2，吸收CO2，使水体pH升高许多藻类产生藻毒素——甲藻、金藻、蓝藻中的一些种

微囊藻毒素：淡水水华中广泛存在，感毒素，小鼠半致死剂量为0.05mg/kg，氰化纳为4.3mg/Kg

贝类中毒麻痹症：双鞭甲藻产生，软体动物及鱼类能富集毒素，食用鱼将引起“肉毒鱼类中毒”

第27页/共121页/CEOHAB/Chinese4.htm恶性繁殖时“水华”(Waterbloom)，海洋里形成“赤潮”(Raltide)，有毒于海洋贝类

第28页/共121页城市生活污水占入湖总量的52-74％“五百里滇池，奔来眼底，披襟岸帻，喜茫茫空阔无边”第29页/共121页水华第30页/共121页赤潮第31页/共121页无锡太湖水污染

民以食为天，食以水为先第32页/共121页联合固氮菌有些固氮微生物与相应的植物间有较为密切的关系，但同时又不形成根瘤那样的共生结构集聚于植物根际、根表，部分还可以进入根的皮层细胞间生活。取得定居环境和必要的养料，而又以固氮产物供植物利用到目前为止，所发现的各种联合固氮细菌均能自生固氮作用，因而通常将他们归到自生固氮菌类群中。第33页/共121页常见的联合固氮微生物：螺菌科（Spirillaceae）：固氮螺菌属、草螺菌属肠杆菌科（Enterobacteriaceae）：肠杆菌属、克雷伯氏菌属固氮菌科（Azotobacteraceae）：固氮菌属、拜叶林克氏菌属芽孢杆菌科（Bacillaceae）：芽孢杆菌属假单孢菌科（Pseudomonadaceae）：假单孢菌属其他还有一些联合固氮菌属于醋杆菌科和盐杆菌科，在这众多的联合固氮菌中固氮螺菌属是被研究得最多的一类。常用的菌种是巴西固氮螺菌Azospirillumbrasilense和产脂固氮螺菌Azospirllumlipoferum。第34页/共121页圆褐固氮菌——水稻、小麦、甘蔗、玉米等作物根际及水生植物根际雀稗固氮菌——与雀稗严格联合的固氮菌联合固氮菌固氮菌属：印度拜氏固氮菌耐酸能力较强，在酸性土壤中生长的水稻和甘蔗根际数量最多拜氏固氮菌属：第35页/共121页固氮螺菌属产脂固氮螺菌聚生于玉米、甘蔗、高梁等作物的根表巴西固氮螺菌生长在水稻、大麦的根表，有时可以进入根的皮层内增殖，联合固氮量较高产碱杆菌属

粪产碱杆菌首次从我国水稻根际分离到，它能在无氮无碳的培养基中生长，以氢为能源、二氧化碳为碳源，是一种化能自养菌，与水稻根系的联合固氮效率较高，固氮产物氨或氮化物分泌到体外，直接供给水稻利用。联合固氮菌第36页/共121页在固氮酶催化机制的研究中，证明了固氮酶催化HD形成是固氮酶的普遍特性，而且是绝对依赖N2的；并提出了固氮酶的双位点放H2模式；在固氮螺菌分子遗传学研究中，建立了我国Yu62菌株的基因文库，克隆和测序了该菌的ntrBC、draTG、nifA、glnB、glnZ和flbD等基因，并分析了它们的功能；构建了能节约玉米氮肥20%的耐铵固氮基因工程菌株李季伦院士第37页/共121页共生固氮微生物共生固氮微生物只有和其他生物共生才具有最高的固氮能力，形成共生固氮的特殊组织，最常见的是根瘤，但一些共生固氮微生物在自生时也具有固氮能力，只是活性较低，如：慢生根瘤菌属。第38页/共121页共生固氮体系根瘤菌——豆科植物共生体弗兰克氏菌——非豆科植物共生体蓝细菌——其他植物共生体第39页/共121页根瘤菌—豆科植物共生体

——最高效的固氮体系根瘤菌的发现历史：1865年，俄国沃罗宁发现豆科植物根瘤中含有细菌，并指出根瘤形成是细菌侵入的结果1886年，德国赫尔利格尔和惠尔法斯证明在灭菌盆土种植豆科植物只有接种土壤悬液才能形成根瘤，豆科植物只有形成根瘤才能固氮1888年，荷兰别依林克第一次获得根瘤菌纯培养1889年，波兰波拉自摸夫斯基用根瘤菌纯培养接种豆科植物，形成根瘤第40页/共121页根瘤菌—豆科植物共生体

——最高效的固氮体系根瘤菌菌体形态：

根瘤菌呈杆状，大小为(0.5~0.9)um×(1.2~3.0)um，G-，周生或端生鞭毛，无芽孢，有荚膜，有PHB(聚β-羟基丁酸)，根瘤中的根瘤菌初为杆状，随着根瘤发育，体积增大，形状变为梨形、杆状、T形、Y形或X形，具有固氮活性，称为类菌体。第41页/共121页单作花生出现缺铁黄化严重时(69d),单作(A)和混作(B)花生成熟根瘤侵染细胞电镜观察类菌体超微结构(×13000)第42页/共121页根瘤菌—豆科植物共生体

——最高效的固氮体系根瘤菌菌落形态：

圆形，边缘整齐，稍隆起，粘稠，不透明，乳白色。不吸收刚果红。喜欢有机氮生长速度：快生、中慢生、慢生第43页/共121页第44页/共121页根瘤菌豆科植物共生体系第45页/共121页第46页/共121页田菁茎瘤第47页/共121页刺槐的根瘤第48页/共121页台湾相思树的根瘤第49页/共121页豆血红蛋白第50页/共121页第51页/共121页豆科植物根瘤菌年固氮量占生物固氮总量的65%；年平均固氮80-700kgN/ha；第52页/共121页不同豆科植物的固氮量（Werner,1992）

三叶草45-670

豌豆50-500

苜蓿90-340

羽扇豆

140-200

大豆60-300

花生50-150

小扁豆50-150

蚕豆

100-300

具喙田菁60-800

固氮树种80-500植物

固氮量（KgN/ha2/a）（最低与最高范围）第53页/共121页根瘤菌-豆科植物共生体系的其它特点：抗逆能力强，是贫瘠荒漠地区的先锋植物；根深叶茂，保水、保土及固沙能力强；为人畜提供高植物蛋白营养。第54页/共121页沙打旺国家自然科学基金（2005.1-2007.12）,研究防治荒漠化的结瘤豆科植物锦鸡儿的根瘤菌多样性第55页/共121页锦鸡儿国家自然科学基金（2005.1-2007.12）,研究防治荒漠化的结瘤豆科植物锦鸡儿的根瘤菌多样性第56页/共121页红色记忆第57页/共121页第58页/共121页第59页/共121页第60页/共121页躬身四十载，

足迹遍神州。

学问求严谨，

硕果中华名。

笑迎八十寿，

心怀天下农。

科海人无数，

今朝女英雄。第61页/共121页采集根瘤标本7000多份，分属于100多属600多种豆科植物；新记载结瘤植物300余种；分离根瘤菌5000多株(USDA收藏4016株)。第62页/共121页经多相分类研究发表2个根瘤菌新属，占1984年以后新属的1/2；18个新种，占新种的1/3；还有7个新种待发表。第63页/共121页第64页/共121页第65页/共121页第66页/共121页伯杰氏细菌系统学手册第二版中根瘤菌的分类地位：PhylumProteobacteriaphy.nov.(变形杆菌门)Class“Alphaproteobacteria”(α-变形杆菌纲)Order“Rhizobiales”(根瘤菌目)FamilyRhizobiaceae(根瘤菌科)GenusRhizobium(根瘤菌属）Agrobacterium（土壤杆菌属）Allorhizobium（其它根瘤菌属）Sinorhizobium（中华根瘤菌属）Family“Phyllobacteraceae”(叶瘤杆菌科)GenusMesorhizobium（中慢生根瘤菌属）FamilyHyphomicrobiaceae（丝微菌科）Family”Bradyrhizobiaceae”(慢生根瘤菌科)GenusBradyrhizobium（慢生根瘤菌属）GenusAzorhizobium（固氮根瘤菌属）Family“Methylobacteriaceae”（甲基杆菌科）GenusMethylobacterium（甲基杆菌属）第67页/共121页Esiferadhaerens

第68页/共121页第69页/共121页第70页/共121页第71页/共121页第72页/共121页第73页/共121页第74页/共121页第75页/共121页第76页/共121页PhylumProteobacteriaphy.nov.(变形杆菌门)Class“Betaproteobacteria”(β-变形杆菌纲)OrderI.“Burkholderiales”Family“Burkholderiaceae”GenusBurkholderiaGenusCupriavidusFamily“Ralstoniaceae”第77页/共121页第78页/共121页通过对大量菌株的分类研究，结合宿主种类和生态环境因素的综合分析修正并发展了根瘤菌“寄主专一性”和豆科植物“互接种族”的传统概念第79页/共121页一种根瘤菌只与一种豆科植物结瘤固氮——根瘤菌宿主专一性；一种根瘤菌只与一种或数种豆科植物结瘤，这群植物叫互接种族。传统观念：第80页/共121页根瘤菌常见的互接种族：苜蓿族（苜蓿根瘤菌）：包括苜蓿属和草木犀属植物；三叶草族（三叶草根瘤菌）：只有三叶草属一个属；豌豆族（豌豆根瘤菌）：包括豌豆属、蚕豆属、山黧豆属、兵豆属和鹰嘴豆属植物；菜豆族（菜豆根瘤菌）：包括四季豆属中四季豆等植物；大豆族（慢生大豆根瘤菌、费氏中华根瘤菌）：只有大豆属一个属；豇豆族（豇豆族根瘤菌）：包括豇豆、花生、绿豆、赤豆等植物；紫云英族（紫云英根瘤菌）：只有黄芪属一个属（包括紫云英、沙打旺等）。第81页/共121页豆科植物与根瘤菌共生关系的多样性(1)宿主共生菌属/种地理分布大豆3属7种中国不同地区胡枝子2属4种2属2种（北京）1属2种（美）紫穗槐3属4种中国不同地区菜豆1属4种2种(法)1种(墨)1种(哥伦比亚)田菁2属3种1种(墨)2种(塞内加尔)牧豆金合欢2属3种2种(苏丹)1种(塞内加尔)第82页/共121页豆科植物与根瘤菌共生关系的多样性(2)共生根瘤菌

蝴蝶豆、野百合等9属12种植物慢生分离地生长速度种名B.japonicum山蚂蝗、猪屎豆等8属18种植物快生R.hainanense苦豆子、锦鸡儿等6属8种植物中慢生M.tianshanense寄主海南海南新疆第83页/共121页陈先生的看法是：根瘤菌与宿主植物的共生关系因生态环境的差异而具有很大多样性。第84页/共121页根瘤菌接种、选种新见解：对某种植物扩大选择根瘤菌的范围；要针对植物品种选择最佳匹配的根瘤菌；要针对种植环境选择最能适应的菌株。第85页/共121页—将豆科植物—根瘤菌共生体系的应用纳入西部大开发规划建议陈文新李季伦陈华癸李阜棣第86页/共121页以牧草为例在我国40亿亩草场改良中单播或混播豆科牧草，接种最适根瘤菌：1）每亩至少增产100kg干草，增值120元；2）苜蓿根深9米以上，高效保持水土；3）年固定20kg氮/亩，大大增加土壤肥力。第87页/共121页其它农林牧生产领域——粮食、油料、蔬菜、饲料、绿肥、中草药、林业等领域，扩种豆科植物，接种最适根瘤菌，单作或与禾本科间作、套种、轮作，可大大减少氮肥用量，减轻环境污染，提高产量。其经济效益、生态效益及社会效益无法估量。第88页/共121页苜蓿品种(RS)接种实验对照对照接菌接菌第89页/共121页结瘤实验接菌对照土壤对照接菌第90页/共121页对照接种第91页/共121页豆科植物/禾本科植物间作效应（引自朱有勇）第92页/共121页第93页/共121页020406080100120140塑料尼龙网间作15N吸收量(mg/pot)蚕豆小麦小麦蚕豆间作体系15N吸收量李隆第94页/共121页籽粒产量(kg/hm2)增63.7%增17.3%（引自张福锁等）第95页/共121页第96页/共121页紫花苜蓿与老芒麦间作效果103.94%38.90%87.16%83.77%101.87%93.81%13.41%24.09%第97页/共121页老芒麦田间干草产量（kg/ha）010002000300040005000间作单作2007年第一次刈割不施肥施肥74.12%40.10%第98页/共121页第99页/共121页我们认识到禾本科为豆科解决了氮阻遏的障碍，不仅增加固氮量，豆、禾双高产，还可减少病虫危害，相互作用机制正研究中。我们更有信心要发挥豆科——根瘤菌共生体在农、牧业生产中的作用。第100页/共121页豆科植物/禾本科植物轮作效果不施肥，玉米、豆轮作，玉米增产235-265kg/ha种草木樨后，小麦、谷子、高粱等增产40-100%第101页/共121页豆科与非豆科的轮作套种的经济效益1995年，江苏如皋市龙合乡70公顷棉花、荷兰豆轮作增产情况：荷兰豆嫩荚产7500kg/ha干豆粒2250kg/ha皮棉1350kg/ha产值4.8万元（合3200元/亩）

第102页/共121页弗兰克氏菌——非豆科植物共生体Frankia:G+,中温，好气菌。无气生菌丝，在基内菌丝末端形成孢囊，纵横分裂成孢子。菌丝末端膨大形成泡囊，为固氮“器官”。自生、共生均可固氮与木本双子叶植物共生固氮，形成根瘤。与Frankia共生固氮的植物国外报道有8科21属190种，我国8科，80多个种。如：杨梅、桤木、木麻黄、沙棘等第103页/共121页NitrogenfixingFrankiavesicleclustersinsidethenodules.(CourtesyC.Y.Li)第104页/共121页ActinomyceteRootNodulesfromAlder(Alnus):Similarnodulesmayfixmoreatmosphericnitrogenthanlegume/RhizobiumNodules

桤木根瘤第105页/共121页第106页/共121页Alnusglutinosa（桤木

）andFrankiaroot第107页/共121页蓝细菌——其他植物共生体蓝细菌(蓝藻)中的许多种属除能自生固氮外，念珠藻属、鱼腥藻属等属的蓝细菌与部分苔藓类植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物可建立具有固氮功能的共生体第108页/共121页蓝细菌同真菌的共生——地衣

在1700~l800种地衣中，约8％含有蓝细菌，主要是念珠藻，有些共生体则是眉藻(Calothrix)、伪枝藻(Scytonema)和飞氏藻(Fischerella)。

地衣生长缓慢，Peltigera属地衣的最快生长量每年只有2—3cm。但是它们在自然界分布广泛，能够在极端环境中生长，在表面温度为0℃的极地可以固氮。地衣也能忍受长期干旱，干燥后再吸水时固氮酶活性可迅速恢复。在地衣Peltigeraaphthosa中，念珠藻将所固定氮量的95％以氨的形态分泌出采，供共生伙伴吸收。第109页/共121页第110页/共121页第111页/共121页给沙漠铺上生物地毯中国地衣学之父——

魏江春院士给沙漠铺上生物地毯2001年自然科学基金委员会正式申请了“中国西部荒漠地衣及其固沙生物学研究”第112页/共121页“以干旱半干旱荒漠地区特有的、自然形成的地毯式微型生物结皮为‘模版’，通过现代生物技术予以‘复制’，为流动的沙漠铺上微型生物结皮式的‘地毯’，从而实现控制流沙、治理沙漠化的目标。”给沙漠铺上生物地毯第113页/共121页蓝细菌同苔藓植物的共生主要是鱼腥藻和念珠藻已知有5属苔藓植物含有蓝细菌，对其中角苔