张耀凯 冯晓宇
河南濮阳农业农村局 河南省 濮阳县 457100）
摘要:豆科植物包括大豆、花生等能够与土壤中的根瘤菌共生固氮，将空气中的分子态氮还原成氨进而减少氮肥的施用，对农业生产具有重要的作用。同时大豆等豆科植物也是我国主要的蛋白质和油料作物，是农业生产中优良的轮作和间套种作物。因此，本文概述了豆科植物与根瘤菌共生互作的基本过程、生物固氮对于农业生产的贡献与应用、以及部分存在的问题等，以期望充分发挥豆科植物的生物固氮作用，并为我国的可持续性农业的发展提供一些可参考的途径和依据。
关键词: 豆科植物；根瘤菌；共生固氮；可持续性农业
1前言
豆科（拉丁学名：Leguminosae sp.）属于双子叶植物纲、蔷薇目。一般为乔木、灌木、亚灌木或草本，直立或攀援，广泛分布于世界各地。豆科植物在中国境内约有1485种，各省区均有分布。其中，大豆、花生等豆科植物是人类食品中蛋白质的重要来源之一，具有重要的经济意义。此外，豆科植物还可以与根瘤菌共生互作形成固氮的根瘤，进而减少对于氮肥的依赖。因此，如何更好地利用好豆科植物与根瘤菌共生固氮，减肥增效，以促进我国的可持续农业的发展，已经成为当下的一个研究热点。
2豆科植物与根瘤菌共生互作的基本过程
根瘤菌侵染豆科植物并逐步形成可以生物固氮的根瘤是一个非常复杂的过程。近些年来，随着遗传学、分子生物学的发展，人们对于豆科植物与根瘤菌共生互作的基本过程已经有了一个较清晰的认识。
首先，在缺氮环境下，豆科植物的根部会分泌类黄酮（Flavonoid）等化合物到根际周围，土壤中根瘤菌体内的特殊蛋白，称之为Nod D，可以感知这些特殊的类黄酮物质，然后诱导根瘤菌结瘤基因表达、合成并释放结瘤因子(Nodulation factors, NFs)。结瘤因子NFs是一类脂质寡聚糖信号分子，可以被豆科植物细胞膜上的特异受体蛋白所识别，从而激活下游的共生信号。作为响应，植物根毛会发生一系列形态、生理和生化的应答反应：如钙离子内流和细胞核内钙离子呈节律性变化、根毛顶端膨大、根毛分枝和卷曲等现象。此时，附着于根毛表面的根瘤菌随着根毛的卷曲进入植物细胞壁之间，植物细胞壁会发生局部水解，细胞质膜内陷，同时新的细胞壁物质沉积在内陷的质膜处，形成一种管状结构，即侵染线（Infection thread，IT）。
在根瘤菌侵入根毛的同时，宿主植物的特定皮层细胞被激活，并开始分裂形成根瘤原基。根瘤菌在侵染线内不断地繁殖，同时推动侵染线的不断伸长和延伸，直至达到根部的皮层细胞。此时，侵染线顶端会在根瘤原基细胞中释放根瘤菌，根瘤菌被植物的细胞膜所包裹，形成可以生物固氮的类菌体，最终发育为成熟的固氮根瘤。进而通过根瘤内的根瘤菌将空气中游离的氮固定转化为可被植物自身利用的含氮化合物。
3生物固氮对于农业生产的贡献与应用
3.1 接种根瘤菌使豆科植物产量增加
豆科植物的高效生物固氮能力对减少氮肥投入和增加作物产量贡献突出。
有研究表明，接种根瘤菌后可以增加大豆的根瘤数目、提高植株的氮肥利用率以及增加最终的产量。在巴西，自2003年田间成功应用高效根瘤菌菌肥以来，大豆的增产主要依靠生物固氮。研究者通过多年的田间试验，比较分析了生物固氮和施用氮肥对大豆增产的效果。结果发现，不施氮肥而接种根瘤菌可以显著促进大豆的结瘤固氮，还可以使作物得到一定的增产；而当在田间施加大约200 kg·hm -2的氮肥时，不仅不能增产还显著地抑制了大豆的生物固氮，这不仅使得农业成本的增加还造成了大量的资源浪费。此外在孟加拉国，有研究也表明接种根瘤菌后，大豆在不施加氮肥的条件下，能显著增加根瘤数、提高固氮效率、增加大豆荚数和大豆籽粒产量。而我国研究者在东北的试验也进一步表明，接种高效根瘤菌剂能够达到作物全面增产的显著效果，与常规施肥的对照组进行比较，大豆的产量增加了近一倍。
3.2 利用豆科植物间作促进农业生产
豆科植物间作系统的应用，在氮转移和改良土壤结构方面具有重要作用。以在我国农业中普遍应用的大豆与玉米间作为例，玉米根系形态特征、根系活力以及磷酸酶活性等指标均显著高于单作的对照植株。此外，在我国福建等地，茶树与大豆的间作也取得较好的生态效果。研究表明，大豆等豆科植物在茶园间作能够调控茶园的生态环境，改善土壤的营养状况，减少病虫草害的发生，进而促进茶树生长、实现茶园的高产优质。有相关研究指出，间作种植对茶叶营养品质具有显著的影响，在茶叶3个采摘期（春茶期、夏茶期与秋茶期），间作茶叶的氨基酸、可溶性糖含量等指标均分别显著高于单作茶叶。
4问题与展望
豆科植物与根瘤菌之间相互识别、交流，最终形成根瘤进行生物固氮。近年来，虽然对其的研究和应用已有较深入的突破，但是仍然存在着较多的问题。比如，国内高效根瘤菌菌剂的匮缺。虽然土壤中含有大量的土著根瘤菌，但是大部分有效性较低，很难形成高效生物固氮的根瘤。此类根瘤不仅固氮效率较低，还会消耗豆科植物大量的碳水化合物和矿质养分，不利于豆科植物的生长。高效根瘤菌剂需要同时具有宿主匹配性高、固氮能力强，能够适应当地土壤条件和较强的竞争能力等。虽然已有部分国内的研究报道，已分离纯化了多种大豆根瘤菌菌株；但是生产适用于国内大范围地区的高效根瘤菌剂还处于初期阶段，并且将其在农业生产中得到实际的应用还需要一定时日。
从生理及生产应用的角度来分析，由于豆科植物与根瘤菌共生固氮的高效性，将根瘤菌接种技术应用于农业生产势必带来减肥增产的效果。因此，在农业生产中大力发展和利用豆科植物间套作或轮作具有重要的应用前景。从分子生物学的角度来分析，科研工作者们一直在探索豆科植物高效结瘤固氮的分子机理，虽然近年来已经取得了一定的成果。但是，在根瘤菌侵染过程、根瘤发育、养分在菌体与宿主之间转移等方面的分子机制还需要进一步探索。这些基础理论研究有助于突破限制豆科植物固氮效率的瓶颈，对提高植物固氮效率、减肥增产具有重要的指导意义。
总之，应用现代生物技术，去改造和提高豆科植物的生物固氮能力，必将提高我国的农业生产能力，并对绿色农业的可持续发展建设提供重要的支持和帮助。
参考文献
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