植物内生固氮菌及其固氮机理研究进展

doi:10.19586/j.2095-2341.2021.0126

生物技术进展 ›› 2022, Vol. 12 ›› Issue (1): 17-26.DOI: 10.19586/j.2095-2341.2021.0126

植物内生固氮菌及其固氮机理研究进展

王玉虎(), 赵明敏, 郑红丽()

内蒙古农业大学园艺与植物保护学院，呼和浩特 010019

收稿日期:2021-07-02 接受日期:2021-09-03 出版日期:2022-01-25 发布日期:2022-01-26
通讯作者: 郑红丽
作者简介:王玉虎 E-mail：wyh1005433055@163.com；
基金资助:
内蒙古农业大学高层次人才引进科研启动项目(NDGCC2016-23)

Research Progress on Plant Endophytic Nitrogen⁃fixing Bacteria and Their Nitrogen Fixation Mechanism

Yuhu WANG(), Mingmin ZHAO, Hongli ZHENG()

College of Horticulture and Plant Protection，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010019，China

Received:2021-07-02 Accepted:2021-09-03 Online:2022-01-25 Published:2022-01-26
Contact: Hongli ZHENG

摘要/Abstract

摘要：

氮素是植物生长必不可少的元素，植物内生固氮菌不仅能够在植物体内产生氮素以供植物利用，而且在自然界氮素循环过程中发挥积极作用，对农业可持续发展具有重要意义。近年来，植物内生固氮菌逐渐成为研究热点。由植物内生固氮菌的发现、作物共生、侵入途径、固氮机理、促生作用机制等方面系统地综述了植物内生固氮菌的研究进展，探讨了植物内生固氮菌新的研究思路以及一些尚未解决的问题，以期为植物内生固氮菌及生物固氮研究提供参考。

关键词: 内生固氮菌, 固氮酶, 固氮机理, 生物固氮

Abstract:

Nitrogen is an essential element for plant growth. Plant endophytic nitrogen-fixing bacteria can not only produce nitrogen in the plant body for plant utilization， but also play an active role in the natural nitrogen cycle， which has important significance for the sustainable development of agriculture. The research on endogenous nitrogen-fixing bacteria has gradually become research hotspot in recent years. This article systematically reviewed the research progress of plant endophytic nitrogen-fixing bacteria from many aspects， such as the discovery of plant endophytic nitrogen-fixing bacteria， crop symbiosis， invasion pathways， nitrogen-fixing mechanism， and growth-promoting mechanism. In addition， new research ideas of plant endophytic nitrogen-fixing bacteria and some unresolved problems were discussed. This paper was expected to provide reference for research on plant endophytic nitrogen-fixing bacteria and biological nitrogen fixation.

Key words: endophytic nitrogen-fixing bacteria, nitrogenase, nitrogen fixation mechanism, biological nitrogen fixation

中图分类号:

Q939.11+3

王玉虎, 赵明敏, 郑红丽. 植物内生固氮菌及其固氮机理研究进展[J]. 生物技术进展, 2022, 12(1): 17-26.

Yuhu WANG, Mingmin ZHAO, Hongli ZHENG. Research Progress on Plant Endophytic Nitrogen⁃fixing Bacteria and Their Nitrogen Fixation Mechanism[J]. Current Biotechnology, 2022, 12(1): 17-26.

图/表 5

参考文献 63

1	覃丽萍,黄思良,李杨瑞. 植物内生固氮菌的研究进展 [J]. 中国农学通报, 2005, 21(2): 150-152.
2	DÖBEREINER J. Nitrogen fixing bacteria of the genus Beijerinck Derx in the rhizosphere of sugarcane [J]. Plant Soil, 1961, 15: 211- 216.
3	DÔBERIEINER J, DAY J M. Proceedings of the 1th International Symposium on Nitrogen-fixation [M]. US: Washington State Univ., 1974, 518.
4	CAVALCANTE V A, Dobereiner J. A new acid-tolerant nitrogen-fixing bacterium associated with sugarcane [J]. Plant Soil, 1988,108: 23-31.
5	YUZO Y, KEN-ICHIRO H, TETSUYA I. The phylogeny of acetic acid bacteria based on the partial sequences of 16S ribosomal RNA : the elevation of the subgenus gluconoacetobacter to the generic level [J]. Biosci. Biotechnol. Biochem., 1997, 61(8):1244-1251.
6	HELVÉCIO D P, EIICHI M, JOHANNA D, et al.. Confirmation of nitrogen fixation in two tropical grasses by ¹⁵N₂ incorporation [J]. Soil Biol. Biochem.,1977,9(2):119-123.
7	TARRAND J J, KRIEG N R, DÖBEREINER J. A taxonomic study of the Spirillum lipoferum group, with descriptions of a new genus, Azospirillum gen. nov. and two species, Azospirillum lipoferum (Beijerinck) comb. nov. and Azospirillum brasilense sp. nov. [J]. Can. J. Microbiol., 1978, 24(8): 967-980.
8	JOSÉI B, LEONARDO C, VERA L D B, et al.. Recent advances in BNF with non-legume plants [J]. Soil Biol. Biochem., 1997, 29(5-6):911-922.
9	顾彩彩,王震,王露蓉,等. 固氮细菌DX120E的gfp标记及对不同甘蔗品种的接种效应 [J]. 南方农业学报,2018,49(6): 1075-1081.
10	林丽. 联合广西新台糖22号甘蔗固氮菌的筛选和对菌株Klebsiella sp. DX120E、Burkholderia sp. CZ152S 和Micrebacterium sp.16SH的研究 [D]. 南宁:广西大学, 2011.
11	黄杏,杨丽涛,李杨瑞. 固氮菌接种对甘蔗根系生理特性的影响 [J]. 广西农业科学, 2009,40(3): 233-237.
12	罗霆,欧阳雪庆,杨丽涛,等. ¹⁵Ｎ同位素稀释法研究固氮菌接种对甘蔗生物固氮的影响 [J]. 核农学报,2010,24(5):1026-1031.
13	魏春燕,邢永秀,林丽,等. 接种变栖克雷伯氏菌DX120E对不同甘蔗品种的促生效应 [J]. 应用生态学报,2014,25(7):2085-2092.
14	史国英,曾泉,农泽梅,等. 一株高效甘蔗内生固氮菌NN08200 的鉴定及其对甘蔗的促生长作用 [J]. 微生物学通报,2019,46(6):1336-1345.
15	丘元盛,周淑萍,莫小真,等. 水稻根际固氮细菌的研究 [J]. 科学通报,1980,25(21):1008.
16	袁梅,谭适娟,孙建光. 水稻内生固氮菌分离鉴定、生物特性及其对稻苗镉吸收的影响 [J]. 中国农业科学,2016,49(19):3754-3768.
17	谭志远,彭桂香,徐培智,等. 普通野生稻(Oryza rufipogon)内生固氮菌多样性及高固氮酶活性 [J]. 科学通报,2009,54(13):1885-1893.
18	刘丽辉,蒋慧敏,王佩旋,等. 野生稻内生固氮菌多样性研究进展 [J]. 生物技术进展, 2017, 7(6): 567-579.
19	PALUS J A, TIPPET E W, LUDDEN P W, et al.. A diazotrophic bacterial endophyte isolated from stems of Zea mays L. and Zea luxurians Iltis and Doebley [J]. Plant Soil, 1996, 186(1): 135-142.
20	吕翻洋. 玉米根际及不同部位内生固氮菌分离及其多样性研究 [D]. 北京:中国农业科学院, 2017.
21	毛晓洁. 松辽地区不同品种玉米内生固氮菌多样性比较及其促生特性研究 [D]. 北京:中国农业科学院,2018.
22	傅晓方. 玉米内生固氮菌的分离鉴定及其对小麦幼苗的促生效应研究 [D]. 陕西咸阳:西北农林科技大学, 2011.
23	覃姚红. 玉米种子内生固氮菌的鉴定及其对小麦生长及抗旱能力影响的研究 [D]. 陕西咸阳:西北农林科技大学, 2014.
24	孙建光,罗琼,高淼,等. 小麦、水稻、玉米、白菜、芹菜内生固氮菌及其系统发育 [J]. 中国农业科学,2012,45(7):1303-1317.
25	郑红丽,庞保平,樊明寿,刘双平.羊草根际固氮菌的分离及其生长条件的研究[J].华北农学报,2007(1):172-177.
26	林标声,陈意,罗茂春,等. 巨菌草内生固氮菌Klebsiella variicola GN02的毒理性与固氮能力 [J]. 江苏农业科学,2019,47(24):258-261.
27	周建娇. 促生菌筛选及蔬菜内生固氮菌研究 [D].北京:中国农业科学院, 2013.
28	季华,潘存德,周俊,等. 荒漠灌木内生固氮菌对环境因子的适应性研究 [J]. 中国沙漠,2011,4(31):942-947.
29	SESSITSCH A, REITER B, BERG Q. Endophytic bacterial communities of field-grown potato plants and their plant-growth-promoting and antagonistic abilities [J]. Can. J. Mierobiol., 2004, 50: 239-249.
30	SHINJO R, UESAKA K, IHARA K, et al.. Draft genome sequence of Burkholderia vietnamiensis strain RS1, a nitrogen-fixing endophyte isolated from sweet potato [J/OL]. Microbiol. Resour. Announc., 2018,7: e00820-18[2021-12-11]..
31	张磊,袁梅,孙建光,等. 马铃薯内生固氮菌的分离及其促生特性研究 [J]. 中国土壤与肥料,2016,6:139-145.
32	HALLMANN J, RODRIGUEZ R, KLOEPPER J W, et al.. Chitin mediated changes in bacterial communities of the soil, rhizosphere and within roots of cotton in relation to nematode control [J]. Soil Biol. Biochem., 1999, 31(5): 551 -560.
33	IVAN R K, LI L L P, RAIG C W, et al.. Biological nitrogen fixation in non-leguminous field crops: facilitating the evolution of an effective association between Azospirillum and wheat [J]. Plant Soil, 1997,197(1): 65-79.
34	BODDEY R M, URQUIAGE S, REIS V, et al.. Biological nitrogen fixation associated with sugarcane [J]. Plant Soil, 1991, 137(4): 111-117.
35	SESSITSCH A, REITER B, BERG Q. Endophytic bacterial communities of field-grown potato plants and their plant-growth-promoting and antagonistic abilities [J]. Can. J. Mierobiol., 2004, 50: 239-249.
36	KLUEPFEL D A. The behaviour and tracking of bacteria in the rhizosphere [J]. Annu. Rev. Phytophol., 1993, 31: 441-472.
37	罗明, 卢云. 植物内生固氮菌研究进展 [J]. 微生物学杂志,2005,25(1):82-88.
38	REIS J F B, OSIVARES F L, OLIVEIRA A L M. Infection and colonisation of Acetobacter diazotrophicus in sugarcane plantlets. in international symposium on sustainable [J]. Agric. Tropics Role Biol. Nitrogen Fix., 1995, 225:1-10.
39	HALLMANN J. Plant interaction with endophytic bacteria. CAB interaction Biotic interaction in plant-pathogen associations [M]. Biotic Interaction in Plant-pathogen Associations, 2001,87-118.
40	DUIJFF B J, GIANINAZZI P V, LEMANCEAU P. Involvement of the outer membrane lipopolysaccharides in endophytic colonization of tomato roots by biocontrol Pseudomonas strain Wcs417r [J]. New Phytol., 1997, 135(8): 325 -334.
41	HUREK T, MVAN MONTAGN, KELLENBERGER E, et al.. Induction of complex in tracyt oplasmic membranes related to nitrogen fixation in Azoarcus sp. BH72 [J]. Mol. Microbiol., 1995,18(4): 225-236.
42	O'CARROLL I P, CDOS SANTOS P. Genomic analysis of nitrogen fixation [J]. Methods Mol. Biol. 2011, 766: 49-65.
43	KAISER J T, HU Y, WIIG J A, et al.. Ribbe MW: Structure of precursor-bound NifEN : a nitrogenase FeMo cofactor maturase/insertase[J]. Science, 2011, 331: 91-94.
44	NORDLUND S, HÖGBOM M. ADP-ribosylation, a mechanism regulating nitrogenase activity[J]. FEBS, 2013, 280: 3484-3490.
45	ZEHR J P, JENKINS B D, SHORT S M. Steward GF: nitrogenase gene diversity and microbial community structure: a cross-system comparison [J]. Environ. Microbiol., 2003, 5: 539-554.
46	CDOS SANTOS P, FANG Z H, MASON S W, et al.. Distribution of nitrogen fixation and nitrogenase-like sequences amongst microbial genomes[J/OL]. BMC Genom., 2012, 13:162[2021-12-11]. .
47	SARAVANAN V S, MADHAIYAN M, OSBORNE J, et al.. Ecological occurrence of Gluconacetobacter diazotrophicus and nitrogen-fixing Acetobacteraceae members: their possible role in plant growth promotion[J]. Microb. Ecol., 2008, 55:130-140.
48	OLENA P, ROMAN N, EVA-MARIA Z, et al.. Isolation and characterization of the glnD gene of Gluconacetobacter diazotrophicus, encoding a putative uridylyltransferase/uridylyl-removing enzyme[J]. Gene, 2002, 297(1-2):159-168.
49	URETA A, NORDLUND S. Evidence for conformational protection of nitrogenase against oxygen in Gluconacetobacter diazotrophicus by a putative FeSII protein[J]. J. Bacteriol., 2002, 184(20): 5805-5809.
50	BHATTACHARYYA P N,JHA D K. Plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) : emergence in agriculture [J]. World J. Microbiol. Biotechnol., 2012, 28(4): 1327-1350.
51	PANKIEVICZ V C S, AMARAL F P D, SANTOS K F D N, et al.. Robust biological nitrogen fixation in a model grass-bacterial association [J]. Plant J., 2015, 81(6): 907-919.
52	孙苗苗,刁治民,王恒生. 禾草内生固氮菌的研究现状及应用前景 [J]. 青海草业,2013,22(1):35-41.
53	COJHO E H, REIS V M, SCHENBERG A C G, et al.. Interactions of Acetobacter diazotrophicus with an amylolytic yeast in nitrogen-free batch culture [J]. FEMS Microbiol. Lett., 1993, 103: 241-346.
54	林敏. 水稻根分泌物与粪产碱菌的相互作用 [J]. 中国农业科学,1989,22(6):6-12.
55	田宏,张德罡,姚拓,等. 禾本科草坪草固氮菌株筛选及部分特性初步研究 [J]. 中国草地,2005,27(5):47-52.
56	黎烨,熊娟,张婷,等.番茄根内生细菌的促生及其优势种群的筛选和分析[J].福建农业科技,2019(11):17-24.
57	WAGH J, BHANDARI P, SHAH S, et al.. Overexpression of citrate operon in Herbaspirillum seropedicae Z67 enhances organic acid secretion, mineral phosphate solubilization and growth promotion of Oryza sativa [J]. Plant Soil, 2014, 383(12): 73-86.
58	阳洁,秦莹溪,王晓甜,等. 广西药用野生稻内生细菌多样性及促生作用 [J]. 生态学杂志, 2015,34(11):3094-3100.
59	尹坤,阳洁,顾文杰,等. 岑溪药用野生稻高效内生固氮菌分离及促生特性 [J]. 微生物学通报,2015,42(8):1482-1491.
60	LUNA M F, MIGNONE C F, BOIARDI J L. The carbon source influences the energetic efficiency of the respiratory chain of N2-fixing Acetobacter diazotrophicus[J]. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2000, 54: 564-569.
61	BRAUN K A, JACOBSEN B J, SANDS D C. Biological control of Pseudomonas syringae pvsyringae, the causal agent of basal kernel blight of barley, by Antagonistic Pantoea agglomerans [J]. Phytopathology, 2000, 90(4):368-375.
62	杨海莲,王云山,孙晓璐,等. 水稻内生阴沟肠杆菌 MR12 的鉴定及其固氮和防病作用研究 [J]. 植物病理学报,2001, 31(1):92-93.
63	孔庆科,丁爱云. 内生菌作为生防因子的研究进展 [J]. 山东农业大学学报(自然科学版), 2001,32(2):256-260.

植物	内生固氮菌	部位	参考文献
甘蔗	拜叶林克氏菌（Beijerinck）固氮葡糖醋杆菌（Gluconacetobacterdiazotrophicus）伯克霍尔德氏菌（Burkholderia sp.）微杆菌属（Micrebacterium sp.）变栖克雷伯氏菌（Klebsiella sp.）鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas sp．）苍白杆菌属（Ochrobactrum sp．）微杆菌属（Microbacterium sp．）木糖氧化粪产碱菌（Achromobacterxylosoxidans）嗜麦芽假单胞菌（Stenotrophomonasmaltophilia）根癌土壤杆菌（Agrobacteriumtumefaciens）巴西固氮螺菌（Azospirillumbrasilense）	根、茎、叶、甘蔗汁	[2,10⁃14]
水稻	粪产碱菌（Alcaligenes faccalis）阴沟肠杆菌（Enterobacter cloacae）成团泛菌（Pantoeaagglomerans）肺炎克雷伯氏菌（Klebsiella pneumoniae）无丙二酸柠檬酸杆菌（Citrobacter amalonaticus）	根、茎、叶、种子	[15⁃18]
玉米	肺炎克雷伯氏菌（Kelebesilla pneumomiae）阴沟肠杆菌（Enterobacter cloacae）芽孢杆菌（Bacillus）肠杆菌（Enterobacter）克雷伯氏菌（Klebsiella）假单胞菌（Pseudomona）	根、茎、叶	[19⁃23]
小麦	巴西固氮螺菌属（Azospirillum brasilense）假单胞菌（Pseudomonas）根瘤菌（Rhizobium）芽孢杆菌（Bacillus）黄杆菌（Flavobacterium）	根、茎、叶	[24]
牧草	固氮螺菌（Azospirillum）变栖克雷伯氏菌（Klebsiella variicola）	根、茎、叶	[25⁃26]
蔬菜	假单胞菌属（Pseudomonas）根瘤菌属（Rhizobium）节细菌属（Arthrobacter）类芽孢杆菌属（Paenibacillus）红球菌属（Rhodococcus）黄杆菌属（Flavobacterium）	根、茎、叶	[27]
薯类	越南伯克霍尔德菌（Burkholderia vietnamiensis）短芽孢杆菌属（Brevibacterium）芽孢杆菌属（Bacillus）泛菌属（Pantoea）	根、茎、叶、块茎	[29⁃31]

植物	内生固氮菌	部位	参考文献
甘蔗	拜叶林克氏菌（Beijerinck）固氮葡糖醋杆菌（Gluconacetobacterdiazotrophicus）伯克霍尔德氏菌（Burkholderia sp.）微杆菌属（Micrebacterium sp.）变栖克雷伯氏菌（Klebsiella sp.）鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas sp．）苍白杆菌属（Ochrobactrum sp．）微杆菌属（Microbacterium sp．）木糖氧化粪产碱菌（Achromobacterxylosoxidans）嗜麦芽假单胞菌（Stenotrophomonasmaltophilia）根癌土壤杆菌（Agrobacteriumtumefaciens）巴西固氮螺菌（Azospirillumbrasilense）	根、茎、叶、甘蔗汁	[2,10⁃14]
水稻	粪产碱菌（Alcaligenes faccalis）阴沟肠杆菌（Enterobacter cloacae）成团泛菌（Pantoeaagglomerans）肺炎克雷伯氏菌（Klebsiella pneumoniae）无丙二酸柠檬酸杆菌（Citrobacter amalonaticus）	根、茎、叶、种子	[15⁃18]
玉米	肺炎克雷伯氏菌（Kelebesilla pneumomiae）阴沟肠杆菌（Enterobacter cloacae）芽孢杆菌（Bacillus）肠杆菌（Enterobacter）克雷伯氏菌（Klebsiella）假单胞菌（Pseudomona）	根、茎、叶	[19⁃23]
小麦	巴西固氮螺菌属（Azospirillum brasilense）假单胞菌（Pseudomonas）根瘤菌（Rhizobium）芽孢杆菌（Bacillus）黄杆菌（Flavobacterium）	根、茎、叶	[24]
牧草	固氮螺菌（Azospirillum）变栖克雷伯氏菌（Klebsiella variicola）	根、茎、叶	[25⁃26]
蔬菜	假单胞菌属（Pseudomonas）根瘤菌属（Rhizobium）节细菌属（Arthrobacter）类芽孢杆菌属（Paenibacillus）红球菌属（Rhodococcus）黄杆菌属（Flavobacterium）	根、茎、叶	[27]
薯类	越南伯克霍尔德菌（Burkholderia vietnamiensis）短芽孢杆菌属（Brevibacterium）芽孢杆菌属（Bacillus）泛菌属（Pantoea）	根、茎、叶、块茎	[29⁃31]

内生固氮菌	植物	侵入途径	参考文献
赛鲁普蒂卡草螺菌	水稻	水稻种子的缝隙种脐或者维管系统	[33]
固氮醋酸杆菌	甘蔗	侵入根尖和侧根并形成侵染线样结构	[38]
草螺菌	甘蔗	侧根或2,4⁃D诱导副结节产生的裂缝	[33]
固氮螺菌	牧草	侧根或2,4⁃D诱导副结节产生的裂缝	[33]

内生固氮菌	植物	侵入途径	参考文献
赛鲁普蒂卡草螺菌	水稻	水稻种子的缝隙种脐或者维管系统	[33]
固氮醋酸杆菌	甘蔗	侵入根尖和侧根并形成侵染线样结构	[38]
草螺菌	甘蔗	侧根或2,4⁃D诱导副结节产生的裂缝	[33]
固氮螺菌	牧草	侧根或2,4⁃D诱导副结节产生的裂缝	[33]

[1]	刘一超, 陆超, 战嵛华, 柯秀彬, 陆伟, 燕永亮. 施氏假单胞菌A1501铁吸收调节蛋白Fur的表达特性与功能鉴定[J]. 生物技术进展, 2022, 12(3): 387-395.
[2]	刘丽辉,蒋慧敏,王佩旋,唐小钰,彭桂香,谭志远. 野生稻内生固氮菌多样性研究进展[J]. 生物技术进展, 2017, 7(6): 567-579.

植物内生固氮菌及其固氮机理研究进展

Research Progress on Plant Endophytic Nitrogen⁃fixing Bacteria and Their Nitrogen Fixation Mechanism

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 5

参考文献 63

相关文章 2

编辑推荐

Metrics

本文评价