第十章-微生物同動植物的共生關(guān)系第十章微生物同動、植物的共生關(guān)系微生物學(xué)教學(xué)設(shè)計10-1第十章微生物同動、植物的共生關(guān)系本章要點(diǎn)和難點(diǎn)：微生物與動植物的共生關(guān)系，突出解說根瘤和根瘤菌。10.1微生物和植物共生關(guān)系的種類10.1.1細(xì)菌和植物的共生細(xì)菌和植物的共生主若是根瘤菌與豆科植物的共生系統(tǒng)，其次是根瘤菌與榆科植物、弗蘭克氏放線菌與植物以及藍(lán)細(xì)菌與其余生物的共生系統(tǒng)。（見表）表10-1結(jié)瘤豆科植物報道屬數(shù)報道總類按種計算亞科屬數(shù)++/--總數(shù)預(yù)計總數(shù)++/--總數(shù)結(jié)瘤%蝶形花5052411414269140002416-46246298害羞草661885312900351-3738890.5蘇木17713133965280072618025827.9合計74827235583651970028396263310891+表示結(jié)瘤-表示不結(jié)瘤+/-表示有些結(jié)瘤，有些不結(jié)瘤。表10-2和弗蘭克氏菌共生的植物科屬科名屬名已知結(jié)瘤種數(shù)樺木科棺木屬42木麻黃科木麻黃屬18異木麻黃屬58裸孔木麻黃屬18楊梅科楊梅屬2810.1.2真菌和植物的共生細(xì)菌和植物的共生關(guān)系在自然界寬泛存在，真菌和植物的共生關(guān)系則更為寬泛。植物形成菌根是寬泛現(xiàn)象，自然界大多數(shù)植物都擁有菌根，菌根對于改進(jìn)植物營養(yǎng)，調(diào)治植物代謝、加強(qiáng)植物抗逆性都有必然作用。依據(jù)菌根的形態(tài)結(jié)構(gòu)和菌根真菌共生時的其余性狀，菌根可劃分為以下種類：（見表）表10-3菌根的種類主要種類亞型外生菌根內(nèi)生菌根內(nèi)外生菌根叢枝囹根

特別結(jié)構(gòu)有包圍根的菌套和哈蒂氏網(wǎng)所成菌套，在根細(xì)胞內(nèi)有國絲圈細(xì)胞中有國絲圈和微小分枝的吸器（叢枝）

真菌種類擔(dān)于菌，子囊菌、藻狀菌擔(dān)子菌、子囊菌內(nèi)囊霉科

寄主植物裸子和被子植物的喬木和灌木裸子和被子植物的喬木和灌木裸子和被子植物的喬木、灌木和草本植物，苔鮮和蕨類植物等低等植物（漿果鵑菌根、水晶蘭菌根、杜鵑菌根、蘭科菌根）1/7第十章-微生物同動植物的共生關(guān)系第十章微生物同動、植物的共生關(guān)系微生物學(xué)教學(xué)設(shè)計10-210.2固氮根瘤（1886年德國學(xué)者赫爾利格和惠爾法斯（H.Hellriegel和H.Wilfarth）用砂培試考據(jù)明，種植在滅菌后的盆缽中一豆科植物，只有接種土壤浸提液此后，才能形成根瘤和利用空氣中的氮?dú)?。至此才證明豆科植物，只有形成根瘤時才有固定氮素。1888年荷蘭學(xué)者別依林克（M.W.Beiljerinck）第一次獲取了根瘤菌的培育。1889年波蘭學(xué)者柏拉茲莫夫斯基（用根瘤菌純培育接種豆科植物，形成了根瘤。此后，Prazmowski）微生物學(xué)工作者對共生固氮作用進(jìn)行了大批的研究工作，并把科學(xué)成就應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中去。艾倫和艾倫（Allen和Allen）（1981）的資料，現(xiàn)已考察的3108種豆科植物中，有2839種生根瘤。其他，還發(fā)現(xiàn)有一種子非豆科植物（榆科的Parasporiarogwa）也和根瘤菌共生、結(jié)瘤、固氮。根瘤菌根瘤菌在與豆科植物共生中固氮，它固然能夠單獨(dú)生活，近來也證明有些種能單獨(dú)固氮，但只有在根瘤中才能進(jìn)行旺盛的固氮作用。因?yàn)樗闹匾?，已從各個方面進(jìn)行了記分的研究。根瘤菌的人工接種.根瘤菌的人工接種對于豆科植物和根瘤菌共生系統(tǒng)形成，起保證作用。2.不同地區(qū)、不同植物，人工接種根瘤菌對植物有無增產(chǎn)收效，對共生固氮作用有無改進(jìn)的效果狀況是不一致的。3.在從未種植過或多年未種植過某一種豆科植物（包含同一互接種族和豆科植物），種植這種植物，人工接種根瘤菌在絕大多數(shù)狀況下是有效的，能保證結(jié)瘤、固氮、提升產(chǎn)量，并且在這種情況下進(jìn)行人工接種經(jīng)常是種植成敗的要點(diǎn)因素。4.長年種植某一種豆科植物，每次播種都進(jìn)行根瘤菌人工接種可否都有效益，隨植物種類和地區(qū)狀況的不同而表現(xiàn)不一。長年種植某一種豆科植物的土地，在多數(shù)狀況下，土壤中富含能和這種植物共生固氮的土著根瘤菌。植物和土著根瘤菌共生，固氮，在有些土地上是高效的，但也經(jīng)常是低效的。在后一種狀況下，人工接種高效的根瘤菌用來代替低效的土著根瘤菌是一項(xiàng)重要的技術(shù)任務(wù)。?MIT同一M玄品系cMlnw）與不網(wǎng)桐■呼?株我生的■現(xiàn)共生困基既（mgj2aB9J71M4AIQ15&21bma未投掉?？烦潭⊙鄄厣仙牟宓?0.2.1根瘤和莖瘤的形態(tài)結(jié)構(gòu)1.根瘤和莖瘤的外形植物的細(xì)菌形成的共生系統(tǒng)主若是根瘤，有不同的外面形態(tài)（圓形、棗狀等），且在根系上的分布也不同樣（有的集中在根頸部位，有的則較分別）。其形狀和散布的差別主要由植物決定。有少量豆2/7第十章-微生物同動植物的共生關(guān)系第十章微生物同動、植物的共生關(guān)系微生物學(xué)教學(xué)設(shè)計10-3科和非豆科植物除形成根瘤外，也在地上部分形成莖瘤。（圖10-1）2.豆科植物根瘤結(jié)構(gòu)依據(jù)結(jié)構(gòu)特色，豆科植物根瘤可分為有限和無窮生長兩種基本種類，主要差別在于可否具備分生組織。（圖10-2）無窮型根瘤擁有頂端分生組織，在根瘤成熟后能夠持續(xù)生長，使根瘤體積增大，甚至能夠分叉。（這種根瘤的表面多為圓柱形、棗狀、雞冠狀，如豌豆、三葉草和苜蓿等植物的根瘤）。有限型根瘤沒有分生組織，生長發(fā)育一段時間后，各部分同時分化成熟，根瘤體積不再增大。（這種根瘤表面一般為球形，如大豆根瘤）。ifl茜*即嘲m四小越eA“心“H.大限伸?...10.2.2根瘤菌的形態(tài)特色1.在培育條件下：為桿狀，G-,直徑v1m,能運(yùn)動，有1-5根周生鞭毛，細(xì)胞內(nèi)含一種3-多聚羥基丁酸，使細(xì)胞染色不平均，有時出現(xiàn)環(huán)節(jié)狀。2.在根瘤中生活的根瘤菌：形態(tài)漸漸變化，開始進(jìn)入根內(nèi)時為很小的桿狀，隨著根瘤的發(fā)育，其內(nèi)的菌體漸漸變大，形狀多樣，如粗桿狀、球狀、犁形、棒槌狀、“T形或“Y'形等，染色后表現(xiàn)出顯然的環(huán)節(jié)狀，這些形態(tài)稱為類菌體。菌落園形，半透明，無色或乳白色，具光彩。3/7第十章-微生物同動植物的共生關(guān)系第十章微生物同動、植物的共生關(guān)系微生物學(xué)教學(xué)設(shè)計10-4[T.IMMHkflSLI列.眼中的槌瑚■事45一If）黑■■■IAHttHAH!*lA1S-10.2.3根瘤菌的一般生理特點(diǎn)屬化能異養(yǎng)微生物，最適的碳源為：甘露糖、葡萄糖、甘油、木糖等，但不能夠利用多糖。最好的氮源為氨基酸，其次為無機(jī)氮（HN3、N2等）。同時還需要必然的礦質(zhì)養(yǎng)分（P、、、Ca、Mg、SKFe、Mo、Co、B、Zn等以及維生素B2）。為好氣性微生物，需氧供給，生活的Eh為150~450mV,PH6.5~7.5,溫度25~30C。其生態(tài)環(huán)境為土壤和水。10.2.4根瘤菌的感染性、專一性和有效性10.2.5常有的根瘤菌種類主要依據(jù)寄主命名，其種類有：豌豆、三葉草、四時豆、苜蓿、大豆、羽扇豆、紫云英、丑豆根瘤菌。10.3根瘤的形成10.3.1根瘤的形成過程根瘤的形成分三有個階段，即感染、根瘤的發(fā)生和發(fā)育。1.感染和浸入線的形成：豆科植物的根系在土壤中發(fā)育，刺激相應(yīng)的根瘤菌在根際大批生殖，生殖后有好多根瘤菌吸著在根毛的表面，在根瘤菌的作用下，根毛細(xì)胞壁變軟，根毛發(fā)生卷曲，根瘤菌從變軟的細(xì)胞壁進(jìn)入根毛而完成感染。在根瘤菌進(jìn)入根毛細(xì)胞的部位，發(fā)生根毛細(xì)胞壁內(nèi)陷，并開始分泌一種含纖維質(zhì)的物質(zhì)將根瘤菌包圍起來，隨著根瘤菌向前推動，形成一條套狀的侵入線,其實(shí)不停向根毛基部和表皮細(xì)胞伸長推動，當(dāng)侵入線達(dá)到根毛細(xì)胞基部的細(xì)胞壁時，侵入線同細(xì)胞壁聯(lián)接起來，穿過表皮細(xì)胞壁向內(nèi)推動。2.根瘤的發(fā)生和發(fā)育：當(dāng)侵入線到達(dá)內(nèi)皮層時，前位細(xì)胞碰到影響并開始分裂，成為根瘤的分生組織，隨著分生組織的不停分裂，根瘤不停擴(kuò)大，在根表面出現(xiàn)崛起；不停擴(kuò)大的根瘤細(xì)胞分化為外皮層組織和內(nèi)部組織，并形成維管束與根的維管束連接起來。當(dāng)侵入線到達(dá)根瘤內(nèi)部組織的一些細(xì)胞中，侵入線的前端膨大，且不再形成纖維質(zhì)的壁，細(xì)菌開釋到細(xì)胞中形成含菌細(xì)胞組織，并在內(nèi)形成泡囊，每個泡囊內(nèi)含有1-8個細(xì)菌發(fā)育成的類菌體。隨著含菌細(xì)胞的形成，出現(xiàn)紅色的豆血紅蛋白，它存在于類菌體的泡膜里，它的出現(xiàn)為根瘤成熟的標(biāo)記，即開始固氮。4/7第十章-微生物同動植物的共生關(guān)系第十章微生物同動、植物的共生關(guān)系微生物學(xué)教學(xué)設(shè)計10-5根瘤的功能作為極瘤，其功能以下：①根瘤中的豆血紅蛋白是起調(diào)治氧的緩沖劑作用、調(diào)治氧的供給狀況，并可促進(jìn)固氮作用的進(jìn)行。②供給固氮作用所需的能量（ATP）。③能將固氮產(chǎn)物很快地合成氨基酸等，并轉(zhuǎn)動到其余部位，保證了固氮作用不停的進(jìn)行下去。根瘤菌的固氮效率就共生固氮系統(tǒng)來講，因?yàn)樵诟鲋羞M(jìn)行的固氮作用和豆科植物的整個新陳代謝的結(jié)合，使共生關(guān)系下的固氮效率比自生固氮系統(tǒng)高得多。如自生固氮菌，每耗資1克碳化物只好固定10mg左右的N2（肺炎桿菌為5mg,梭菌為1.5~7mg等）,而根瘤菌和豆科植物的共生固氮，每耗資1克碳化物可固定250~300mg的N2（如與豌豆的共生系統(tǒng)可固定270mg的N2）。共生固氮比自生固氮效率高的原由：①浪費(fèi)的能量少，利用能量的效率高。②共生固氮的時間要比自生固氮的長得多，所以固氮量也大。10.4結(jié)瘤和固氮作用的遺傳學(xué)關(guān)系根瘤菌與豆科植物的共生固氮作用是由好多遺傳基因決定的，如：有控制結(jié)瘤作用的植物基因（使植物結(jié)瘤或不結(jié)瘤或結(jié)無效根瘤），有控制感染性和專一性的基因，有決定根瘤菌有效性的基因以及決定血紅蛋白中的血紅素部分的基因和蛋白質(zhì)部分的基因等。但是這些基因的機(jī)理以及結(jié)瘤作用的遺傳學(xué)關(guān)系，現(xiàn)在還難以說明。10.5影響共生固氮的因素土壤濕度當(dāng)根瘤中固氮酶開始擁有活性時，水分的耗資急劇增添，這時固氮效率與水的關(guān)系親密，若是缺水，則強(qiáng)烈控制根瘤的呼吸作用和固氮作用，但水分過多時，因在瘤表面形成水層，也會控制固氮作用。所以要求土壤含水量保持在60~80%,對固氮和作物產(chǎn)量都有益。土壤氧氣根瘤菌屬好氣性微生物，所以土壤中氧濃度的高低既影響根瘤菌在土壤中的活動，也影響根瘤的固氮作用。所以在土壤中根瘤菌的活動和固氮作用都需要有必然氧的供給。溫度溫度對菌瘤的形成和固氮作用都有影響，但不同地區(qū)的豆科植物，對溫度的反應(yīng)是不同的。如溫帶地區(qū)的豆科植物在7C時結(jié)瘤作用延緩，但仍能夠結(jié)瘤，而熱帶當(dāng)在20C以下時，就嚴(yán)重影響共生作用。但溫度過高影響也很強(qiáng)烈，如蠶豆和豌豆在30C時就不形成根瘤，所以一定有必然的溫度條件。pH值pH對根瘤菌的結(jié)瘤和共生固氮作用的影響很大。最適結(jié)瘤條件為4~8之間，高出此范圍結(jié)瘤顯著減少?；蠎B(tài)氮素在必然條件下供給適合的氮素能夠促進(jìn)根瘤的形成。但過多，則阻攔根瘤的形成，降低固氮作用。（要依據(jù)實(shí)質(zhì)狀況---土壤肥力水平來供給）。礦質(zhì)營養(yǎng)元素此因素對根瘤的形成有優(yōu)異的影響,若是缺乏，特別是P、、、、KCaBMo等，根瘤將不能夠形成。磷肥對豌豆根瘤的形成和產(chǎn)量影響處理每株根瘤數(shù)根瘤重（g）產(chǎn)量(g)不施肥3425.810.2565149.61施磷肥1.4435/7第十章-微生物同動植物的共生關(guān)系第十章微生物同動、植物的共生關(guān)系微生物學(xué)教學(xué)設(shè)計10.6固氮作用的機(jī)理固氮微生物所進(jìn)行的固氮作用的化學(xué)反應(yīng)可用下式表示：10-6固氮酶［固氮酶及其作用的基本條件對固氮酶催化作用的機(jī)理，固然現(xiàn)在還不完整認(rèn)識，但對它作用所需的基本條件已經(jīng)有了較完整的知識。這些條件是：①N2+8H++8e-+nATP>2NH3+H2+nADP+nPi固氮酶將M還原為NH,需要能量和電子供體，以及傳達(dá)電子的電子載體;②固氮酶對氧敏感，只幸虧氧壓很低(〈0.04%大氣壓〉或無氧條件下進(jìn)行；③環(huán)境中現(xiàn)成的氨或固氮酶固定的氨如不實(shí)時轉(zhuǎn)變，高出必然濃度(3—5毫克分子)對固氮作用起控制效應(yīng)*67取趣分■,曾你網(wǎng)部租分的比較*目9分jfi分1童白逐暮散*仁大2^)2-22萬左右6萬左右FtWTft30(24-32^42&(20^32)4Mg于敗20C”的一SHX融712治蛀甲心(FflMoCd)1電子清化中心功陸格鑿，精化上］10.6.1酶催化反應(yīng)的條件及其作用中的能量與電子固氮酶起催化作用是在組分I和n相結(jié)合此后才能實(shí)現(xiàn)(自然還受其余條件的影響，如能量問題、電子供體和載體、氧的問題以及氨的阻抑效應(yīng)問題等)。固氮酶的催化反應(yīng)可用簡圖表示以下：I(SR)+n(R)+2MgATPI(SR)H(R)2MgATP在固氮過程中，能量的本源對厭氣固氮微生物來講，是經(jīng)過發(fā)酵過程產(chǎn)生的，而好氣性的是通過氧化代謝產(chǎn)生的，電子供體是ATP,經(jīng)過電子載體傳達(dá)給固氮酶。電子載體是強(qiáng)還原性的電子轉(zhuǎn)移蛋白。固氮微生物中天然的電子載體主要有鐵氧還蛋白(Fd)和黃素氧還蛋白(Fld)。10.6.2氧對固氮作用的影響各各種類固氮生物進(jìn)行生長時，對氧氣有不同要求，但是它們的固氮酶都是對氧敏感的。氧氣不只氧化固氮作用中的電子載體，并且控制固氮酶的活性，隔斷固氮基因的表達(dá)。固氮酶裸露在氧氣下就不行逆地失活。所以，對于厭氣性固氮微生物來說，生長和固氮的條件是一致的。好氣性固氮微生物生長和固氮的條件是矛盾的。兼厭氣性固氮微生物，只有在厭氣條件下才能固氮。好氣性微生物為了在生長過程中同時固氮，它們具備著保護(hù)固氮酶的防氧體系，現(xiàn)在對其實(shí)質(zhì)還不大認(rèn)識。實(shí)質(zhì)上好氣性固氮菌的生長也不是氧氣越多越好。10.6.3固氮作用中的氨效應(yīng)氨是固氮作用的產(chǎn)物，但在培育固氮菌時若是加入俊鹽，則固氮作用停止，這時固氮菌利用現(xiàn)成的氮進(jìn)行生長?，F(xiàn)已證明氨不是只控制固氮酶的活性，其效應(yīng)是隔斷了控制固氮酶合成的基因，它阻攔固氮基因的轉(zhuǎn)錄，使固氮酶不形成，整個隔斷作用的體系是很復(fù)雜的，有谷氨酰胺合成酶參與作用，但目前對其細(xì)節(jié)不很認(rèn)識。只有當(dāng)固氨產(chǎn)物氨立刻被轉(zhuǎn)變?yōu)榘被徇M(jìn)而合成蛋白質(zhì)，固氮作用才能不停進(jìn)行。自生固氮細(xì)菌擁有一套酶系，能夠有效地將氨轉(zhuǎn)變?yōu)榘被帷＿@種轉(zhuǎn)變作用是經(jīng)過谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)的偶聯(lián)作用，同時有各種氨基轉(zhuǎn)移酶參加。10-7對于自生固氮菌來說，固氮作用和氨的同化作用都是在同一細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的。而共生固氮作用則不同，固氮作用在類菌體中6/7第十章-微生物同動植物的共生關(guān)系進(jìn)行，第氨十的章同化微作生用物則同由動根、瘤植細(xì)物胞的漿共中生的關(guān)酶系系催化，形成氨基酸，爾后微轉(zhuǎn)生運(yùn)物到學(xué)植教物案的其余部分。aii-2