根瘤菌

經過70年代和80年代初的研究，根瘤菌科的變化較大，現包括7屬36種，但其中的放射土壤桿菌不能引起植物異常增生。根瘤菌屬和慢生根瘤菌屬 兩屬細菌都能從豆科植物根毛侵入根內形成根瘤，並在根瘤內成為分枝的多態細胞，稱為類菌體。類菌體在根瘤內不生長繁殖，卻能與豆科植物共生固氮，對豆科植物生長有良好作用。這兩屬細菌的表現性狀極相似，只是根瘤菌屬的細菌在酵母膏、甘露醇、無機鹽瓊脂上生長快，3～5天的菌落直徑可達2～4毫米；在含碳水化合物的培養基上產酸。慢生根瘤菌屬的細菌卻與之相反，菌落生長甚慢，5～7天其直徑還不足1毫米，在含碳水化合物的培養基上不產酸，反而呈鹼性。

根瘤菌屬是於1889年由B．弗蘭克建立的，它包括3種：豌豆根瘤菌、苜蓿根瘤菌和百脈根瘤菌。慢生根瘤菌屬是D．C．喬丹於1982年從根瘤菌屬中分化出來的，屬內暫有一種，即曾經稱為大豆根瘤菌的大豆慢生根瘤菌。上述兩屬細菌時常製成細菌製劑在田間施用，作為作物或牧草增產的一種手段（見固氮微生物）。土壤桿菌屬 1942年由H．J．康恩建立。其性狀與前述兩屬的根瘤細菌頗相似，但不能在豆科植物根上形成能共生固氮的根瘤。本屬細菌能夠通過外傷入侵多種雙子葉植物和裸子植物，致使植物細胞轉化為異常增生的腫瘤細胞，產生根癌、毛根和桿癭等病狀。土鑲桿菌屬內各個種誘髮根癌的能力與其所特有的Ti質粒有關。本屬細菌為土傳性植物病原菌。葉桿菌屬 1984年D．H．克內澤爾發表的1屬細菌。其表現性狀與前述3屬相近，特點是在紫金牛科和茜草科中某些熱帶種的葉片上形成共生葉瘤。細菌在葉瘤內也呈多態，但是否能共生固氮還沒能斷定。共有兩個種：紫金牛葉桿菌和茜草葉桿菌。

現代的分類手段，如DNA鹼基組成、DNA同源性、rRNA順反子相似性、蛋白凝膠電泳、數值分類等結果，都證明土壤桿菌與兩屬根瘤菌有一定的親緣關係，也證明將根瘤細菌分為兩屬是符合客觀實際的。rRNA順反子相似性的研究結果證明葉桿菌屬與前3屬有一定關係，所以暫歸屬於根瘤菌科。

這種共生體系具有很強的固氮能力。已知全世界豆科植物近兩萬種。根瘤菌是通過豆科植物根毛、側根杈口(如花生)或其他部位侵入，形成侵入線，進到根的皮層，刺激宿主皮層細胞分裂，形成根瘤，根瘤菌從侵入線進到根瘤細胞，繼續繁殖，根瘤中含有根瘤菌的細胞群構成含菌組織。根瘤菌進入這些宿主細胞后被一層膜套包圍，有些菌在膜套內能繼續繁殖，大量增加根瘤內的根瘤菌數，以後停止增殖，成為成熟的類菌體；宿主細胞與根瘤菌共同合成豆血紅蛋白，分佈在膜套內外，作為氧的載體，調節膜套內外的氧量。類菌體執行固氮功能，將分子氮還原成NH3，分泌至根瘤細胞內，併合成醯胺類或醯尿類化合物，輸出根瘤，由根的傳導組織運輸至宿主地上部分供利用。與宿主的共生關係是宿主為根瘤菌提供良好的居住環境、碳源和能源以及其他必需營養，而根瘤菌則為宿主提供氮素營養。

當豆科植物在幼苗期，土壤中的根瘤菌便被其根毛分泌的有機物吸引而聚集在根毛的周圍，並大量繁殖。同時產生一定的分泌物，這些分泌物刺激根毛，使其先端捲曲和膨脹，同時，在根菌瘤分泌的纖維素酶的作用下，根毛細胞壁發生內陷溶解，隨即根瘤菌由此侵入根毛。在根毛內，根瘤菌分裂滋生，聚集成帶，外面被一層粘液所包，形成為感染絲，並逐漸向根的中軸延伸。同時，在根瘤菌的刺繳下，根細胞相應地分泌出一種纖維素，包圍於感染絲之外，形成了具有纖維素鞘的內生管，又稱侵入線。根瘤菌順侵入線進入幼根的皮層中。

在皮層內，根瘤菌迅速分裂繁殖，皮層細胞受到根瘤菌侵入的刺繳，也迅速分裂，產生大量的新細胞。致使皮層出現局部的膨大。這種膨大的部分，包圍著聚生根瘤菌的薄壁組織，從而形成了外向突出生長的根瘤。

之後，含有根瘤菌的薄壁細胞的細胞核和細胞質逐漸被根瘤菌所破壞而消失，根瘤菌相應地轉為擬菌體（bacterioid）。

主根瘤菌剛剛進入豆科植物根部的時候，並不能固氮，只能發展到擬菌體階段，才能進行固氮作用。

在根瘤內，根瘤菌從豆科植物根的皮層細胞中吸取碳水化合物、礦質鹽類及水分。以進行生長和繁殖。同時它們又把空氣中遊離的氮通過固氮作用固定下來，轉變為植物所能利用的含氮化合物，供植物生活所需。這樣，根瘤菌與根便構成了互相依賴的共生關係。

由於根菌瘤在生活過程中分泌一些有機氮到土壤中，加之，根瘤在植物的生長末期會自行脫落，從而大大提高了土壤的肥力。據估測，一畝苜蓿年均可積累40斤氮肥，相當於200斤硫銨。並可增加土壤中的腐殖質。

由於有些土壤中沒有與豆科植物共生的根瘤菌，同時不同豆科植物需要與不同類型的根瘤菌共生，因此在農業上採取在播種豆科植物時，將其與根瘤菌制徠劑攪抖，以便給豆科作物形成根瘤創造條件。據調查，採用該方法播種，可使大豆、花生增產10%以上。

雖然空氣成分中約有80%的氮，但一般植物無法直接利用，花生、大豆、苜蓿等豆科植物，通過與根瘤菌的共生固氮作用，才可以把空氣中的分子態氮轉變為植物可以利用的氨態氮。在種子發芽生根后，根瘤菌從根毛入侵根部，在一定條件下，形成具有固氮能力的根瘤，在固氮酶的作用下，根瘤中的類菌體將分子態氮轉化為氨態氮，與此同時，每個根瘤就是一座微型氮肥廠，源源不斷地把氮輸送給植株利用。豆科作物周圍的土著根瘤菌數量很少，難以滿足作物生長的需要。世界上的豆科作物都需要人工接種根瘤菌劑，根瘤菌劑給農作物生產的氮肥不會有環境污染，不需長途運輸，使用過程中沒有氮流失，而人工施用化學氮肥流失率往往大於50%。當豆科作物萌發並長出根毛后，根瘤菌受根毛分泌的凝集素的刺激和吸引，大量聚集在根際和根表上。根毛與根瘤菌接觸后，首先是細胞壁變軟，發生根毛捲曲，然後是細胞壁內陷，根瘤菌隨之侵入根毛，直至根的皮層，根瘤菌在皮層大量繁殖並轉變為類菌體，此時根部皮層大量增生，形成瘤狀組織，最後突出根部形成根瘤，當有效根瘤的剖面呈粉紅色時，說明根瘤進入成熟階段，開始固氮，並向植株提供氮素。人工接種結瘤固氮性能優良的根瘤菌來提高共生固氮效率。