| 单词 | 水稻结瘤 |
| 释义 | 【水稻结瘤】 全球用以维持农业生产而投入的氮肥在逐年增加，大多数农业地区的作物产量受到氮素供给的限制。因为化肥生产需要耗用很多能量，而世界性能源短缺阻碍着化肥的生产。人们逐渐认识到农业生产完全依赖化肥终非良策，便希望水稻等禾谷类作物能象豆科植物一样具有固氮能力，将空气中的氮气转化为植物可以利用的铵类化合物，从而减少对化肥的依赖。 自1972年，狄克逊(R．A．Dixon)将肺炎克氏杆菌中的nif(固氮)基因转移到大肠杆菌中之后，许多研究者便试图将根瘤菌的固氮基因转移到高等植物中去，以便使水稻等粮食作物具有固氮能力。1980年，美国哈佛大学的奥苏贝尔(F．Ausubel)曾提出将根瘤菌的固氮基因组装到叶绿体中，然后将叶绿体移植进入植物细胞，或将根瘤菌的固氮基因通过转座子导入农杆菌的Ti质粒上，因为Ti质粒的DNA可以整合进入植物细胞，从而将固氮基因转入植物细胞。80年代早中期，很多实验室的研究人员企图利用上述途径将根瘤菌中20多个负责固氮作用的基因转到高等植物细胞中去。但研究人员遇到的一个问题是固氮过程中的关键酶——固氮酶要保持无氧状态，否则它会迅速失活。豆科植物的根瘤通常提供一个无氧环境，保护固氮酶，但植物细胞却没有这种功能，要克服固氮作用的这一障碍还是很困难的，所以转移这些固氮基因到非豆科植物细胞去的大多数努力都已被放弃。尽管根瘤菌具有很强的专一性，豆科植物结瘤过程也是一个十分复杂的过程，研究人员还是试图探索根瘤菌与非豆科植物共生结瘤来使非豆科植物产生固氮功能。因为水稻是世界上广泛种植的作物，并且品质很好，产量通常较高，因此，大多数研究者选择水稻为供试种。1986年，尼尔森(S．E．Nielsen)将豆科植物未变性的提取液加入培养基中，利用几种不同的根瘤菌株在培养基上交叉划线，使根瘤菌中的质粒通过根瘤菌的性鞭毛发生转移并且重组，得到许多转接合菌株，然后将每个转接合菌株去侵染水稻，对多个转接合菌株进行筛选后，得到一个水稻根瘤菌R．oryzae ATCC53406。该菌株能够侵染水稻在两个月左右形成比较明显的根瘤，根瘤的结构与豆科植物的根瘤相似。但关于该项实验的进一步的结果尚未见报道，也未见到其他实验室的重复报告。也许是因为这种方法比较复杂，筛选操作程序很繁杂。1989年，英国诺丁汉大学的一个以科金(E．C．Cocking)为首的研究小组报道了酶法获得水稻根瘤的结果，他们用同样的方法在油菜根上也得到了根瘤。他们用1．0%(w／v)的纤维素酶和0．1%(w／v)的果胶酶混合液在22℃温度下处理生长2d的水稻根，约10min，部分降解了水稻根细胞壁，露出根毛尖的质膜，加入25%w／v的PEG同时接种Rhizobium trifolii和Rhizobium loti处理25min以后，将小苗移到无氮培养基上培养，1个月左右，见到水稻苗发生圆形和长形根瘤。供试品种选用了台北177和台北309，发现二者在结瘤率上有很明显的差异，台北177的结瘤率可高达7．3%，而台北309的结瘤率仅有0．7%左右。这种水稻的瘤状结构与豆科植物根瘤有很大差别。在圆形的瘤子中，细胞的形状多不规则，1%的细胞内含菌，瘤子内有很大的空腔，这表明有许多细胞死亡。在长形瘤子中，外层是3～4层细胞包围，中部是一个松散的细胞团，细菌多处在细胞的间隙，电子显微镜观察表明，细菌存在于植物细胞，但多聚集在细胞内缘。这种水稻根瘤在结构上还有待改进，另外，这种处理方法不能使植物在遗传上发生改变，幼苗在栽种前必须每年加以处理，在处理的酶用量上还要多加注意，这样该程序从实验室转到实际上应用会遇到很多困难，这也是今后研究的一个方向。科金小组还利用Parasponia菌株直接感染水稻，他们希望利用这种方法得到根瘤，但还未见到成功的报道。1985年，澳大利亚国利大学罗尔夫(B．G．Rolf)领导的研究小组将携带三叶草根瘤菌的根毛卷曲基因组(hac)载体转入到消除了共生质粒的Rhizobium trifolii ANU843中，然后用它去接种水稻，他们发现多拷贝载体上的Hac基因可以使水稻的根毛发生弯曲，但未结瘤。1990年，他们又构建了一个nodD突变的根瘤菌株去侵染水稻，获得了与豆科植物根瘤结构相似的根瘤。该方法所构建的根瘤菌株系具有遗传上的稳定性，有望直接应用于大田生产，但结瘤只有0．25%，因此，需要提高结瘤率。1990年，中国科学院植物研究所荆玉祥研究小组，建立了一种用田菁根瘤菌接种水稻使其结瘤的方法。我们用普通田菁根瘤菌接种特殊杂交处理的水稻幼苗，1个月左右获得了水稻根瘤，从这种根瘤中分离出两个根瘤菌株Rr1和Rr2，用这两个菌株回接普通的水稻幼苗，15d后，发现有直径为0．5mm左右的乳白色根瘤，40d左右，较大的水稻根瘤的直径达2～3mm左右。根瘤发育初期为乳白色，随着其发育根瘤表面逐渐变褐。根瘤的结构与大豆和田菁的根瘤相似，电镜观察表明有类菌体结构存在，在宿主细胞中发现有似侵染线结构存在。分子杂交表明，这种水稻根瘤的根瘤菌中有固氮酶的表达，Rr1，Rr2中具有固氮基因(nif KDH)和结瘤基因(nod ABC)。该种方法选用了国内的多个水稻品种进行实验，发现结瘤率差别不大，大约在60%左右。该方法的优势在于突变的根瘤菌Rr1和Rr2具有遗传的稳定性，它们能够侵染不同品种的水稻形成根瘤，在接种培养的整个过程中，不需加入任何外源的激素或酶等生化物质。并且结瘤率较高，因此，对于大田生产应用来说，则更靠近了一步。另外，山东大学的聂延富，中国农业科学院土壤肥料研究所的陈廷伟，澳大利亚悉尼大学的詹耀曾等应用植物生长素2，4－D处理小麦根系，引导根瘤菌进入小麦根部形成根瘤，这种根瘤的结构及应用的可能性还在研究之中。这儿个小组所获得的水稻根瘤，都没有有力的证据显示其水稻根瘤具有固氮活性。现在许多实验室的科学家都正进行水稻结瘤和固氮的探索，在今后的20～30年内，这仍是固氮生物学家努力的方向。近期的研究目标将是对水稻根瘤的发生、发育及其结构做进一步的探讨，阐明根瘤菌与水稻相互识别，侵染方式的细胞学基础和分子生化基础，对根瘤菌的遗传改造和筛选，提高结瘤率。远期研究目标则是解决水稻根瘤的隔氧体系，类菌体形成及固氮酶的正常表达及保持固氮活性，以及根瘤内固氮产物的运输，固氮作用的能量供应等问题，使水稻具有固氮能力，减少对氮肥的依赖并增加产量。【参考文献】：1 王洪隆，荆玉祥．豆科植物根瘤发生的分子生物学．植物学通报，1991，8(1)：1～82 Al-Mallah Mk，Davey MR，Cocking EC．Formation of nodular structure on rice seedlings by rhizobia．J．Exp．Bot．1989，40：473～4783 Ausubel FM．Application of recombinant DNAtechnology to the study of nitrogen fixation．In Recent Advances in Biological Nitrogen Fixation(ed．N．S．Subba Rao)pp257～280，Edward Annold，19804 Bender GL，Preston L，Barnard D，Rolf BG．Formation of nodule-like structure on the roots of the non-legumes rice and wheat．In：“8th International Congress on Nitrogen Fixation．”H15，May，20～26，Knoxville，Tennessee，USA5 Dixon RA，Postgate JR．Genetic transfer of nitrogen fixation from Klebsiella pneumoniae to Escherichia coli．Nature 1972，274：102～1046 Jing Y，Li GS，Shan XQ，Li JG．Rice root nodules with nitrogenase and hemoglobin．In：“8th International Congress on Nitrogen Fixation．”H16，May，20～26，1990，Knoxville，Tennessee，USA7Li GS，Jing Y，Shan XQ，Wang HL，Guan CH．Identification of rice nodules that contain Rhizobium bacteria．Chinese J．Bot．1991，3：8～178 Moffat AS，Nitrogen-fixating bacteria find new partner．Science，1990，250：910～9129 Mielsen SE．Rhizobia transformants which symbiotically fixes nitrogen in non-legumes，a material for treating seeds of a non-legume plant，non-legume seeds，a non-legume plant and a method for producing rhizobia transconjugants．Denmark patent，86，0013710 Plazinski J，Innea RW，Rolf BG．Expression of Rhizobium trifolii early nodulation genes on maize and rice plants．J．Bacteriol．1985，163：812～815(中国科学院植物研究所王洪隆、荆玉祥撰) |
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