茶树根际固氮菌研究进展

贺望兴 胡桂萍 石旭平 李琛 邓鹏

(江西省蚕桑茶叶研究所 330202)

茶树根际固氮菌研究进展

贺望兴 胡桂萍 石旭平 李琛 邓鹏

(江西省蚕桑茶叶研究所 330202)

随着绿色生态农业兴起和发展，茶产业进入绿色、生态、环保的产业升级和转换期。生物固氮是指固氮菌将大气中的氮气还原成氨的过程，在绿色生态农业可持续发展、化肥减量减施、环境生态保护等方面具有重要的意义。茶树根际固氮菌是指分布于茶树根际表面土壤环境中的一类具有固氮能力的微生物，有利于茶树的生长发育、品质提升以及茶树抗逆性增强等作用。从茶树根际固氮菌的多样性、影响因素以及对茶树的作用、研究技术等方面综述茶树根际固氮菌的研究进展，同时探讨了固氮菌在农业可持续发展中的应用前景。

茶树；根际固氮菌；研究进展

1 引言

生物固氮是指固氮菌将大气环境中的氮气通过自生固氮、共生固氮和联合固氮等方式转化为可供植物体利用的氮肥的过程。生物固氮是为农作物提供氮肥的主要途径，是一种保持农业可持续发展的生物机制，具有经济、绿色、环保、无污染等优点[1]。植物根际长期受作物根系生理活动的影响，逐步形成特定的物理、化学和生物特性，直接影响着作物的生长、发育、抗病性、生产力等生理和遗传特征。

茶树根际环境是茶树根系生长发育、吸收营养成分和新陈代谢的场所，同时茶树根系的生长与土壤中栖居的有益微生物群落息息相关。近年来研究学者陆续在小麦[2]、棉花[3]、玉米[4]等各种植物的体表环境中筛选到了多种固氮菌，但对于茶树根际的固氮菌的报道不多。笔者综述了茶树根际固氮菌的研究进展，并根据生物固氮当前的研究热点，提出了生物固氮作用的发展趋势和方向，以期为固氮菌在茶树生产中利用提供参考，为生态茶园建设提供技术和理论依据。

2 茶树根际固氮菌多样性

土壤环境中的固氮菌非常丰富，据报道目前已经发现一百多个属的固氮菌[5]，同时每年还有新发现的固氮菌不断被报道[6～7]。茶园中长期种植各种茶树品种，其土壤环境已经形成了特定的微生物群落，其中固氮菌是非常重要的功能微生物群落之一，它在氮循环中扮演着不可或缺的作用，其物种多样性直接影响着氮循环进程及固氮资源的利用。

Baldani[8]根据菌体能否定殖在植物组织内，将固氮菌划分为根际固氮菌和内生固氮菌。根际固氮菌是指定殖于植物根表的所有固氮细菌。茶树根际固氮菌主要包括固氮菌属、氮单孢菌属、拜耶林克氏菌属和德克斯氏菌属等[9]。田永辉采集不同茶园地0～20cm和20～40cm土层中不同茶树品种的根系，然后通过培养基分离法筛选得到大量茶树根际固氮菌，菌株鉴定结果表明茶树根际固氮菌群落组成大致可分为3大类10个种类78个个体[10]：一是活跃固氮微生物，主要由杆状固氮菌(占14.21%)、梭状固氮菌(占21.05%)、球状固氮菌(占13．16%)等组成；二是微嗜氮微生物，主要由芽孢杆菌(占15.16%)、磷细菌(占9.53%)等组成；三是联合固氮微生物，主要由真菌类(占12.53%)、放线菌(占1.63%) 等组成。

调查数据显示，山东省公办园教师月工资收入3500元以下者占86.29%，民办园占98.07%，公办园为教师全部办理“五险一金”的占21.32%，民办园仅为12.08%。可见，学前教师的工资普遍较低，办理“五险一金”的比例也很低，微薄的工资收入和缺位的社会保障待遇直接影响学前教师的职业吸引力，造成学前教师的大量流失，使本就匮乏的师资力量雪上加霜。

3 茶树根际固氮菌的影响因素

3.1 土壤类型及物理性状

3.3 栽培方式及管理措施

在上述过程中，如果列车ProSe服务器判定列车所在的位置周围没有可以进行D2D通信的合适列车，则通知请求列车；请求列车收到相关信息后停止发送发现请求，并在一段时间后再重新发起请求。考虑到ATS以及ProSe服务器可能因为故障而做出错误的判断，发起列车识别的列车在收到服务器发出的无可行车车通信链路的报告后，进入周期性的列车自组织发现过程，以保障行车安全；同时，出于对ATS的信任，设备自组织列车识别过程的周期可以设置的较长，以降低列车通信设备和无线网络负担。在列车D2D通信建立后，如果两列通信列车处于前后位置且当前运行线路一致，则后面的列车可以发起追踪请求，进行持续的通信和精细的追踪。

3.2 土壤肥力

茶园土壤肥力状况直接影响茶树根际土壤中菌群落的组成以及数量的大小。高旭辉等[14]研究发现不同肥力状况的土壤茶树根际土壤中固氮菌等有益细菌数量差异较大。田永辉等[15]报道当茶树年龄一致的情况下，茶树根际土壤中固氮菌的数量与土壤养分含量成正比例关系，土壤肥力好的土壤固氮菌数量多，土壤肥力贫瘠的土壤固氮菌数量少，此时茶树的树龄对有益细菌的生长繁殖影响程度最大，只有优势菌种群可以生长繁殖，弱势群体被淘汰。

土壤类型及物理性状对茶树根际固氮菌种群、生长特性以及分布特征具有重要的影响。田永辉等[11]采用定点定位方法研究了土壤类型及物理性状对茶树根际固氮菌的影响，研究结果表明：茶园硅质黄壤中根际固氮菌种类数、个体数最多，黄壤中根际固氮菌种类数、个体数最少，砂页岩黄壤茶树根际固氮菌种类数、个体数介于两者之间。李庆康等[12]报道固氮菌类群的生长繁殖受到土壤环境影响，适应土壤环境的菌生长旺盛，不适应者被淘汰，最常见不利影响体现在土壤pH值降低，其次是钙、镁等盐含量减少，活性铝的含量增加等。而在土壤肥力丰富、土质疏松、通气性好、酸碱度适中的茶园中，土壤微生物总量相对较高[13]。

合理的栽培方式有利于茶树根际固氮菌的生长，反之，单一的栽培方式不利于茶树根际固氮菌的生长。韩文炎等[16]报道茶树根际自生固氮菌的多样性指数(Ht)、生态位宽度指数(B)值人工生态茶园>密植免耕茶园>常规茶园。这主要是因为人工生态茶园是由多物种、多层次立体群落组成，改善了茶园空间的气候环境，提高了茶园土壤物理、化学性状，为根际固氮菌的生长发育创造了优越的微生态环境。密植免耕茶园在层次、立体空间方面较差于人工生态茶园，但近地空间微气候环境又优于常规茶园，所以人工生态茶园的固氮菌生长最好，常规茶园最差[17]。

在微课内容上，要保证知识的系统性并做到有始有终。在课程末尾进行一个简明扼要的总结，使知识结构更加立体。同时帮助学生进行知识点的回顾总结，加深所学知识印象。教学者在课程内容安排上还要做到由浅入深、循序渐进，使学习者能够接受课程安排。针对重点内容，可以合理创设问题情景并确定启发性论题，建立为理解而教的目标，使学生对内容产生浓厚的兴趣，主动做课堂的参与者。

茶园的人为管理措施对土壤菌群落的组成和数量影响也很大，其中尤以施肥的管理措施对土壤微生物的影响最大。在常规茶园管理中通过施肥来提高茶园土壤养分含量，但是施肥过多会抑制土壤微生物的生长，降低土壤的理化特性。比如氮肥施入过多会抑制大多数菌类群的繁殖，这主要是因为氮肥在大量长期使用后导致土壤酸化，从而抑制菌的繁殖。茶园通常使用稻草覆盖的方式来解决茶园水分蒸发以及杂草丛生等问题，经研究发现覆盖方式有利于土壤微生物生长，茶园土壤优势菌种类增多，多样性更加丰富[18]。同时茶园在使用农药的同时会抑制土壤中有益菌的数量，使土壤菌体系退化。

3.4 茶树根系分泌物

对于黏性情形, 计算域及网格点不变, 取Re=400, 800, 1 600, 3 000, 这是一组低分辨率数值模拟. 将原始WENO-CU6-M2格式的改进B的结果与已有LES模型对比, 如动态Smagorinsky模型和Hickel等[21]的自适应局部反卷积模型(adaptive local deconvolution model, ALDM), 且Brachet等[22]的直接数值模拟(direct numerical simulation, DNS)数据用作参照解.

根系分泌物[19]是指在一定生长条件下，茶树根系释放到根际土壤环境中有机物的总称。根系分泌物不仅为根际菌提供生长所需的能源，而且不同根系分泌物直接影响着根际菌的数量和种群结构。Darrah等[20]模拟了可溶性碳同根际菌以及死亡量的水平和垂直分布，结果表明：根际菌的分布与沿根的可溶性碳的分布距离有关，菌生物量的积累依赖于根系分泌物的释放。分泌物越多，菌生长越旺盛；根系分泌物除了可以影响根际菌的种群数量外，还可以通过改变根分泌物成分来控制根际菌种类。Marschner等[21]通过接种菌根实验发现菌根会减少根系分泌有机物的量和改善培养液成分，从而进一步影响到根际某些菌的种群密度和种类。Turner等[22]认为根际矿物营养的改变会影响根系分泌物的种类和数量，从而间接地影响根际菌的种群密度和种类。这就是不同植物根际发育不同种类菌的原因。根系分泌物作用于根系周围环境产生根际效应，同时根际菌在植物根系趋向性聚居并通过各自的代谢活动分解转化根系分泌物和脱落物，对根系分泌物起着重要的修饰限制作用。根系分泌物数量增加，为根际菌提供了更多的能源，促进根际菌的新陈代谢。根际菌种类和数量丰富，根系发达，根际分泌物多，从而促进茶树的生长发育。

4.1 有利于茶树的生长发育和品质提升

除了以上影响因素外，田永辉[15]报道茶树根际固氮菌还受到茶树树龄和品种的影响，具体表现为：青壮年的茶树根际土壤中固氮菌群落结构复杂稳定，而茶树处于衰老期时固氮菌群落结构单一，数量少；优良品种的茶树根际菌群落的多样性指数大、数量多，茶树生长旺盛。高旭辉[14]报道季节对茶树主要根际菌的数量以及种类有很大影响，在9～10月份最多，1月份最少，推测主要是与各季节内温湿度有关系。

的确，作为一个专精于打造全地形SUV的品牌，路虎一直做得很出色。但如果仅仅依靠简单可靠的卫士系列和身价有些高不可攀的揽胜家族，这个品牌也绝对发展不到今天的规模。在上世纪80年代末，一个在野外和公路，实用与舒适之间平衡得恰到好处的全新车型的面世，让路虎品牌有了长足的发展和进步，也让更多消费者体验到了SUV这个在当时还算新颖的概念的独到之处。

4 根际固氮菌对茶树的作用

3.5 其他

茶树生物菌肥在提高茶叶产量和品质方面已经显示出较好的应用前景。茶树根际土壤中固氮菌的种类、数量越多，茶树生长越好，茶叶品质越高。成泽艳[23]采用单因素随机区组试验设计方法，研究了茶树生物菌肥、化肥和有机肥等施肥方案对茶叶产量和茶叶芽头密度、百芽重、茶多酚、咖啡碱和氨基酸含量等主要生化性状的影响。试验结果表明：施用生物菌肥、化肥和有机肥均能使茶叶主要理化性状明显提高，但施用生物菌肥在提高茶叶产量以及茶叶中茶多酚、咖啡碱和氨基酸含量效果最显著。究其原因是由于固氮菌等菌肥可以提高茶树的光合效率和茶树根系酶活性，能分泌多种植物激素，促进作物根系生长，提高茶树对磷、氮、钾、镁、铜、钙和铁等矿质元素的吸收能力。

4.2 提高抗逆性

地理以及环境因素的影响是不可避免的。比如在春夏雨水较多的季节，高速路面会形成积水，长此以往也会影响到高速公路桥梁的结构。除此之外，有些地方冬季气温骤降，低温会导致路面的开裂；而冬季降雪后雪水融化渗入混凝土，又会对内部构造进行腐蚀，最终导致桥面的开裂，影响高速公路的使用。如果不能及时对这些问题进行解决，那么便会严重缩短高速公路桥梁的使用寿命。

固氮菌可以通过营养竞争和位点竞争来抑制病原菌生长。通常在植物根系表面存在着一块适合细菌生长和繁殖的有利区域，该区域具有根系分泌物较多、水分湿度较大等适合细菌生长的环境优势，固氮菌等促生菌可以抢先占据这些位点，阻止病原菌在这些位点地建立，然后充分地利用根围营养和分泌物，减少病原菌生长所必需的营养物质，从而提高茶树等作物的抗逆性。丁延芹等[24]报道固氮菌等促生菌通常可以产生大量的铁载体，该载体对Fe3+具有超强络合能力，其主要功能是向菌提供铁素养分。当铁载体产量丰富的促生根际细菌在与不能产生铁载体或者产生较少的有害菌竞争铁元素养分时占有优势，进而抑制有害菌在根际的生长和繁殖并表现出生防作用。其他抗逆机制还有诸如通过分泌蛋白类抗菌物质或者非蛋白类抗菌物质来抑制病原菌生长；利用生物或者非生物因子处理植物，诱导植物高表达产生一些具有抗逆活性的物质，从而形成一套物理的或者化学的防御机制，来提高植物的抗逆性。

5 茶树固氮菌的研究方法进展

除了传统方法，如用传统菌株筛选方法从环境中筛选出固氮菌，用16S rRNA测序技术对固氮菌进行分子鉴定，对固氮菌的影响因素分析以及固氮菌的功效研究等，目前固氮菌研究技术已发展到基因组学和蛋白质组学分析。大量模式根瘤菌[25]和豆科植物[26～29]的全基因组已经完成测序，这些序列信息为研究固氮菌的功能基因组学和蛋白质组学奠定了基础。在基因组学的基础上进一步发展出了比较基因组学、功能基因组学、转录组学以及蛋白质组学和代谢组学，这些方面的研究进一步促进了固氮菌与宿主植物互作的分子机理、固氮基因的起源和进化、基因的水平转移等内容的研究。在比较基因组学上，对豆科植物根瘤和共生菌根的基因组差异研究，有助于揭示两者与共生相关的基因及其调控机制。在转录组学上，国外学者的研究主要集中在对根瘤菌转录组的分析上以及转录组对共生体形成的分子调控方面[30]。蛋白质组学是基因组学和转录组学的最终体现，目前对蛋白质组学的研究主要体现在根系-菌互作以及蛋白质互作方面[31]。代谢组学研究有助于阐明类菌体中小分子效应物参与的碳代谢、氮代谢、硫代谢及其调控体系，有助于了解生物固氮分子机理，揭示代谢之间复杂的偶联调控机制。随着基因组学和蛋白质组学的发展，从分子水平到代谢途径通过译码豆科植物和非豆科植物的差异，为非豆科植物共生结瘤固氮提供理论支撑。无疑，基因组学和蛋白质组学的研究具有重要的理论意义和实践意义。

6 结论与展望

目前，茶树根际固氮菌在改良土壤、提高土壤养分含量、提高茶叶品质和产量、生物防治等方面已有所研究，但人们对茶树根际固氮菌的研究还尚未重视，尤其是茶树根际固氮菌与茶园土壤酶、微生物多样性及茶树根系生长发育的关系方面的研究还非常少。随着基因组学和蛋白质组学等现代新科学的发展和渗透，人们对固氮菌的研究也将进入一个更高的发展阶段，茶树根际固氮菌与宿主植物互作的分子机理、调控机制以及固氮基因的起源和进化等方面的研究将得到广泛关注。固氮菌的深入研究发展，特别是豆科植物的共生固氮体系应用到非豆科植物体内将直接增加全球每年由固氮生物固定的氮肥量，提高农作物产品的质量和品质，将进一步有效减少农作物生产过程中的施肥量，降低农作物生产成本，缓解施用过量化肥对全球生态环境的污染程度。有利于我国农业结构的调整，推动我国现代农业走绿色、生态、环保的可持续发展道路。

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江西省科技厅支撑重点项目(编号：20151BBF6001)，江西省科技合作重点项目(编号：20161BBH80071)。