固氮菌的研究论文

固氮菌的研究论文

作为中国近代土壤学和肥料学奠基人之一的彭家元先生（1897—1966），毕生从事农业教育和土壤肥料科学研究工作，发表了一批学术价值极高的研究报告，培养了土壤农化学术领域的众多英才，为我国土壤学和肥料学的发展做出了卓越贡献。1924年彭家元先生由美返国，先后在北平农业大学（现中国农业大学前身）、厦门集美农学校、广东中山大学农学院、武汉大学农学院任教，后因日军侵占武汉失守，转辗到川；1938—1948年任四川农业改进所技正兼农林化学系主任、农事试验总场场长；1939—1966年先后任四川大学农学院教授、农学院院长、农化系主任、四川农学院教授兼土壤农化教研室主任。1966年逝世。铭记彭家元先生一生中最辉煌的教学研究基地是北平大学、中山大学和四川农学院。彭家元先生知识广博，治学严谨，工作认真负责，他是我国现代土壤学、肥料学的奠基人之一，对土壤学、肥料学、土壤微生物学、水土保持等学科作出了重大贡献。彭先生编著的《肥料学》于1934年1月由上海商务印书馆出版，是我国大学丛书中出版的最早一本肥料学。彭先生在该书自序中写到：“培植农作物不施肥，纵系沃土必逐渐减少收成，施肥不足尤难望丰收……吾人的科学立场观之，化学肥料之本身，固有缺点，用之得当确可增加生产……而我国农民仅知有硫酸亚之一种氮肥肥料，而忽视磷钾肥料，甚至不与天然之有机肥料益用，此又系失察之一端……故天然肥料之为何提倡，化学肥料为何使用，以补救目前肥料不足之恐慌，同时务期有利有弊，得最良为之结果，是不能不于各种肥料之性质，及施用方法现实也。更有奸商掺假，鱼目混珠，关于肥料选择鉴别，亦不能不加以注意也”。61年前彭家元先生编写的《肥料学》代表了当时中国肥料学的最高水平，较长时间为多所大学采用，至今读起仍有启迪。从1929年至1937年，彭家元在中山大学创办的《农声》杂志及《土壤与肥料》杂志上发表了多篇有关土壤微生物的的研究论文，如《土壤细菌对于矿物成分之变化》，在国内率先研究了细菌对土壤形成的作用。继之，探讨了土壤微生物在生物小循环中的作用。1936年，他在《土壤与肥料》杂志上报道了黑曲菌、白霉菌对广东土壤有效磷的转化结果。其后同陈禹平一道发表了《广东土壤中氮素固氮菌之分离研究》，这是我国研究固氮微生物最早的一批论文之一。他引进国外土壤微生物的分离和接种技术，探讨了土壤微生物与土壤肥力及植物营养的三边关系，研究了土壤微生物类群的作用。这些论文都是探讨土壤中的细菌、真菌对氮、磷、钾元素的转化作用，为我国细菌肥料的应用奠定了基础，特别是对固氮菌生态条件的研究和固氮菌分类很有参考价值，为国内初创。与此同时，彭家元与陈禹平还根据好热性纤维分解菌，以彭家元、陈禹平二人名义定名为“元平菌”，发表了《元平式速成堆肥》一文，为我国充分利用作物稿杆等有机质制造高效有机肥（堆肥）、开辟肥源提出了行之有效的措施，是我国20世纪40年代在农业推广的新技术之一。直至50年代中期，他还陆续发表了《关于高温堆肥之我见》等论文，指出农村充分利用有机质肥料，培肥土壤，是提高农业生产的有效途径，以避免对秸秆一火而焚之的落后办法。新中国成立后，彭先生亲历新政权的作为和党对知识分子的政策，使他激发出更大的工作热情。特别是1956年四川农学院在雅安独立建院后，土壤农化专业于1959年恢复招生，1960年恢复了土壤农化系建制，彭先生更为教学、科研和师资队伍建设殚精竭虑。他不顾已屈“耳顺”之年的高龄，同年轻人一道，风餐露宿，徒步翻越海拔3000多米的二郎山，对雅安山区土地资源进行调研；不畏艰苦，率众改良下湿田，建立和改善校内实习基地；同年轻教师和学生一道下田栽秧打谷。教学上，先生治学严谨，精益求精。大年初一，年轻教师去他家拜年时，他还在精心备课。彭先生每次讲稿都要重写。指导年轻教师讲课、备课，热情帮助和鼓励他们上好课。在彭先生崇高精神的影响下，四川农学院农化系师生发扬优良的教风和学风，教书育人，积极治学。在雅安独立建院后有突出建树的不乏其人，如曾任中国—欧盟农业技术中心顾问、中国土壤学会副理事长、中国植物营养与肥料学会副理事长、现任四川省农业科学院名誉院长的朱钟麟研究员等。20世纪60年代中期，彭家元先生虽已年近7旬，但仍精神矍铄，以饱满的热情投入到教学科研工作中。遗憾的是，“文化大革命”的风暴，给他和他的家人带来巨大的痛苦和灾难。他被打成“反动学术权威”，遭到长期批斗，身心受到极大伤害，终于1966年9月3日不幸辞世，时年69岁。痛哉！对先生的不幸遭遇，他遍布国内外的学生以及亲友、同事无不扼腕叹息。今天，当我们目睹彭先生创建的四川农业大学资源环境学院以及他曾工作过的农业院校、科研院所，他作为奠基人和开拓者之一的土壤农化事业，他参与创立的中国土壤学会，取得了前所未有的发展和成就的时候，当全国众多的土壤农化工作，为彭先生等老一辈科学家奠基的土壤农化事业不懈奋斗，土壤农化事业必将步入更加辉煌时代的时候，想必先生会在九泉含笑，他的在天之灵会得以慰藉。

研究发现植物木质部的“肠道菌群”，可帮玉米固氮

2022年6月11日， Nature Communicatons 杂志在线发表了来自 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所艾超课题组 题为“A highly conserved core bacterial microbiota with nitrogen-fixation capacity inhabits the xylem sap in maize plants”的研究论文。该研究揭示 在玉米植物的木质部汁液中 具有固氮能力且高度保守的核心细菌微生物群，该类固氮细菌能为玉米提供氮营养，类似人类的 “肠道细菌群” 。

与人类微生物组类似，植物微生物组被称为植物的第二个基因组，对植物生长至关重要。 以往研究表明，微生物组在玉米生产中具有重要作用。例如，在墨西哥贫氮 (N) 土壤中进行的田间试验表明，玉米地方品种气生根的粘液富含固氮菌，它们贡献了 29-82% 的玉米 N 营养【PLOS Biology】玉米也能固氮？气生根的粘液发挥作用！。因此，有针对性地操纵作物微生物组代表了一种有前途的方法，可以在未来最大限度地提高可持续作物生产。

以前的研究主要在植物叶际微生物组【Nature】 开启新领域！植物叶际微生物群的稳态维持机制被揭示和根系微生物组【Nature Biotech】植物学报点评！研究发现根系微生物组促进水稻氮利用！。然而，关于木质部里的微生物群与植物生长发育之间的功能关系知之甚少。

该研究通过评估不同土壤类型、气候区和基因型的玉米微生物组的组装和功能，发现茎木质部选择性地招募以 γ‐变形菌纲Gammaproteobacteria 为主的高度保守的细菌。在木质部汁液中鉴定的 25 个核心细菌分类群中，有几个分离的菌株被证实是具有固氮活性或有助于生物固氮。

在此基础上，该研究建立了由两个核心固氮菌和两个辅助菌组成的合成群落（SynComs）。GFP 标记的菌株和15 N 同位素稀释方法表明，SynComs在植物中的内生生活方式和固氮能力。这些 SynCom 通过生物固氮贡献了 11.8% 的玉米茎中积累的总氮。有趣的是，SynComs 还增加了根干生物量，表明核心内生菌与其宿主之间存在多机制协同相互作用。

综上所述，该研究揭示了玉米特异性地在木质部汁液中招募了一个核心微生物群，该微生物群在环境条件和基因型中都是保守的。这种核心微生物群通过生物固氮促进植物 N 营养并促进根系发育。因此，木质部汁液中的这些微生物群代表了一种未开发的资源，可以开发替代微生物生物技术，以提高可持续农业中的作物性能。

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微生物(microorganism简称microbe)是包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物等在内的一大类生物群体，它个体微小，却与人类生活密切相关。微生物在自然界中可谓“无处不在，无处不有”，涵盖了有益有害的众多种类，广泛涉及健康、医药、工农业、环保等诸多领域。

一般地，在中国大陆地区的教科书中，均将微生物划分为以下8大类：细菌、病毒、真菌、放线菌、立克次体、支原体、衣原体、螺旋体。
能引起人和动物致病的微生物叫病源微生物有八大类：
1.真菌:引起皮肤病。深部组织上感染。
2放线菌：皮肤，伤口感染。
3螺旋体：皮肤病，血液感染 如梅毒，钩端螺旋体病。
4细菌：皮肤病化脓，上呼吸道感染 ，泌尿道感染，食物中毒，败血压症，急性传染病等。
5立克次氏体：斑疹伤寒等。
6衣原体：沙眼，泌尿生殖道感染。
7病毒：肝炎，乙型脑炎，麻疹，艾滋病等。
8支原体：肺炎，尿路感染。
生物界的微生物达几万种，大多数对人类有益，只有一少部份能致病。有些微生物通常不致病，在特定环境下能引起感染称条件致病菌。 能引起食品变质，腐败，正因为它们分解自然界的物体，才能完成大自然的物质循环。
有些人误将真菌当作细菌，是一种比较普遍的误解。尤其以80年代以前未受过系统生物学教育者。

微生物对人类最重要的影响之一是导致传染病的流行。在人类疾病中有50％是由病毒引起。世界卫生组织公布资料显示：传染病的发病率和病死率在所有疾病中占据第一位。微生物导致人类疾病的历史，也就是人类与之不断斗争的历史。在疾病的预防和治疗方面，人类取得了长足的进展，但是新现和再现的微生物感染还是不断发生，像大量的病毒性疾病一直缺乏有效的治疗药物。一些疾病的致病机制并不清楚。大量的广谱抗生素的滥用造成了强大的选择压力，使许多菌株发生变异，导致耐药性的产生，人类健康受到新的威胁。一些分节段的病毒之间可以通过重组或重配发生变异，最典型的例子就是流行性感冒病毒。每次流感大流行流感病毒都与前次导致感染的株型发生了变异，这种快速的变异给疫苗的设计和治疗造成了很大的障碍。而耐药性结核杆菌的出现使原本已近控制住的结核感染又在世界范围内猖獗起来。
微生物千姿百态，有些是腐败性的，即引起食品气味和组织结构发生不良变化。当然有些微生物是有益的，它们可用来生产如奶酪，面包，泡菜，啤酒和葡萄酒。微生物非常小，必须通过显微镜放大约1000 倍才能看到。比如中等大小的细菌，1000个叠加在一起只有句号那么大。想像一下一滴牛奶，每毫升腐败的牛奶中约有5千万个细菌，或者讲每夸脱牛奶中细菌总数约为50亿。也就是一滴牛奶中可有含有50 亿个细菌。

微生物能够致病，能够造成食品、布匹、皮革等发霉腐烂，但微生物也有有益的一面。最早是弗莱明从青霉菌抑制其它细菌的生长中发现了青霉素，这对医药界来讲是一个划时代的发现。后来大量的抗生素从放线菌等的代谢产物中筛选出来。抗生素的使用在第二次世界大战中挽救了无数人的生命。一些微生物被广泛应用于工业发酵，生产乙醇、食品及各种酶制剂等；一部分微生物能够降解塑料、处理废水废气等等，并且可再生资源的潜力极大，称为环保微生物；还有一些能在极端环境中生存的微生物，例如：高温、低温、高盐、高碱以及高辐射等普通生命体不能生存的环境，依然存在着一部分微生物等等。看上去，我们发现的微生物已经很多，但实际上由于培养方式等技术手段的限制，人类现今发现的微生物还只占自然界中存在的微生物的很少一部分。

微生物间的相互作用机制也相当奥秘。例如健康人肠道中即有大量细菌存在，称正常菌群，其中包含的细菌种类高达上百种。在肠道环境中这些细菌相互依存，互惠共生。食物、有毒物质甚至药物的分解与吸收，菌群在这些过程中发挥的作用，以及细菌之间的相互作用机制还不明了。一旦菌群失调，就会引起腹泻。

随着医学研究进入分子水平，人们对基因、遗传物质等专业术语也日渐熟悉。人们认识到，是遗传信息决定了生物体具有的生命特征，包括外部形态以及从事的生命活动等等，而生物体的基因组正是这些遗传信息的携带者。因此阐明生物体基因组携带的遗传信息，将大大有助于揭示生命的起源和奥秘。在分子水平上研究微生物病原体的变异规律、毒力和致病性，对于传统微生物学来说是一场革命。

以人类基因组计划为代表的生物体基因组研究成为整个生命科学研究的前沿，而微生物基因组研究又是其中的重要分支。世界权威性杂志《科学》曾将微生物基因组研究评为世界重大科学进展之一。通过基因组研究揭示微生物的遗传机制，发现重要的功能基因并在此基础上发展疫苗，开发新型抗病毒、抗细菌、真菌药物，将对有效地控制新老传染病的流行，促进医疗健康事业的迅速发展和壮大!

从分子水平上对微生物进行基因组研究为探索微生物个体以及群体间作用的奥秘提供了新的线索和思路。为了充分开发微生物（特别是细菌）资源，1994年美国发起了微生物基因组研究计划（MGP）。通过研究完整的基因组信息开发和利用微生物重要的功能基因，不仅能够加深对微生物的致病机制、重要代谢和调控机制的认识，更能在此基础上发展一系列与我们的生活密切相关的基因工程产品，包括：接种用的疫苗、治疗用的新药、诊断试剂和应用于工农业生产的各种酶制剂等等。通过基因工程方法的改造，促进新型菌株的构建和传统菌株的改造，全面促进微生物工业时代的来临。

工业微生物涉及食品、制药、冶金、采矿、石油、皮革、轻化工等多种行业。通过微生物发酵途径生产抗生素、丁醇、维生素C以及一些风味食品的制备等；某些特殊微生物酶参与皮革脱毛、冶金、采油采矿等生产过程，甚至直接作为洗衣粉等的添加剂；另外还有一些微生物的代谢产物可以作为天然的微生物杀虫剂广泛应用于农业生产。通过对枯草芽孢杆菌的基因组研究，发现了一系列与抗生素及重要工业用酶的产生相关的基因。乳酸杆菌作为一种重要的微生态调节剂参与食品发酵过程，对其进行的基因组学研究将有利于找到关键的功能基因，然后对菌株加以改造，使其更适于工业化的生产过程。国内维生素C两步发酵法生产过程中的关键菌株氧化葡萄糖酸杆菌的基因组研究，将在基因组测序完成的前提下找到与维生素C生产相关的重要代谢功能基因，经基因工程改造，实现新的工程菌株的构建，简化生产步骤，降低生产成本，继而实现经济效益的大幅度提升。对工业微生物开展的基因组研究，不断发现新的特殊酶基因及重要代谢过程和代谢产物生成相关的功能基因，并将其应用于生产以及传统工业、工艺的改造，同时推动现代生物技术的迅速发展。

农业微生物基因组研究认清致病机制发展控制病害的新对策

据资料统计，全球每年因病害导致的农作物减产可高达20％，其中植物的细菌性病害最为严重。除了培植在遗传上对病害有抗性的品种以及加强园艺管理外，似乎没有更好的病害防治策略。因此积极开展某些植物致病微生物的基因组研究，认清其致病机制并由此发展控制病害的新对策显得十分紧迫。

经济作物柑橘的致病菌是国际上第一个发表了全序列的植物致病微生物。还有一些在分类学、生理学和经济价值上非常重要的农业微生物，例如：胡萝卜欧文氏菌、植物致病性假单胞菌以及我国正在开展的黄单胞菌的研究等正在进行之中。日前植物固氮根瘤菌的全序列也刚刚测定完成。借鉴已经较为成熟的从人类病原微生物的基因组学信息筛选治疗性药物的方案，可以尝试性地应用到植物病原体上。特别像柑橘的致病菌这种需要昆虫媒介才能完成生活周期的种类，除了杀虫剂能阻断其生活周期以外，只能通过遗传学研究找到毒力相关因子，寻找抗性靶位以发展更有效的控制对策。固氮菌全部遗传信息的解析对于开发利用其固氮关键基因提高农作物的产量和质量也具有重要的意义。

环境保护微生物基因组研究找到关键基因降解不同污染物

在全面推进经济发展的同时，滥用资源、破坏环境的现象也日益严重。面对全球环境的一再恶化，提倡环保成为全世界人民的共同呼声。而生物除污在环境污染治理中潜力巨大，微生物参与治理则是生物除污的主流。微生物可降解塑料、甲苯等有机物；还能处理工业废水中的磷酸盐、含硫废气以及土壤的改良等。微生物能够分解纤维素等物质，并促进资源的再生利用。对这些微生物开展的基因组研究，在深入了解特殊代谢过程的遗传背景的前提下，有选择性的加以利用，例如找到不同污染物降解的关键基因，将其在某一菌株中组合，构建高效能的基因工程菌株，一菌多用，可同时降解不同的环境污染物质，极大发挥其改善环境、排除污染的潜力。美国基因组研究所结合生物芯片方法对微生物进行了特殊条件下的表达谱的研究，以期找到其降解有机物的关键基因，为开发及利用确定目标。

极端环境微生物基因组研究深入认识生命本质应用潜力极大

在极端环境下能够生长的微生物称为极端微生物，又称嗜极菌。嗜极菌对极端环境具有很强的适应性，极端微生物基因组的研究有助于从分子水平研究极限条件下微生物的适应性，加深对生命本质的认识。

有一种嗜极菌，它能够暴露于数千倍强度的辐射下仍能存活，而人类一个剂量强度就会死亡。该细菌的染色体在接受几百万拉德a射线后粉碎为数百个片段，但能在一天内将其恢复。研究其DNA修复机制对于发展在辐射污染区进行环境的生物治理非常有意义。开发利用嗜极菌的极限特性可以突破当前生物技术领域中的一些局限，建立新的技术手段，使环境、能源、农业、健康、轻化工等领域的生物技术能力发生革命。来自极端微生物的极端酶，可在极端环境下行使功能，将极大地拓展酶的应用空间，是建立高效率、低成本生物技术加工过程的基础，例如PCR技术中的TagDNA聚合酶、洗涤剂中的碱性酶等都具有代表意义。极端微生物的研究与应用将是取得现代生物技术优势的重要途径，其在新酶、新药开发及环境整治方面应用潜力极大。

罗明的学术论文

⑴ 韩剑，徐金虹，王同仁，罗明*.枣疯病植原体新疆分离物16S rDNA基因克隆与序列分析.西北农业学报.2012,（21）4:179-18⑵ 罗 达，潘存德，周 俊，罗明*. 干旱及盐双胁迫下内生固氮菌接种对多枝柽柳实生苗生理特性的影响.干旱区地理.2012,1⑶ 韩剑，张静文，徐文修，罗明* ，吴莉莉.新疆连作、轮作棉田可培养土壤微生物区系及活性分析.棉花学报.2011,（23）1：69～74⑷ 董代幸,韩剑,罗明*,张祥林.马铃薯病毒一步法多重RT-PCR检测技术的构建. 微生物学通报.2011,(38)1:131～137⑸ 季华，罗明*，潘存德.荒漠灌木对环境因子的适应性研究.中国沙漠.2011,（31）4：1-6⑹ 王卫霞， 罗明*，潘存德. 塔里木河下游几种荒漠植物根际土壤微生物及其活性.中国沙漠.2010，（30）3：310～314⑺ 董代幸，罗明*，王丽丽，韩剑.乌鲁木齐地区马铃薯纺锤块茎类病毒的检测与序列分析.西北农业学报.2010,(19)9：⑻ 罗明 ，韩剑，蒋平安，武红旗.新疆罗布泊地区可培养嗜盐细菌种群多样性研究.生物多样性.2009，（17）3：288～295⑼ 李倍金, 罗明, 周俊, 孔德江, 张铁明.几种禾草内生固氮菌的分离及固氮活性测定. 草业学报.2008,(17)5:37-42⑽ 罗 明, 芦 云, 张祥林, 程钟剑.内生拮抗细菌在哈密瓜植株体内的传导定殖和促生作用研究. 西北植物学报, 2007, 27( 4) : 0719- 0725⑾ 罗 明, 陈金焕, 张祥林, 封 伟.内生细菌和几种诱抗剂对哈密瓜叶片防御酶系活性的影响.中国生物防治.2007,23( 3):250- 254⑿ 蒋平安，罗明*，蒋永衡，杨玉海,艾尔肯.不同种植年限苜蓿地土壤微生物区系及商值（qMB，qCO2）.干旱区地理.2006,(29)2，115-119