豆科植物的共生固氮syonbiotic nitrogen fixation of legume plant

固氮微生物与绿肥作物在常温常压下利用生物能，将空气中游离的氮(N₂)固定并转化为植物可吸收的氨(NH₃)，继而转化成氨基酸等含氮化合物的过程。几乎所有的豆科植物都有相适应的根瘤菌与其共生。放线菌等其它固氮微生物与一些非豆科绿肥以及固氮蓝藻与水生绿肥——绿萍之间也存在共生固氮关系。根瘤菌与豆科绿肥的共生固氮体系在自然界的氮素循环中占有重要地位，在农业生产中久已得到广泛利用。
机理 各种固氮微生物进行固氮作用的生化反应和过程是基本一致的。大气氮分子具有键能很高的三键(N≡N)，要打开它需要很大的能量，故豆科绿肥在常温常压下进行固氮作用，就要借助于成熟根瘤中的一种特殊的蛋白质结构——固氮酶(nitrogenase)来催化完成。
固氮酶由含钼铁金属原子的钼铁蛋白(组分Ⅰ)和含铁原子的铁蛋白(组分Ⅱ)组成的复合体。前者分子量约为22万，由4个亚基组成，含有2个钼原子，24～32个铁原子和24～32个硫(S^2-)，是固氮酶的活性中心。后者分子量6万左右，由2个亚基组成，含有4个铁原子和4个酸不稳定硫，易受氧化破坏。这两组分蛋白质各自单独存在时都没有固氮作用，只有在组合在一起时才成为具有功能的固氮酶。固氮酶对氧特别敏感，与大气中的分子氧接触时就会变性，这种氧中毒是不可逆的。所以固氮过程要求严格的还原条件，即必须在低氧化还原电位条件下固氮酶才能起催化作用。
在成熟的根瘤中，既含有丰富的类菌体，又充满着豆血红蛋白，固氮作用只发生在含有类菌体和豆血红蛋白二者的根瘤中。豆血红蛋白的形成是由植物和根瘤菌的共生关系所诱导的，其合成的遗传信息来自于植物。
豆科绿肥固氮需要能量，在根瘤中能量是由类菌体进行氧化磷酸化产生的。一般固定1毫克N₂需3.8毫克碳源，经呼吸作用通过末端氧化酶系统提供ATP；由三羧酸循环中的丙酮酸、琥珀酸形成的还原型脱氢酶，脱氢酶的活动提供电子和质子。电子传递体由强还原性的电子转移酶铁氧还蛋白(Fd)或黄素氧还蛋白(FId)完成。故保证根系的氧气供应，是产生固态能量的必要条件，但固态酶对氧很敏感，分子氮的还原过程只能在无氧的情况下进行。豆血红蛋白与氧有极高的亲合力，能在极低氧浓度下与氧结合，并迅速传递给类菌体，源源不断地向类菌体输送低浓度高流量的氧，而这极低浓度的氧是不会使固氮酶失活的，从而解决了呼吸和防氧的矛盾。
在固氮过程中有放氢作用会消耗能量，氢酶能使氢氧化，使ADP重新形成ATP并避免氢对固氮酶的抑制作用。固氮产物氨的积累会影响固氮酶的活性，只有氨转化为氨基酸并进一步合成蛋白质后，根瘤菌才能不断地进行固氮。
生物固氮是一个还原过程。N₂在Mg²⁺的参与下，由 ATP释放出能量，当得到电子时，便被还原为NH₃，反应式为：
N₂+6e^-+nMg·ATP+6H⁺→
2NH₃+n Mg·ADP+n H₃PO₄
在此过程中电子流向为：电子由铁氧还蛋白(Fd)传递到铁蛋白上，使铁蛋白还原与Mg·ATP结合形成还原型铁蛋白Mg·ATP的复合物，产生很低的电位势(约-400mV)，使电子传递到钼铁蛋白上，形成还原型钼铁蛋白，并与N₂结合还原为NH₃(图1)。

图1 固氮作用的电子流向

豆科绿肥的共生固氮在类菌体内进行，而氨的同化是在根瘤菌的细胞浆内完成的，类菌体联接三羧酸循环和电子传递链提供电子和ATP，通过铁氧还蛋白把电子传递给固氮酶，将氮还原成氨后，由三羧酸循环提供酮酸形成氨基酸后，再转移给寄主参与氮的代谢(图2)。
影响豆科绿肥与根瘤菌共生固氮的环境因素 根瘤菌菌族和菌株特性以及温度、光照、pH值、通气、水分、营养等诸因素都影响其共生固氮效率。❶根瘤菌菌族和菌株的筛选。根瘤菌与豆科作物共生的专一性很强，某一互接种族根瘤菌只能对本族的几个属、种有效，而对不同族间互接则无效。下表列举几种豆科植物根瘤菌的互接种族。选择活性强的根瘤菌进行接种，可提高有效根瘤的数量、重量及固氮酶活性；
❷温度。不同根瘤菌族在感染根毛，类菌体的发育和固氮时所需最适温度是不同的。如大豆根毛感染最适温度为25℃，类菌体发育22℃，固氮30℃。紫云英生长最适温度15～20℃，超过25℃或低于15℃就不利于根瘤的形成。13～21℃有利于苕子生长和根瘤的固氮。较高温度对固氮有抑制作用；
❸光照。光照对共生固氮有直接影响作用。光照减弱，植物光合作用产物——糖类减少，固氮作用减弱。光照过强对固氮有抑制作用；
❹酸碱度。介质pH值在4.0～8.0范围内均可结瘤，但是，不同豆科作物的共生固氮体系对酸碱度要求不同。苜蓿族根瘤菌要求pH值较高，羽扇豆族、大豆族、豇豆族根瘤菌在酸性土壤中能良好结瘤固氮；
❺通气和水分。根瘤菌是好气性细菌，通气良好才有利于感染、结瘤和提高固氮活性。土壤含氧量以15%～20%为好。土壤湿度一般以田间持水量的60%～70%为佳；
❻营养。合理施肥是促进豆科植物与根瘤菌共生固氮和增加产量的重要措施。尤其在幼苗期尚未固氮，开花结荚期以及多年生绿肥刈割后应适当施用氮肥。但是，在固氮条件较好时，若再施用氮肥，尤其是铵态氮肥会加速根瘤老化，使豆血红蛋白减少，影响固氮作用。增施磷肥可以达到以磷增氮的目的。在缺钾土壤上，增施钾肥能促进固氮，增产显著。在酸性土壤和用石灰调节酸性的土壤或贫瘠的沙土上，施用钙、镁、硫、钼和硼等肥料也是十分必要的。现已证明，钴对结瘤的豆科植物是必须的。添加适量钴，可以促进豆血红蛋白的合成和提高固氮酶活性。

图2 类菌体和豆科根瘤细胞液中固氮酶与有关反应之间的相互关系示意

几种豆科作物根瘤菌的互接种族

互接种族	根瘤菌名称	所属作物
苜蓿族	Rhizobium meliloti	苜蓿属(Medicago)、 草木樨属(Melilotus)、 胡芦巴属(Trigonello)
三叶草族	Rhizobium trifolii	三叶草属(Trifolium)
豌豆族	Rhizobium leguminosarum	豌豆属(Pisum)、 巢菜属(Vicia)、 山黧豆属(Lathyrus)、 滨豆属(Lens)等
菜豆族	Rhizobium phaseoli	菜豆属(Phaseolus)
羽扇豆族	Rhizobium lupini	羽扇豆(Lupinus)和 乌足豆(Ornithopus)
大豆族	Rhizobium japonicum	大豆属(Glycine max) 各品种
豇豆族	Rhizobium sp.	豇豆属(Vigna)、 胡枝子属(Lespedeza)
紫云英族	Rhizobium sp.	紫云英属(Astragalus)