苜蓿根瘤菌及其菌劑研究與應用現狀

摘要：根瘤菌與豆科植物共生是豆科植物固氮的重要方式，苜蓿作為一種優質豆科牧草，應用苜蓿根瘤菌劑可以提升豆科牧草的固氮功能，提高苜蓿產量，降低氮肥使用量，不僅可以改善土壤結構，還能夠降低農業生產成本，進而促進農業可持續發展。本文介紹了根瘤菌研究和應用概況，從根瘤菌、苜蓿根瘤菌劑及促生菌與根瘤菌共接種等方面對苜蓿生長影響進行綜述，并對根瘤菌及相關菌劑研究方向進行展望。

關鍵詞：苜蓿；根瘤菌；促生菌；根瘤菌菌劑

中圖分類號：S541" " " " " " " " "文獻標志碼：A" " " " " " " " "文章編號：2097-2172（2025）01-0001-07

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2025.01.001

Research and Application Status of Alfalfa Rhizobia and Inoculants

YANG Xiaolei YAO Tuo ZHANG Ying ZHANG Yixin ZHANG Li

（1. College of Grassland Science， Gansu Agricultural University， Lanzhou Gansu 730070， China;

2. Key Laboratory for Grassland Ecosystem of Education Ministry， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract：" The symbiosis between rhizobium and leguminous plants is an important way of nitrogen fixation in leguminous plants. As a high-quality leguminous herbage， the use of alfalfa rhizobium agent can improve the nitrogen fixing function of leguminous herbage， increase the yield of alfalfa， reduce the utilization rate of nitrogen fertilizer， which improve the internal structure of soil， reduce the cost of agricultural production and promote the sustainable development of agriculture. Based on this， this paper introduces an overview of the research and application of rhizobia， reviewing the effects of rhizobia， alfalfa rhizobial inoculants， and co-inoculation of growth-promoting bacteria with rhizobia on alfalfa growth. Additionally， the paper looks ahead to future research directions for rhizobia and related microbial agents.

Key words： Alfafa; Rhizobium; Plant growth-promoting rhizobacteria （PGPR）; Rhizobium agent

根瘤菌（Rhizobium）是一類重要的土壤細菌，可以生活在土壤中，也可以與豆科植物互惠互利形成根瘤進行生物固氮［1 ］。豆科植物-根瘤菌共生固氮是目前應用最廣泛的生物固氮方法，它們能夠從植物細胞中攝取必要的營養物質，并將其轉化為氨，以滿足植物的需求。根瘤菌具有寄主專一性，即每種根瘤菌只能在特定種類的豆科植物上結瘤。苜蓿（Medicago）是重要的豆科牧草，能夠通過選擇具有共生特征的根瘤菌來產生固氮作用［2 ］。苜蓿根瘤菌劑的有效應用，不僅能增強豆科牧草的固氮能力，大幅度減少對氮肥的依賴，緩解因過度施用氮肥導致的環境壓力，還能夠提升土壤地力，縮減農業生產的經濟投入，在促進作物生產力穩定、實現綠色高質量發展方面潛力巨大。但目前有關苜蓿根瘤菌及其相關菌劑的綜述較少，本文從苜蓿根瘤菌、根瘤菌劑及促生菌與根瘤菌共接種等方面對苜蓿生長影響等方面進行綜述，并對根瘤菌及相關菌劑研究方向進行展望，以期為后續研究提供指導。

1" "根瘤菌研究概況

近百年來，國際上對豆科根瘤菌的科學研究獲得了重要發展。18世紀末，Beijerink等人首次從豆科植物的根瘤中提取了第一個純培養細菌，隨后，研究員Frank將該細菌命名為豆科根瘤菌（Rhizobium leguminosarum），經過多年的研究工作，研究人員最終把能夠與豆科植物結瘤的細菌命名為“根瘤菌”［3 ］。1889年，Prazmoski運用純培養技術，成功將根瘤菌接種至豆科植物［4" ］，直接驗證了根瘤菌接種能促進根瘤形成并提升其固氮效率的理論。截至目前，已經發現的能成功侵染豆科植物并與豆科植物共生固氮的根瘤菌主要包括α-變形菌綱和β-變形菌綱16個屬的140多個種，包括根瘤菌屬（Rhizobium）、中慢生根瘤菌屬（Mesorhizobium）、甲基桿菌屬（Methylobacterium）、新根瘤菌屬（Neorhizobium）、中華根瘤菌屬（Sinozobium）和伯克霍爾德氏菌屬（Burkholderia）等［5 - 6 ］。

2" "苜蓿根瘤菌研究

2.1" "苜蓿根瘤菌的作用機理

根瘤菌與豆科植物之間形成了共生固氮模式，能夠有效地利用空氣中的氮素來實現氮素循環，在農業生產方式中發揮了重要作用。苜蓿根瘤的形成要求雙方基因的協同作用和生態環境的調節，以及根瘤菌和苜蓿彼此間的相互作用，以達到共生固氮效果。無論根瘤菌是本土的還是通過接種劑引入的，固氮途徑都是從細菌感染植物根部開始，其發展過程包含根部定殖、觸及根表、根毛變形卷曲、侵入根毛、菌株繁殖、類菌體產生等，每一步都受到遺傳因素的控制［7 ］。當苜蓿生根后，其根部釋放的碳水化合物及氨基酸為根瘤菌的繁衍提供了豐富的營養物質，促進根瘤菌聚集在根部周圍并定殖，歷經一系列生理代謝活動，最終形成根瘤。根瘤可以固定空氣中的氮素，將空氣中的氮素轉化為能夠被植物吸收的離子態氮，使苜蓿從根瘤活動中受益［2 ］。苜蓿進入成熟期后，植物氮素需求減少，根瘤固氮酶活性降低，出現老化現象，表現為皺褶和軟化，根瘤內的豆血紅蛋白會形成膽色素，此時的根瘤為褐綠色。隨時間推移，類菌體包膜的破裂標志著根瘤的衰敗，其內微生物重歸土壤循環。當苜蓿成功越冬，第2年長出新的根葉時，根瘤菌就會侵染新的根系，產生根瘤，從而繼續為苜蓿供給氮素。因此對于2年生以上的豆科植物，根瘤通常會出現在當年生長的側根上，而在主根上則很難發現根瘤［8 - 10 ］。

2.2" "苜蓿根瘤菌的共生固氮

苜蓿的生態效益依賴于其與根瘤菌共生固氮的能力，從而減少或避免氮肥的施用［11 ］。當苜蓿植株形成根瘤后，其光合作用產物的1/3將用于支持根瘤的成長和固氮，從而不斷地向植株供給氮素［12 ］。苜蓿對氮素的需求量較大，共生固氮占氮素總量的33%～80%［13 ］。根瘤通過有效固定空氣中的氮素轉化成植物可以利用的氨態氮，滿足苜蓿的生長需要，此過程可以減少對工業氮肥的依賴，增加土壤微生物的活性，改善土壤的物理性質［9 ］。雖然苜蓿在收獲時會帶走部分氮素，但遺留于土壤中的根系、根瘤及下部葉片將逐漸被微生物分解，從而使土壤氮素含量增加，可以為后茬作物提供更多的營養。研究表明，種植苜蓿后的純氮年產出量可達到220～670 kg/hm2。此外，紫花苜蓿在與禾本科作物間作套種時，可為禾本科作物提供20%～30%的氮素，顯著提高農作物的產量［14 - 16" ］。

2.3" "苜蓿根瘤菌緩解植物逆境脅迫研究

2.3.1" " 緩解苜蓿鹽脅迫" " 紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是一種營養豐富、適口性好的優質飼草［17 - 18 ］，廣泛種植于干旱和半干旱地區，對當地社會經濟發展做出了巨大貢獻［11 ］，而鹽度是限制該作物生長的主要因素之一［19 - 20 ］。紫花苜蓿被認為是中等耐鹽植物，當鹽度值接近20 mM NaCl時，紫花苜蓿產量下降明顯［21 ］。利用傳統育種、標記輔助選擇和植物基因工程等方法，已經開發出多種策略來選育新的耐鹽品種，降低高鹽度對植物的毒性影響［22 - 23 ］。然而，這些技術進展緩慢，且對農民來說難度較大。植物生長與根際微生物密切相關，這些微生物在脅迫和環境刺激下能提高植物的抗逆性，促進植物生長發育。因此，基于利用有益土壤微生物（根瘤菌、促生菌等）的方法被認為是可持續農業發展中解決鹽度問題的有效策略。

根瘤菌與苜蓿共生可以固定大氣中的氮，是農業氮的可再生來源。除了這種營養作用外，根瘤菌還可以通過以下機制緩解鹽脅迫的負面影響，包括根際酸化、增強根表面積、增加根分泌物（胞外多糖）、改善寄主植物葉片水分狀況、提高養分可利用性以及釋放細菌揮發物作為系統抗性的誘導物等［24 ］。Raklami等［25 ］和Meddich等［26 ］的研究發現，根瘤菌可以緩解鹽脅迫并提高鹽漬土壤中的植物生產力，它們的有益作用與脯氨酸和糖等滲透性物質的較高積累有關?？鼓嫫贩N和根瘤菌的結合已被證明對豆科植物在鹽脅迫條件下的生長和生存能力具有積極的協同優勢［27 - 28 ］。Li等［29 ］的研究表明，根瘤菌通過GmMYB183磷酸化影響類黃酮代謝，在鹽脅迫下平衡細胞活性氧（ROS），從而防止大豆受到鹽損傷。對紫花苜蓿的代謝組學分析表明，耐鹽根瘤菌接種可以通過調節有機酸含量（草酸、檸檬酸、琥珀酸和蘋果酸）來減輕鹽脅迫對植物根系的傷害；醇類物質和蔗糖以及特定氨基酸（脯氨酸、谷氨酸、鳥氨酸和天冬氨酸）的積累與根瘤菌提高紫花苜蓿的耐鹽性有關［21 ］。

2.3.2" " 緩解苜蓿干旱脅迫" " 干旱已成為制約作物生產能力和品質提升的重大障礙。作為在我國西北和東北地區廣泛栽培的豆科牧草，苜蓿的產量與水分條件緊密相關［30 ］。當干旱發生時，苜蓿會遭受水分虧缺，其生長發育受阻，細胞老化加速，若持續缺水時間較長甚至可能引發植物的死亡［31 - 33 ］。干旱限制了植物根毛的正常生長，減少了根瘤菌附著及侵染的機會，阻礙了根瘤的形成過程，影響根瘤菌的數量［34 ］，進而降低其豆血紅蛋白含量，對固氮酶活性產生負面影響［35 ］。在干旱條件下，施用根瘤菌可以提高侵染率，促進根瘤形成，還能夠有效地減輕植物所承受的干旱壓力，抑制氧化應激、維持滲透壓平衡等生理機能［36 - 37 ］。Defez等［38 ］對接種苜蓿劍菌（Ensifer meliloti）野生型Ms-1021及其過量產生吲哚乙酸（IAA）的衍生菌株Ms-RD64的植株進行干旱脅迫，與接種Ms-1021脅迫植株相比，接種Ms-RD64的植株受到干旱損傷較輕，表明根瘤菌分泌的IAA對植物應對干旱脅迫有積極的影響。李鵬珍等［39 ］的研究表明，接種根瘤菌條件下再外源添加生物炭，能有效提升紫花苜蓿的葉面積，從而增強植物的光合作用，促進植物生長，進而緩解干旱脅迫對植株的不利影響。

植物對脅迫條件最重要的調整之一是調節脫落酸（ABA）的含量。ABA廣泛參與調控植物的生命周期進程（包括種子休眠與萌發、根系生長），同時也在植物應對各種生物脅迫和非生物脅迫中發揮重要作用，尤其是對于干旱等極端的環境因素有著極強的抗逆能力。ABA響應元件結合因子（ABFs）是ABA信號傳導的關鍵調控因子，由營養組織誘導響應ABA和滲透脅迫，并激活非生物脅迫條件下植物的抗氧化防御反應［40 - 42 ］。陳相莉［43 ］研究發現，ABA信號傳導會導致Ca2+濃度上升或者激活鈣離子通道，從而利用鈣離子來影響結瘤信號的傳導途徑，進而間接地影響根瘤的形成，進一步證明ABA影響著豆科植物結瘤。

2.3.3" " 緩解苜蓿重金屬脅迫" " 苜蓿與根瘤菌等植物根際促生菌（Plant growth promoting rhizobacteria，PGPR）之間共生可以通過增加植物對氮和磷的吸收，增強植物的抗逆性來直接或間接地提升苜蓿在重金屬污染土壤中的防御［44 - 46 ］。根瘤菌具有耐受重金屬的先天能力［47 ］，在受污染的土壤中種植豆科作物，可為后茬作物提供氨態氮和重金屬含量減少的土壤環境，從而有利于修復重金屬污染的土壤［48 - 49 ］。因此，作為一種新的植物-細菌污染修復策略，根瘤菌已被應用于重金屬污染土壤中以促進植物生長，提高土壤質量。宋修勇［50 ］利用天藍苜蓿為材料，同時接種根瘤菌和促生菌可以顯著提高苜蓿的株高、根長、地上部分及根部生物量、根瘤數。同時，與單接種根瘤菌相比，雙接種植株對Zn和Cu的吸收量增加了89.22%和154.11%；而與單接促生菌相比，雙接種植株對Zn和對Cu的吸收量也顯著提高了28.36%和306.01%。接種根瘤菌主要通過促進氮素的積累來提高苜蓿的植物提取能力。研究發現，接種根瘤菌后，苜蓿葉片丙二醛含量降低，葉綠素含量、養分吸收、Cd積累和轉運因子增加，增加了植株總氮的積累，接種根瘤菌和適量施氮可作為苜蓿修復Cd污染土壤的有效措施［51 ］。

苜蓿在重金屬脅迫下會產生大量的活性氧自由基，破壞細胞內環境穩定性并影響細胞膜透性，嚴重抑制了生物固氮能力。然而，根瘤中的抗氧保護機制能夠有效減輕由氧化應激引起的損害，從而維系了其生物固氮的能力［52 - 53 ］。根瘤菌展現出的金屬耐受性、還原潛能以及促進豆科植物生長的能力，使之成為凈化金屬污染土壤的理想生物工具，并能有效緩解重金屬對紫花苜蓿的不良效應。

3" "根瘤菌劑應用概況

接種根瘤菌有助于提升苜蓿的結瘤率，提高苜蓿的產量及蛋白質含量，同時促使后續輪作作物實現更高的產量收益，展現出突出的經濟價值與生態效益［18 ］。1895年，美國和英國首先嘗試商業化生產豆科根瘤菌劑，加拿大、瑞典和澳大利亞也在1905年和1914年進行工業生產根瘤菌劑，為了滿足當地大規模栽培豆科牧草產品的需求，根瘤菌劑的產量迅速發展壯大。據統計，接種苜蓿根瘤菌面積約占苜?？偡N植面積的30%～50%，更有部分發達國家占比達到80%以上［54 ］。Schwieger等［55 ］研究發現，經根瘤菌接種處理的紫花苜蓿，植物根表微生物群落發生顯著變化，突出表現為根瘤菌數量的大幅增長。此外，相關研究進一步指出，根瘤菌接種對根際土壤微生物同樣產生了一定程度的影響［56 - 57 ］。

我國根瘤菌劑的研究始于20世紀30年代，經過幾十年的發展，我國根瘤菌劑相關研究已達到國際先進水平。寧國贊等［58 - 59 ］對內蒙古自治區在內的23個省區開展根瘤菌接種試驗，結果表明，接種根瘤菌菌劑處理的紫花苜蓿有結瘤早、結瘤率高以及根瘤重量大等優點。韓可等［60 ］通過接種不同根瘤菌對龍牧806和中苜三號紫花苜蓿的株高、地上干重和全氮量進行檢測，發現接種根瘤菌可有效提高植株的生產力。然而，受限于發酵生產工藝落后及產品質量不達標等問題，根瘤菌劑的大規模工業化生產和廣泛應用面臨一定挑戰［61 ］。同時，根瘤菌劑存在占瘤率低、自然環境適應性差、接種效果不理想及受地域和環境限制等缺點，從而無法有效提高植株生長發育水平，阻礙了其在農業生產中的應用和發展［62 - 63 ］。

近年來，研究人員對促生菌和根瘤菌共接種管理的促生效果開展了深入研究。發現將有益微生物與根瘤菌共同接種能有效促進豆科植物根系生長，為根瘤菌的定殖提供更多的侵染位點，繼而增強氮素的利用率，顯著地提高了豆科作物的產量［64 ］。協同作用能夠更有效幫助宿主植株的結瘤固氮，有效提升了植株的養分利用率和土壤肥力，進而為植株的生長提供了有力的支持［65 ］。促生菌與根瘤菌的聯合作用極大提升了宿主植物的結瘤數量、固氮效率、根系發育及根部營養元素利用率，因而有利于植株的健康生長［66 - 67 ］。諸多屬的促生菌能夠與根瘤菌共同作用，有效地幫助豆科植物生長發育、結瘤和固氮，從而發揮出協同效應，為豆科植物的發育提供重要的支持［68 - 69 ］。劉冠一［66 ］發現，熒光標記根瘤菌與5株PGPR分別共接種于紫花苜蓿，顯著提升了根瘤數量，并且有助于根系的生長發育，顯著提升了ACC脫氨酶、吲哚乙酸（IAA）的合成、解無機磷能力及固氮能力，改善了紫花苜蓿的生長環境。Morel等［70 ］發現，中華根瘤菌（Sinorhizobium meliloti）U143與促生菌Delftia sp. JD2共接種可提高紫花苜蓿的地上部和根系質量，在微生物-植物相互作用的早期，酚類化合物（包括黃酮類化合物）、有機酸和揮發性化合物的定性和定量變化表明，某些分子的產生對微生物-植物關系產生積極影響。

4" "展望

隨著我國對優質苜蓿需求量的不斷提升，苜蓿種植面積不斷擴大，氮肥需肥量隨之增大。長期以來，人類在農業生產中重度依賴化學肥料以保障作物產量，過度施用氮肥不僅會損害土地的理化性質，還會對人類健康造成嚴重威脅。鑒于此，加強對苜蓿根瘤菌的研究及其應用潛力開發，提升其固氮效能，拓寬苜蓿根瘤菌制劑的應用領域具有重要的意義和廣闊的發展前景。為更有效地促進苜蓿與根瘤菌的共生結瘤及其固氮效率，可通過以下措施提高苜蓿根瘤菌固氮潛力，一是根據種植當地土壤、氣候、苜蓿品種等多種因素，選擇適合的專一性強的苜蓿根瘤菌株，以確保充分發揮根瘤菌的生物固氮潛力，減少對化學氮肥的依賴。二是合理施用氮肥，通過有機肥替代等方式減少氮肥施用量，減輕過量施用氮肥導致的徑流和滲透進入地下水會造成的環境污染。三是重視抗逆性強的根瘤菌菌種選育，加強對耐旱、耐鹽堿、耐重金屬脅迫等菌株的篩選，提升菌株應用范圍，響應國家號召，使不能種植農作物的鹽堿地、重金屬污染土地等變為可以種植紫花苜蓿的改良地。最后，應針對性地篩選適合特定土壤類型、固氮能力強且結瘤性能優異的本土菌株，并探究根瘤菌與本土化微生物或其他有益微生物間的互作機制，進而研制出創新的復合微生物菌劑。隨著科學技術進步，有效運用多學科方法如宏基因組、代謝組等，進一步完善菌劑的生產工藝流程、并進行大規模推廣應用，這無疑會成為未來的重要研究方向，使其在豆科植物生長過程中得以更好的利用。

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