豆科植物結(jié)瘤固氮及其分子調(diào)控機制的研究進展

遲靜嫻 徐方繼 劉譯陽 萬書波 李國衛(wèi)

摘要：作為人類重要的蛋白質(zhì)和脂肪來源，以花生、大豆為代表的豆科植物是世界范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，而氮肥的合理施用是保證其穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的主要因素。豆科植物能夠通過與根瘤菌形成共生關(guān)系結(jié)瘤固氮，從而可以減少氮肥使用量。豆科植物的結(jié)瘤過程受到信號傳遞系統(tǒng)的調(diào)控。其中，硝酸鹽信號作為信號分子來調(diào)控包括豆科植物結(jié)瘤自主調(diào)控和氮代謝途徑在內(nèi)的關(guān)鍵基因表達。研究發(fā)現(xiàn)許多基因參與豆科植物結(jié)瘤固氮調(diào)控，例如NIN、HAR1、NORK、NSP2等。豆科植物結(jié)瘤固氮的研究加深了人們對共生固氮的理解，為非豆科植物固氮改造奠定了基礎(chǔ)，并為減少作物對氮肥的依賴和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供了新思路。調(diào)節(jié)豆科植物的結(jié)瘤平衡，充分利用豆科植物的固氮作用，探索最佳施氮量，有利于實現(xiàn)作物生產(chǎn)效益的最大化。本文根據(jù)國內(nèi)外的相關(guān)研究，從以下四個方面進行綜述：（1）豆科植物結(jié)瘤的分子調(diào)控機制;（2）豆科植物固氮的分子調(diào)控機制;（3）硝酸鹽對豆科植物結(jié)瘤固氮的調(diào)控;（4）豆科植物固氮在生產(chǎn)中的應(yīng)用。并對今后豆科植物結(jié)瘤固氮的研究趨勢進行了展望。

關(guān)鍵詞：豆科植物;結(jié)瘤;固氮;分子調(diào)控

氮是組成蛋白質(zhì)的主要元素，約占植物干重的1.5%。含氮化合物參與了植物體內(nèi)大量物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程。氮素是保證作物正常生長發(fā)育、高產(chǎn)和品質(zhì)提升的重要營養(yǎng)元素。豆科植物廣布于世界各地，是食品中蛋白質(zhì)、淀粉、蔬菜和油的供應(yīng)者，是提取樹脂、飼料加工的重要原料。利用豆科植物的固氮作用，將豆科植物與非豆科植物進行輪作、間作和套作能夠有效實現(xiàn)增產(chǎn)。因此，研究豆科植物結(jié)瘤固氮的分子機制可為合理施用氮肥和提高農(nóng)作物對氮素的吸收效率奠定基礎(chǔ)，也是提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵，還可減少過量施氮帶來的環(huán)境污染。

1豆科植物根瘤形成及其分子調(diào)控機制

豆科植物為被子植物中僅次于菊科及蘭科的最大科之一，分布廣泛。以花生、大豆等為代表的豆科植物具有重要的經(jīng)濟意義，它是人類食品中淀粉、蛋白質(zhì)、油和蔬菜的重要來源之一。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的豆科作物有花生、大豆、綠豆、豌豆、蠶豆等;飼料作物有三葉草、苜蓿、紫云英等;藥用豆科植物有雞血藤、甘草、黃芪、葛根、合歡等;綠化造林用的豆科植物有槐樹、相思樹、鐵刀木等。豆科植物能夠與根瘤菌形成共生關(guān)系來結(jié)瘤固氮。通過對豆科植物結(jié)瘤固氮的分子機制進行研究能夠在一定程度上優(yōu)化氮肥的施用模式，減少過度施氮帶來的環(huán)境問題。因此，研究豆科植物氮素利用效率具有重要意義。

1.1根瘤菌與豆科植物根瘤的形成

豆科植物能夠與根瘤菌屬（Rhizobium）、中華根瘤菌屬（Sinorhizobium）、慢生根瘤菌屬（Bradyrhizobium）、中慢生根瘤菌屬（Mesorhizobium）以及固氮根瘤菌屬（Azorhizobium）等固氮細菌形成共生關(guān)系[1]。根瘤菌是一類革蘭氏陰性異養(yǎng)型土壤細菌，通過將大氣中的氮氣轉(zhuǎn)化為氨，以供植物直接利用[2]?！岸箍浦参?根瘤菌”共生體的建立有助于減少氮肥使用和增加土壤有機質(zhì)。

豆科植物根瘤的形成是由根瘤菌侵染植物根部組織后使根組織膨大突出形成的一種特殊結(jié)構(gòu)。研究表明，根瘤的形成是一個復(fù)雜的生物學(xué)過程。宿主編碼機制控制著表皮、根皮層和單細胞水平上的三個侵染過程。從對各種野生和栽培豆科植物的顯微研究工作中可以總結(jié)出至少三種不同的入侵模式：

其一，侵染線入侵，又叫根毛入侵，其代表植物有百脈根、蒺藜苜蓿、大豆、豌豆、三葉草等。在根瘤形成機制中，“根毛入侵”侵染模式研究最為深入。當(dāng)土壤缺乏氮素時，植物會分泌類黃酮至根際，誘導(dǎo)根系周圍根瘤菌結(jié)瘤基因的表達，合成并分泌結(jié)瘤因子（nodfactors，NFs）[3]。植物隨即接受、識別NFs，表皮根毛變形、彎曲并形成侵染線，根瘤菌因而侵染進入植物內(nèi)。與此同時形成根瘤原基，在根瘤菌進入后逐漸發(fā)育成熟，最終成為具有固氮能力的根瘤[4]。因此，侵染線是根毛侵染的先決條件，能夠?qū)е鹿采w之間更高程度的特異性。

其二，表皮侵染。表皮侵染模式不涉及跨細胞侵染線的形成，不依賴于NFs[5]，相關(guān)研究報道較少。

其三，裂隙侵染[6]?？p隙進入模式是一些主要分布在熱帶和暖溫帶地區(qū)的花生屬、柱花草屬等亞熱帶豆科植物特有的入侵方式?？p隙進入在大約25%的豆類中存在，不涉及侵染線[7]，根瘤菌通過表皮裂開和幼嫩側(cè)根或不定根出現(xiàn)引起的自然傷口侵染植物，寄主皮層細胞的侵入是通過結(jié)構(gòu)改變的細胞壁進行。根瘤菌通過最初入侵的植物細胞的進行性塌陷以到達側(cè)根皮質(zhì)的根瘤起始處，這些細胞被相鄰的細胞壓縮進而形成細胞間的線狀侵染區(qū)[8]。根瘤菌在根瘤初侵襲細胞中增殖，反復(fù)分裂形成根瘤;當(dāng)宿主細胞停止分裂時，形成類菌體[9]。

1.2豆科植物根瘤形成的分子調(diào)控機制

豆科植物的結(jié)瘤受到基因調(diào)控，這一點早在幾十年前豆科植物的結(jié)瘤遺傳研究中就已經(jīng)得到證實。花生作為結(jié)瘤相關(guān)基因研究的材料潛力巨大。1979年首次發(fā)現(xiàn)了一個不結(jié)瘤花生株系，田間分離和根瘤菌接種試驗表明，結(jié)瘤是宿主控制的，與根瘤菌的起源無關(guān)，推測不結(jié)瘤的性狀可能不是簡單的隱性遺傳[10]。1982年對不結(jié)瘤花生株系進行的遺傳分析試驗證實，花生的不結(jié)瘤是隱性雙基因控制的[11]。1988年又提出了一種新的不結(jié)瘤遺傳的三基因遺傳模型，認(rèn)為花生的結(jié)瘤是由三對基因控制的質(zhì)量性狀[12]。2017年轉(zhuǎn)錄組圖譜揭示花生結(jié)瘤的基因調(diào)控試驗中，在結(jié)瘤基因型中發(fā)現(xiàn)特異的DEGs包括一些已知共生信號通路結(jié)瘤相關(guān)基因的同源基因：如NFR5（nodfactorreceptor）、NSP2（nodulationsignalingpathway2）、NIN（noduleinception）、ERN1，以及其他許多新的功能未知的基因，由于其在不同株系的差異表達，推測可能與結(jié)瘤調(diào)控相關(guān)[13]。2020年對于異源四倍體栽培種花生鑒定出一對控制結(jié)瘤的GRAS轉(zhuǎn)錄因子基因，即在結(jié)瘤遺傳上表現(xiàn)為非孟德爾遺傳和孟德爾遺傳的結(jié)瘤信號通路2（NSP2，AhNSP2-B07或Nb）和AhNSP2-A08（Na）基因，為花生不結(jié)瘤植株提供了遺傳基礎(chǔ)[14]。研究證明基因型也影響豆科植物固氮量的差異，通過15N同位素測量J-11等7個花生基因型的固氮能力在100～153kg/hm2之間[15]。其他豆類植物例如豌豆，早在1975年結(jié)瘤品種Trapper與不結(jié)瘤品種Afghanistan雜交的F2代獲得了結(jié)瘤與不結(jié)瘤3∶1的分離比，提出豌豆的不結(jié)瘤是單基因控制的[16]。對豌豆結(jié)瘤缺陷的幾種自發(fā)突變體進行鑒定得到了穩(wěn)定的豌豆抗結(jié)瘤突變體，突變的結(jié)瘤等位基因相對于野生型的結(jié)瘤等位基因是隱性的，命名為sym-5[17]。

許多基因參與調(diào)控豆科植物結(jié)瘤（表1）。在紫花苜蓿中克隆得到感知結(jié)瘤因子NF的關(guān)鍵基因NORK（nodulationreceptorkinase）。NORK系統(tǒng)（NF感知/傳導(dǎo)系統(tǒng)）能引發(fā)信號級聯(lián)反應(yīng)，調(diào)控形成結(jié)瘤[18]。來自百脈根和豌豆的直系同源SYMRK（symbiosisreceptorlikekinase）基因，也是結(jié)瘤共生信號轉(zhuǎn)導(dǎo)必需的;SYMRK和NORK都是含有核苷酸結(jié)合位點、富含亮氨酸的重復(fù)序列類受體激酶（NBSLRRreceptorkinase）[19]。NIN是百脈根在結(jié)瘤過程中啟動皮層細胞分裂所必需的轉(zhuǎn)錄因子，并參與調(diào)控ASL18/LBD16a（asymmetricleaves2like18/lateralorganboundariesdomain16a）基因;ASL18a和NF-Y共同調(diào)節(jié)根瘤起始，在NIN的下游存在一條側(cè)根發(fā)育途徑來促進共生結(jié)瘤[20]。對大豆結(jié)瘤相關(guān)QTL進行優(yōu)化和候選基因挖掘得到的一系列基因例如Glyma.06G177800、Glyma.06G181300、Glyma.06G178900等對于大豆根瘤菌共生結(jié)瘤有著至關(guān)重要的作用[21，22]。豆科植物中固氮根瘤的形成受到長距離信號傳遞系統(tǒng)的嚴(yán)格控制，結(jié)瘤的形成、發(fā)育、抑制受到多個分子機制的調(diào)控。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，探索豆科植物結(jié)瘤分子調(diào)控機制成為可能，結(jié)瘤相關(guān)基因研究是豆科植物結(jié)瘤分子調(diào)控機制相關(guān)的研究熱點。

2豆科植物的固氮機理及其分子調(diào)控機制

1886年德國學(xué)者赫爾利格爾首次提出了大豆根瘤具有固氮功能，為豆科植物的固氮研究揭開了序幕[23]。豆科植物的氮素來源有三種：土壤、氮肥、根瘤菌共生固氮。當(dāng)土壤中的氮素營養(yǎng)不足，植物自身就會進行固氮活動，根瘤共生是豆科植物采用的一種提高氮素吸收重要策略[24]。

2.1固氮機理

根瘤菌侵染豆科植物后形成根瘤共生體，在細胞內(nèi)固氮酶的催化作用下，將空氣中的氮氣轉(zhuǎn)化為NH+4供植物利用。多年來對豆科植物-根瘤菌共生固氮的研究一直是生物學(xué)研究的熱點前沿領(lǐng)域。2020年Dong等研究發(fā)現(xiàn)，在豆科植物進化過程中，豆科植物干細胞關(guān)鍵基因SCR在皮層細胞表達，另一個干細胞關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子SHR在維管束表達后移動到皮層細胞，形成SHR-SCR干細胞分子模塊;該干細胞分子模塊賦予豆科植物皮層細胞分裂能力，不僅使豆科植物的皮層區(qū)別于非豆科植物，還能被根瘤菌的信號激活，誘導(dǎo)豆科植物苜蓿的皮層分裂，從而產(chǎn)生根瘤，這一發(fā)現(xiàn)為解釋為什么豆科植物能與根瘤菌共生固氮這一難題提供了有力證據(jù)[25]。利用定量蛋白質(zhì)組學(xué)和修飾組學(xué)深入分析苜蓿與根瘤菌的蛋白表達譜，修飾蛋白組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)了20120個磷酸化位點和734個乙?；稽c，細胞壁相關(guān)激酶和絲氨酸激酶在共生網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮了重要作用;鈣調(diào)蛋白具有最高的連通程度，是宿主中關(guān)鍵的調(diào)節(jié)因子;定位了信號肽酶DNF1（Medtr3g027890.1，JCVI）、類信號肽酶（Medtr1g008280.2，JCVI）以及關(guān)鍵肽轉(zhuǎn)運蛋白MtN21（nodulinMtN21）、PTR1（pteridinereductase1），從蛋白質(zhì)組學(xué)和修飾組學(xué)方面為根瘤固氮機理的研究提供了新思路[26]。

2.2固氮酶調(diào)控

固氮酶是固氮微生物在常溫常壓下固氮成氨的催化劑，固氮酶的催化機理以及對其化學(xué)模擬的研究是國內(nèi)外的研究熱點。對于催化機理的研究已有進展[27-29]：通過ATP水解提供的能量，在常溫常壓下將N2還原成NH3。HN=NH和H2N-NH2是固氮酶固氮還原機理中重要的2個反應(yīng)中間體，對其捕獲和研究為探究固氮酶的還原機理提供了參考[30]。利用人工合成的催化劑進行仿生光催化固氮、電化學(xué)固氮研究[31-33]：通過驅(qū)動常溫常壓下的固氮反應(yīng)推動工業(yè)固氮的節(jié)能可持續(xù)發(fā)展。在非豆科植物的固氮改造方面，聯(lián)合固氮菌研究發(fā)現(xiàn)，分離自我國南方水稻根際土壤的施氏假單胞菌能夠新型調(diào)控非編碼RNANfiS通過配對結(jié)合固氮酶基因nifKmRNA優(yōu)化固氮作用[34]。高原地區(qū)聯(lián)合固氮菌肥BN-3對黑青稞的促生效果較好，秸稈粗蛋白含量增加28.93%，千粒重增加7.30%，增產(chǎn)74.76%，具備固氮微生物肥料推廣的潛力[35]。研究發(fā)現(xiàn)分類上屬于Bradyrhizobium和Rhizobium等屬的根瘤菌在與甘蔗聯(lián)合的核心固氮菌群之中，以不結(jié)瘤的方式在甘蔗體內(nèi)活躍地表達固氮酶基因[36]。聯(lián)合固氮在非豆科作物中顯示出巨大的應(yīng)用潛力，是生物固氮領(lǐng)域的前沿和發(fā)展方向之一。

3氮肥對豆科植物結(jié)瘤的調(diào)控機理

土壤中氮素可分為有機態(tài)氮和無機態(tài)氮兩大類。有機態(tài)氮包括蛋白質(zhì)、尿素、尿酸、胺化物等;無機態(tài)氮包括銨態(tài)氮和硝態(tài)氮兩種。植物吸收和同化無機氮素主要通過三條途徑：其一，通過硝酸還原酶將無機氮還原為植物可以直接利用的有機氮;其二，直接吸收利用土壤中的有機氮或銨態(tài)氮;其三，協(xié)同固氮菌對空氣中N2進行固定，即生物固氮[37]。氮素不僅能夠作為營養(yǎng)元素供植物生長發(fā)育，而且能夠作為信號分子調(diào)控植物氮代謝途徑中關(guān)鍵基因的表達。在不同氮素濃度下，植物進化出了形態(tài)學(xué)和生理學(xué)上的多層感應(yīng)和適應(yīng)機制，即“氮響應(yīng)”。在豆科植物結(jié)瘤調(diào)控過程中，許多基因扮演著重要角色。

3.1氮阻遏

土壤中無機氮的主要形式是硝酸鹽，豆科植物通過形成根瘤來進行固氮。這樣可以提高對氮素的吸收，但是植物形成和維持根瘤需要消耗大量的能量。土壤中的無機態(tài)氮化物增加到一定數(shù)量，會形成氮阻遏，繼而會破壞植物氮平衡，影響植物生長發(fā)育[27]。關(guān)于氮阻遏機理的假說中，以亞硝酸鹽毒性和碳饑餓兩種假說研究較為深入。亞硝酸鹽毒性假說認(rèn)為硝酸還原酶和細胞代謝作用將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽并產(chǎn)生一氧化氮，對植物細胞有毒害作用且固氮酶活性降低[38，39]。碳饑餓假說則認(rèn)為高氮導(dǎo)致根瘤中碳分配減少，碳供應(yīng)的不足導(dǎo)致固氮酶的活性降低[40]。但是沒有研究證明高氮條件下根瘤中亞硝酸鹽的積累和碳水化合物的減少能夠直接導(dǎo)致固氮酶活性下降，因此這兩個假說都存在著爭議。植物能通過兩種方式應(yīng)對氮阻遏：其一，結(jié)瘤抑制;其二，結(jié)瘤的自主調(diào)控[41]。

3.1.1結(jié)瘤抑制相關(guān)基因的研究 植物能夠通過調(diào)節(jié)根瘤共生的多個階段，包括根瘤菌感染、根瘤形成、根瘤生長和固氮活性，從而在土壤硝酸鹽充足時停止根瘤共生[42]。在擬南芥中，與NIN同一家族的NLP（NINlikeprotein）在硝酸鹽信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中扮演著重要角色。在抑制結(jié)瘤調(diào)控研究中，NLP基因的突變或下調(diào)可防止硝酸鹽對根瘤菌侵染、對結(jié)瘤形成和對固氮的抑制。蒺藜苜蓿NLP1是表達硝酸鹽反應(yīng)性基因所必需的，而且硝酸鹽能觸發(fā)NLP1從細胞質(zhì)到細胞核的重新定位，而NLP1在響應(yīng)硝酸鹽后進入細胞核，與NIN形成復(fù)合體，抑制NIN對下游的激活，最終抑制根瘤的形成及氮素的固定，這揭示了NLP基因家族在硝酸鹽抑制共生結(jié)瘤過程中的重要作用，為提高豆科作物應(yīng)對“氮阻遏”提供了理論基礎(chǔ)[43]。當(dāng)土壤中氮素條件充足，結(jié)瘤的抑制調(diào)控開始，百脈根的轉(zhuǎn)錄因子NRSYM1（nitrateunresponsivesymbiosis1）會激活根源性移動肽CLE-RS2（CLErootsignal2）的產(chǎn)生來響應(yīng)硝酸鹽條件，負(fù)調(diào)控根瘤數(shù)量，抑制結(jié)瘤[44]。

3.1.2結(jié)瘤自主調(diào)控（AON）相關(guān)基因的研究 結(jié)瘤有助于豆科植物固氮，但過多的根瘤會爭搶光合作用的產(chǎn)物。這是因為固氮作用過度消耗植物自身的碳源，不利于植物生長。AON途徑相關(guān)基因突變時表現(xiàn)出超結(jié)瘤、植株矮小等表型，高濃度的硝酸鹽信號會通過激活A(yù)ON途徑來抑制豆科植物結(jié)瘤固氮[45，46]。植物激素信號對豆科植物結(jié)瘤也有調(diào)節(jié)作用，研究證明脫落酸、乙烯、細胞分裂素、生長素、油菜素甾醇等激素與根瘤數(shù)量調(diào)控有關(guān)[47-49]。利用在截形苜蓿酵母雙雜交文庫中發(fā)現(xiàn)的調(diào)控結(jié)瘤受體激酶（MtDMI2）的E3泛素連接酶，結(jié)合數(shù)學(xué)方法建立受體激酶和泛素連接酶之間“捕食者-被捕食者”負(fù)反饋調(diào)節(jié)的工作模型能夠揭示豆科植物與根瘤菌在共生結(jié)瘤過程中利用E3泛素連接酶和結(jié)瘤受體激酶控制結(jié)瘤數(shù)目、調(diào)控結(jié)瘤平衡的分子機制[50]。從蒺藜苜蓿、大豆、百脈根等豆科植物中克隆出控制結(jié)瘤數(shù)量相關(guān)的基因（表1）。從百脈根中克隆出的第一個根瘤自動調(diào)節(jié)基因HAR1（hypernodulationaberrantroot），編碼一個假定的絲氨酸/蘇氨酸受體激酶，在植物芽中起作用，能夠調(diào)控根部發(fā)育、結(jié)瘤和硝酸鹽敏感性[51];大豆的AON受GmNARK（glycinemaxnoduleautoregulationreceptorkinase）控制[52]。在根瘤調(diào)節(jié)缺陷的蒺藜苜蓿突變體中篩選產(chǎn)生的功能喪失等位基因RDN1（rootdeterminednodulation1），預(yù)計編碼功能未知的357個氨基酸的蛋白質(zhì)，可能參與啟動、響應(yīng)或傳輸維管信號，對于正常的根瘤數(shù)調(diào)節(jié)至關(guān)重要[53]。上述基因都在結(jié)瘤調(diào)控中扮演著重要角色。近年來豆科植物結(jié)瘤通路相關(guān)基因研究成果顯著，對于豆科植物氮素吸收調(diào)控機制研究具有重要意義。

3.2植物分根試驗在氮素調(diào)控豆科植物結(jié)瘤固氮方面的研究

分根試驗是通過建立分根系統(tǒng)將植物根系分離，使其共用一個地上部分，從而探究植物系統(tǒng)和局部的調(diào)控機制的試驗方法。結(jié)合嫁接技術(shù)改進分根系統(tǒng)，能夠制備雙根大豆的試驗材料，以此進行氮濃度對大豆雙根系結(jié)瘤和固氮酶活性的影響研究[54]。應(yīng)用雙根大豆技術(shù)進行的基于15N示蹤法的雙根大豆系統(tǒng)氮素吸收和分配特性研究發(fā)現(xiàn)，大豆會優(yōu)先吸收肥料中的氮素，通過根瘤固氮將氮素運輸至地上部之后又被重新運送分配到根和根瘤，在銨態(tài)氮和硝態(tài)氮50mg/L濃度下不影響大豆對氮素的吸收和分配[55]。分根試驗還用于研究豆科植物和根瘤菌之間共生關(guān)系的復(fù)雜調(diào)控機制。利用模式豆科植物蒺藜苜蓿的分根接種試驗，發(fā)現(xiàn)倒Y型嫁接可以培育出具有兩種不同根基因型的植物，從而證明rdn1突變體中的調(diào)節(jié)信號缺陷在根中起作用[56]。應(yīng)用分根試驗探究AON系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，在干旱和重金屬脅迫下固氮酶活性的調(diào)節(jié)大多是局部的;而施用外源氮素后，固氮調(diào)節(jié)在局部和系統(tǒng)水平上均能發(fā)揮作用[57]。

4豆科植物固氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

20世紀(jì)初以來，全球農(nóng)作物單產(chǎn)的增長在一定程度上依賴于氮肥用量的提高。但是，依賴于施用氮肥所獲得的農(nóng)作物增產(chǎn)是以加劇環(huán)境污染為代價的。氮肥的過量施用能夠造成土壤中無機氮素的累積、土壤酸堿失衡、水體富營養(yǎng)化，這將嚴(yán)重影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。利用豆科植物的固氮作用，通過探索最佳施氮量，并結(jié)合輪作、間作和套作等耕作制度可有效實現(xiàn)作物增產(chǎn)，減輕因過量施氮而造成的環(huán)境污染。

4.1施氮水平研究

施氮量直接影響豆科植物的養(yǎng)分吸收和終產(chǎn)量。在小麥和蠶豆間作系統(tǒng)中，當(dāng)施氮量增加，小麥對磷養(yǎng)分的吸收速率增大，而蠶豆對磷養(yǎng)分的吸收速率降低;常規(guī)施氮水平下，間作蠶豆分枝期至鼓粒期對磷養(yǎng)分的吸收速率提高38.4%～89.8%，高施氮下對磷養(yǎng)分的吸收速率提高8.7%～48.6%[69]。常規(guī)施氮與不施氮條件下利用主莖節(jié)數(shù)、株高、百粒重、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和單株粒重對大豆形態(tài)與產(chǎn)量相關(guān)性狀進行QTL定位分析，共檢測到71個QTLs：不施氮條件下可檢測到29個，常規(guī)施氮下檢測到42個;還有6個QTLs在不施氮條件和常規(guī)施氮條件下均能檢測到[70]。對施氮水平進行調(diào)控，可以篩選、培育氮高效品種，節(jié)氮育種。通過研究不同氮素利用效率的花生品種，發(fā)現(xiàn)氮高效型品種比氮低效型品種的莢果氮效率平均高13.6%。不同花生品種的氮效率和產(chǎn)量存在顯著差異，表明選育產(chǎn)量和氮效率雙高的品種可行[71]。在夏花生大田栽培試驗中，隨著施氮量的增加，氮肥利用率呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，氮肥偏生產(chǎn)力則呈顯著下降趨勢，試驗條件下最佳施氮量為244.70kg/hm2[72]。施氮量為144.38kg/hm2的南方紅壤花生莢果產(chǎn)量、株高、單株果重、百果重和百仁重最佳[73]。在輕度干旱脅迫和施氮90kg/hm2處理下，花育25號花生干物質(zhì)與氮素積累量適宜，氮素向生殖器官分配比例和氮肥利用率較高[74]。經(jīng)大田試驗，施用90kg/hm2氮素能夠提高花生的籽仁干重，從而增加氮素積累量和氮肥利用率，花生產(chǎn)量最高時的最適施氮量為77.19kg/hm2[75]。因此，合理施加氮肥，控制土壤氮素含量有助于作物生長。

4.2種植模式研究

通過多年花生單粒精播技術(shù)模式、增產(chǎn)機理、配套技術(shù)等研究，創(chuàng)建了以單粒精播技術(shù)為關(guān)鍵核心、配套鈣肥調(diào)控和“三防三促”技術(shù)組成的花生單粒精播高產(chǎn)栽培技術(shù)體系。研究表明，通過優(yōu)化光合特性、根系生長、冠層微環(huán)境、合理種植密度等方面的單粒精播能夠促進花生養(yǎng)分吸收，再結(jié)合配套專用肥的應(yīng)用以實現(xiàn)花生高產(chǎn)[76-79]。研究發(fā)現(xiàn)禾本科和豆科間作能促進豆科植物共生固氮。禾本科作物根系能分泌上調(diào)豆科根部關(guān)鍵結(jié)瘤基因NODL4、生長素響應(yīng)基因GH3.1表達的物質(zhì)，使這些基因過量表達，以促進豆科作物類黃酮物質(zhì)的分泌、結(jié)瘤，從而促進豆科作物固氮[80]。應(yīng)用帶狀輪作復(fù)合種植技術(shù)，篩選適宜的輪作模式，結(jié)合間作套種壓縮行距，能夠發(fā)揮邊際效應(yīng)[81]。與玉米單種相比，玉米/大豆間作能明顯提高青貯玉米產(chǎn)量、品質(zhì)，玉米/大豆2∶1模式為該地區(qū)最佳間作模式，青貯玉米產(chǎn)量為68.53t/hm2;間作也能夠改善土壤營養(yǎng)和微生物菌落[82]。通過對木薯花生間作模式養(yǎng)分吸收與利用優(yōu)勢的比較得出產(chǎn)量和產(chǎn)值優(yōu)勢最佳的是2行木薯間作4行花生（M2H4）木薯花生間作模式[83]。在夏玉米與夏花生間作綠色高效模式栽培技術(shù)研究中，花生產(chǎn)量達3067.5kg/hm2，玉米產(chǎn)量達7395kg/hm2，效益較單種玉米每公頃增收1.2萬～1.5萬元。這充分發(fā)揮了玉米邊際效應(yīng)和花生固氮優(yōu)勢，與單作相比，不同施氮水平下，玉米花生間作均能促進玉米產(chǎn)量的增加[84]。與之相反，無論單作還是間作體系中，氮素均能抑制花生根瘤的生長發(fā)育，而間作對根瘤生長的抑制作用不顯著[85]。遼西風(fēng)沙半干旱區(qū)玉米與花生間作系統(tǒng)能促進花生根瘤形成，使花生在不施氮條件下的根瘤增加1.79倍，施氮條件下增加4.81倍;能夠減緩花生氮阻遏作用[86]。玉米與豌豆間作系統(tǒng)中，間作豌豆根瘤數(shù)增幅高達500%，間距為30cm時最大;施氮條件下氮阻遏消減效應(yīng)在78.70%～161.21%之間，說明間作有減緩氮阻遏的作用且優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)（種植間距），有助于強化間作對氮阻遏的減緩效應(yīng)[87]。

5展望

作為植物需求量最大的營養(yǎng)元素之一，氮素在作物種植中發(fā)揮著重要作用。雖然在豆科植物結(jié)瘤固氮及其分子調(diào)控機制方面已經(jīng)取得一系列研究進展，但是在氮素調(diào)控豆科植物結(jié)瘤固氮和吸收利用無機氮素的機制方面還有待進一步研究。如何將豆科植物結(jié)瘤固氮的相關(guān)分子機制運用到實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上是關(guān)鍵。

隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，基因組測序、轉(zhuǎn)錄組分析和代謝組學(xué)分析等一系列生物信息學(xué)技術(shù)的應(yīng)用有助于解析豆科植物結(jié)瘤調(diào)控機理，結(jié)合數(shù)學(xué)方法建立負(fù)反饋調(diào)節(jié)的工作模型，探尋結(jié)瘤固氮通路關(guān)鍵基因，分析不同氮素梯度下結(jié)瘤相關(guān)基因的表達差異，并且在此基礎(chǔ)上探究結(jié)瘤固氮的關(guān)鍵基因與氮素吸收利用的關(guān)系，找到最佳田間施氮量，能夠為豆科植物共生固氮研究提供新思路。同時，比較不同豆科植物栽培品種的氮素吸收利用效率，挖掘主導(dǎo)基因，以實現(xiàn)高產(chǎn)量、低施氮作物品種的改良，進一步提高作物對氮肥的吸收利用率，能夠?qū)崿F(xiàn)作物生產(chǎn)效益的最大化。

在生產(chǎn)實踐中，充分利用豆科植物的固氮能力來發(fā)展不同種間植物的輪作、間作種植技術(shù)，優(yōu)化間作系統(tǒng)種植方式與種植方向，結(jié)合推廣該技術(shù)實現(xiàn)氮肥合理施用、節(jié)省氮肥用量，這樣能在節(jié)本增效的同時減輕因過量施氮造成的環(huán)境污染。

對豆科植物結(jié)瘤固氮的研究為非豆科植物固氮改造奠定了基礎(chǔ)，為減少作物對氮肥的依賴和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供了新思路。固氮菌固氮基因調(diào)控，固氮與光合作用的偶聯(lián)是未來的研究重點。未來通過人工設(shè)計新型高效聯(lián)合固氮工程菌以期大幅度提高田間聯(lián)合固氮效率，可望實現(xiàn)非豆科農(nóng)作物節(jié)肥穩(wěn)產(chǎn)增效。另外，模擬豆科植物固氮，開展化學(xué)模擬生物固氮酶功能研究，以實現(xiàn)在溫和條件下催化氮氣轉(zhuǎn)化成氨;利用仿生光電催化劑還原空氣中的氮氣能夠?qū)崿F(xiàn)光、電化學(xué)高效固氮，以推動節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展。