【原核生物全系列-32】根瘤菌目—根瘤菌科（上）

根瘤菌目—根瘤菌科（上）

细菌域

细菌界

变形菌门

α-变形菌纲

柄杆菌亚纲

根瘤菌目

根瘤菌科

根瘤菌科（学名：Rhizobiaceae）是属于变形菌门中的一个科，包含许多种的根瘤菌（但不是全部）和植物的寄生生物，如：土壤杆菌属。正如所有变形菌门中的生物，在根瘤菌科中也全属于革兰氏阴性菌。它们是好氧菌且细胞形状通常为杆状。其中有多种菌属于固氮生物，它们有固氮的能力且与植物共生。

根瘤菌科是细菌的1科。它是促使植物异常增生的一类革兰氏染色阴性需氧杆菌。正常细胞以鞭毛运动，无芽孢。可利用多种碳水化合物，并产生相当量的胞外粘液。DNA中的G+C克分子含量为57～65%。

根瘤菌科是H.J.康恩于1936年建立的。经过70年代和80年代初的研究,本科的变化较大,现包括4属10种,但其中的放射土壤杆菌不能引起植物异常增生。

现代的分类手段,如DNA碱基组成、DNA同源性、rRNA顺反子相似性、蛋白凝胶电泳、数值分类等结果，都证明土壤杆菌与两属根瘤菌有一定的亲缘关系，也证明将根瘤细菌分为两属是符合客观实际的。rRNA顺反子相似性的研究结果证明叶杆菌属与前3属有一定关系,所以暂归属于根瘤菌科。

1.农杆菌属（土壤杆菌属）

农杆菌属（学名：Agrobacterium），又称土壤杆菌属，是革兰氏阴性菌的一个属，常通过水平基因转移导致植物根瘤的产生，该属以向植物导入DNA的能力而闻名，因此农杆菌属也是用于改良植物的重要工具。其中模式种根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）是本属中最常研究的种系。

农杆菌是指生活在植物根表面依靠由根组织渗透出来的营养物质生存的一类普遍存在于土壤中的革兰氏阴性细菌。农杆菌主要有两种：根癌农杆菌和发根农杆菌。根癌农杆菌能在自然条件下趋化性地感染140多种双子叶植物或裸子植物的受伤部位，并诱导产生冠瘿瘤。引发冠瘿瘤的原因是，Ti质粒上的T-DNA上有8个左右的基因在植物细胞内表达，指导合成一种非常寻常的化合物冠瘿碱，进而引起转化细胞癌变。而发根农杆菌则诱导产生发状根，其特征是大量增生高度分支的根系。

在自然界中，绝大多数的植物都是从土壤中生长出来的，它们从土壤中吸取营养和水分，同时也会被土壤中的各种细菌所侵染而致病。在众多的土壤细菌中，有两种农杆菌(Agrobacterium)一直是世界各国科学家们研究的热点，一种被称为根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)，另一种被称为发根农杆菌(Agrobacteriumrhizogenes)。它们都是革兰氏阴性菌，同属于根瘤菌科(Rhizobiacease)。这两种农杆菌之所以受到重视，主要就是因为它们都携带有一种特殊的质粒，这些质粒都可以被用于植物基因工程的遗传转化研究中。

农杆菌主要有两种：根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）和发根农杆菌（Agrobacteriumrhizogenes）。根癌农杆菌的Ti质粒和发根农杆菌的Ri质粒上有一段T-DNA，农杆菌通过侵染植物伤口进入细胞后，可将T-DNA插入到植物基因组中。因此，农杆菌是一种天然的植物遗传转化体系，被誉为“自然界最小的遗传工程师”。可以通过将目的基因插入到经过改造的T-DNA区，借助农杆菌的感染实现外源基因向植物细胞的转移和整合，然后通过细胞和组织培养技术，得到转基因植物。

2.剑菌属（中华根瘤菌属）

剑菌属（学名：Ensifer）是根瘤菌目根瘤菌科下的一属。中华根瘤菌属（学名：Sinorhizobium）是剑菌属的同属异名。中华根瘤菌属中的草木樨中华根瘤菌（Sinorhizobium meliloti）与苜蓿中华根瘤菌（Sinorhizobium medicae）进行过测序。

该属曾先后于1982年与1988年被命名为剑菌属（Ensifer）与中华根瘤菌属（Sinorhizobium）。根据国际原核微生物系统学委员会（International Committee on Systematics of Prokaryotes，ISCP）的《细菌学法规》（BacteriologicalCode）规定，发表时间更早的名称有优先命名权。由于有人提议将当时剑菌属的唯一物种附着剑菌（Ensifer adhaerens）并入中华根瘤菌属，为此ISCP设立了一个专门分委会对此进行评估。最终剑菌属保留其名称，并将所有中华根瘤菌属的物种并入剑菌属之中。虽然如此，在大多学术著作中还是同时延用了这两个名称，而中华根瘤菌属一名则更为常见。

3.根瘤菌属

根瘤菌属细菌能从豆科植物根毛侵入根内形成根瘤，并在根瘤内成为分枝的多态细胞，称为类菌体。类菌体在根瘤内不生长繁殖，却能与豆科植物共生固氮，对豆科植物生长有良好作用。

（1）形态特征

杆状，0.5～0.9μm×1.2～6.0μm。在不利条件下通常多形态。一般含有聚-β-羟基丁酸盐颗粒。以一根极毛或亚极毛或2～6根周毛运动。少数菌株有纤毛。

（2）习性

根瘤菌属的细菌在酵母膏、甘露醇、无机盐琼脂上生长快，3～5天的菌落直径可达2～4毫米；在含碳水化合物的培养基上产酸。慢生根瘤菌属的细菌却与之相反，菌落生长甚慢，5～7天其直径还不足1毫米，在含碳水化合物的培养基上不产酸，反而呈碱性。

好氧，以氧为末端电子受体的严格呼吸型。在氧压低于1.0Kpa下生长良好。最适温度25～30℃，最适 pH6.0～7.0。菌落呈圆形，凸起，半透明和有粘液，在酵母膏-甘露醇-无机盐琼脂上3～7天后直径为2～4mm。在 2～3天的老龄培养液浊度增加。化能异养菌，利用各种碳水化合物和有机酸的盐类作为碳源，但没有气体产生。不利用纤维素和淀粉。从甘露醇和其他糖类产酸。在含糖培养基上的生长物常伴有丰富的胞外粘液。铵盐、硝酸盐和多数氨基酸类可作为氮源。有的菌株能以含无维生素的酪素无机盐培养基上生长，利用蛋白胨能力差，不水解酪素和琼脂。有的菌株需要生物素或其他水溶性维生素。不产 3-酮基糖苷类。菌能侵入温带豆科植物的根毛和促进根瘤生成，瘤内的细菌出现胞内共生。所有菌株显示寄主的亲和性(寄主专化性)。根瘤中细菌以多形态(类菌体)出现，它们通常固定大气氮到结合状态氮(氨)，为寄主植物所利用。

（3）发现

根瘤菌属是于1889年由B．弗兰克建立的，它包括3种：豌豆根瘤菌、苜蓿根瘤菌和百脉根瘤菌。慢生根瘤菌属是D．C．乔丹于1982年从根瘤菌属中分化出来的，属内暂有一种，即曾经称为大豆根瘤菌的大豆慢生根瘤菌。

该属包括4个种，能够促进植物生瘤的菌还有另外3个属，模式种：豌豆根瘤菌(Rhizobium leguminosarum)。