探究根瘤菌的共生過程

根瘤菌是一種特殊的細菌，可以生活在土壤中或豆科植物根部形成的根瘤中。在根瘤中，它們與豆科植物形成一種共生關系，植物通過光合作用向根瘤菌提供能量，根瘤菌將大氣中的氮固定在根瘤中，并將其轉化為植物可以利用的形式，以支持植物的新陳代謝。根瘤菌為豆科植物生產氮的復雜過程稱為生物固氮。根瘤菌對缺氮土壤中的植物尤為重要。

在實驗室里，根瘤菌生長在一種叫作酵母甘露醇瓊脂的特殊培養基上。根瘤菌主要分為快速生長的根瘤菌和緩慢生長的慢生根瘤菌兩個屬。快速生長的根瘤菌在培養基上一般2~3天內明顯生長，產生酸生長反應，豌豆、蠶豆、苜蓿和鷹嘴豆等分離出的根瘤菌生長迅速；慢生根瘤菌在培養基上需要6~8天才能明顯地生長并產生堿性反應，大豆和豇豆根瘤菌生長緩慢。實驗室培養的根瘤菌在顯微鏡下呈短桿狀。像大多數生物一樣，它們需要空氣（O2）的供應才能生存，可以通過一種叫作鞭毛的特殊絲狀結構移動。

當豆科植物在幼苗期，土壤中的根瘤菌便被其根毛分泌的有機物吸引而聚集在根毛的周圍，并大量繁殖。同時產生一定的分泌物，這些分泌物刺激根毛，使其先端卷曲和膨脹，同時，在根菌瘤分泌的纖維素酶的作用下，根毛細胞壁發生內陷溶解，隨即根瘤菌由此侵入根毛。 在根毛內，根瘤菌分裂滋生，聚集成帶，外面被一層粘液所包，形成為感染絲，并逐漸向根的中軸延伸。同時，在根瘤菌的刺繳下，根細胞相應地分泌出一種纖維素，包圍于感染絲之外，形成了具有纖維素鞘的內生管，又稱侵入線。根瘤菌順侵入線進入幼根的皮層中。

在皮層內，根瘤菌迅速分裂繁殖，皮層細胞受到根瘤菌侵入的刺繳，也迅速分裂，產生大量的新細胞。致使皮層出現局部的膨大。這種膨大的部分，包圍著聚生根瘤菌的薄壁組織，從而形成了外向突出生長的根瘤。

之后，含有根瘤菌的薄壁細胞的細胞核和細胞質逐漸被根瘤菌所破壞而消失，根瘤菌相應地轉為擬菌體（bacterioid）。

主根瘤菌剛剛進入豆科植物根部的時候，并不能固氮，只能發展到擬菌體階段，才能進行固氮作用。

在根瘤內，根瘤菌從豆科植物根的皮層細胞中吸取碳水化合物、礦質鹽類及水分。以進行生長和繁殖。同時它們又把空氣中游離的氮通過固氮作用固定下來，轉變為植物所能利用的含氮化合物，供植物生活所需。這樣，根瘤菌與根便構成了互相依賴的共生關系。

由于根菌瘤在生活過程中分泌一些有機氮到土壤中，加之，根瘤在植物的生長末期會自行脫落，從而大大提高了土壤的肥力。據估測，一畝苜蓿年均可積累40斤氮肥，相當于200斤硫銨。并可增加土壤中的腐殖質。

由于有些土壤中沒有與豆科植物共生的根瘤菌，同時不同豆科植物需要與不同類型的根瘤菌共生，因此在農業上采取在播種豆科植物時，將其與根瘤菌制劑攪抖，以便給豆科作物形成根瘤創造條件。據調查，采用該方法播種，可使大豆、花生增產10%以上。