文摘
微生物,如细菌和真菌,能住在一起在一个紧密的关系,他们互相帮助提供营养。一些组织的细菌可以将氮,从气体在大气中必不可少的元素,植物可以利用的形式。作为回报,植物提供碳细菌。这种特殊的关系称为共生关系。研究人员试图理解为什么有些植物与这些有益细菌和其他不互动。他们通过看共生关系是如何形成的,以及它如何进化了几百万年的很长一段时间。如果我们可以用共生微生物为植物提供营养,而不是使用化肥,我们可以减少温室气体造成的负面影响与生产有关。
是氮
如果你曾经挖出一个三叶草植物你可能见过小,粉红色或黄色肿块在植物的根(图1)。这些都是我们调用它们结节这是由植物。为帮助植物结节是必不可少的氮从大气中当没有足够的氮在土壤中。是的,土壤结构中发现的植物从大气中重要的营养!人类和动物、植物的生长需要水和养分。像碳、氮是任何生物的重要构件。它是大气中最常见的组件。氮气占大约78%的气氛。比较,我们呼吸的氧气只有21%的气氛。人类和动物吸入氮气时,我们不能直接用空气中的氮。所以,我们依靠食物来源获取氮供应。得到足够的氮是人或动物通常不是一个问题,但对植物,它可以是一个问题,不吃其他生物。
- 图1 -结节在各种植物的多样性。
- 左边显示的植物和它们的结节右边所示。(一)Coriariasp。(图图)。(B)Discaria trinervis(chacay)。(C)Pisum一(豌豆)。图片来源:f . Berckx。
所以植物获取氮来自哪里?他们用他们的根从土壤中吸收氮。在现代农业中,氮和其他营养物质主要是由人造化肥。肥料氮含量是大约100年前由两个人发明:弗里茨·哈伯(德国和卡尔博世。都获得了诺贝尔奖。不幸的是,我们现在学习对环境的负面影响通过使用这种肥料。例如,在生产期间,很多公司2被释放到大气中。化肥也能污染水生生态系统如湖泊当过多的氮进入。植物被种植作物长得多比化肥使用。并不是所有的植物都增加了农民。怎么这些植物氮呢?,我们能学到这些植物使农业更环保吗?
细菌在结节可以帮助植物氮
土壤中含有一些可用于植物的氮。这个生物的氮来自衰变的一部分,例如。土壤还包含很多微生物超级小的微生物如真菌、细菌,或小动物,像水熊。某些细菌在土壤中,称为diazotrophs,可以将大气中的氮气转化为氨,这是一种植物可以利用的氮(图2)。这个过程称为固氮作用,可以被称为的细菌固氮细菌。一些diazotrophs形成密切的关系通过这一过程被称为植物根瘤共生关系。共生意味着两个或更多的生物生活和相互作用关系密切,在这两种生物的利润。形状各异的植物形成结节、颜色和尺寸在根部(图1)。如果我们考虑所有的植物存在,只有少数能够让结节。根结节内的细菌生活在贸易和植物营养素。细菌提供氮和光合作用的植物提供了糖。不是所有的植物都能让结节,所以这种类型的共生关系仅限于只有某些植物。为例子,苜蓿、豌豆、豆、花生植物都是相同的植物的一部分家庭我们称之为豆类(1]。但也有一些non-legume植物能使根结节(2]。
- 图2——在一次火山喷发,火山灰覆盖土壤低氮(N)。
- Nodule-forming植物可以解决在这种恶劣的环境,和细菌的朋友的帮助下,他们可以从大气中氮。在氨(NH土壤越来越富裕3),在该地区更多的植物开始生长。
每个工厂能让结节股票一位生活在1亿年前的曾曾外祖父母。这意味着他们都是相互关联的,他们的祖先可能使结节(3]。但从那时起,许多植物失去了能力结节。这些植物氮如何?他们必须依赖于氮在土壤中可用。植物使结节通常发现在严酷的环境中,像在沙滩的边缘,或者是第一个植物生长在火山爆发后的灰烬。由于细菌的朋友,他们能在这些严酷的环境下生长,随着时间的推移,使土壤丰富的氮。提高土壤的氮福利工厂没有结节,一般到达后(图2)。
共生关系似乎是一个很大的优势,所以许多植物为什么会失去这种能力吗?这是令人费解的。一些人认为也许是因为土壤:“骗子”的细菌可以假装是有益的,但没有提供足够的氮的植物。以来共生需要能量,如果土壤已经足够丰富的氮,它可能是更好的植物不投资于共生关系。
植物和细菌使用化学物质来找到对方
寄主植物和细菌如何找到彼此?与其他生物,植物化学物质释放到土壤。这些化学物质附近告诉细菌,植物生长。如果合适的植物,细菌也会释放化学物质,告诉友好固氮细菌是附近的工厂。在某些情况下,只有特定类型的细菌会与某些植物,和plant-bacteria沟通的细节仍不理解一些植物。科学家们做知道植物与友好的细菌的方式非常类似于植物与某些类型的真菌,还帮助植物吸收养分,如氮和磷(4]。共生,与这些比根瘤共生真菌更普遍。研究人员估计,与真菌共生关系出现在5亿年前,当植物开始生长在陆地上。这是很久以前开始细菌的共生关系。第一只恐龙出现在2.4亿年前。大约1亿年前,古代祖先植物共生细菌可能借来的首次演出的基因参与与真菌和用于交流与固氮细菌。随着时间的推移,许多这位祖先的后裔植物细菌失去了交流的能力,但是保留了与真菌的能力。
我们如何使用这些知识来保护地球?
虽然现代农业为我们提供了我们需要的食物,研究人员发现,农业在我们的星球上有一个负面影响。生产化肥释放温室气体,提高全球变暖。但与此同时,肥料帮助我们生产足够的植物,以满足全球对食品的需求,所以我们必须平衡温室气体排放与肥料的好处提供给作物。固氮细菌在植物结节可以帮助我们,因为他们提供氮植物和减少对化肥的需求。方法之一,农民已经利用这种共生关系在他们的田地种植豆类旋转与其他作物。豆类自然增加的氮在土壤中是可用的。一些研究人员正在试图改变农作物的基因所以他们有自己的工具来解决氮,不需要细菌。其他研究人员正试图理解为什么许多植物失去了形式与细菌的共生关系的能力,是否有可能重新引入这个技能在某些植物中。通过利用或改善农作物的自然能力来获得自己的营养,希望我们能减少农业对环境的负面影响,所以许多野生物种,同时仍然足够的食物来养活的人口增长。
术语表
结节:↑一个特殊的器官形成植物的根部,某些细菌可以交换与植物营养和生活。
氮:↑大气中最常见的化学元素。
微生物:↑微生物如细菌、古生菌和真菌,还非常小的动物或海藻只能用显微镜。
固氮细菌:↑一种细菌,这种细菌可以从大气中吸收氮和将其转换成一种植物可以使用,如氨。一些古菌也能固氮。
共生:↑两个不同物种的生物生活之间的关系紧密,从关系中获利。
豆类:↑植物属于豌豆家族还包括豆类和三叶草。他们中的大多数是共生的。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
引用
[1]↑我被点缀的,j。Ardley, J。和詹姆斯·e·k . 2017。生物地理学的结节状的豆类和固氮共生体。新植醇。215:40-56。doi: 10.1111 / nph.14474
[2]↑Pawlowski, K。,Demchenko k . n . 2012。actinorhizal共生的多样性。原生质。249:967 - 79。doi: 10.1007 / s00709 - 012 - 0388 - 4
[3]↑Griesmann, M。常,Y。刘,X。、歌曲、Y。华,G。骗子,m . B。,Roswanjaya y . p . 2018。Phylogenomics显示多个固氮根瘤共生的损失。科学。361:eaat1743。doi: 10.1126 / science.aat1743
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