根瘤菌

根瘤菌（Rhizobia）指的是根瘤菌属（Rhizobium）的成员。然而，随着时间的推移，人们的认识发生了变化，现在任何能够固定氮并与豆科植物形成根瘤的细菌都归属于根瘤菌属。

历史

在19世纪末，人们发现豆科植物的根瘤能够消化大气中的氮。1888年，Beijerinck 分离出了根瘤菌，并证明它们是固氮过程的负责人。他将这些细菌命名为Bacillus radicicola。后来，Frank 将其更名为Rhizobium，当时该属只有一个物种，即R. leguminosarum。

20世纪初，人们进行了各种研究，以检查能够与豆科植物形成根瘤的细菌的多样性。结果，形成了交叉接种组，这些组包含来自一个植物物种的根瘤菌，它们能够与该组中的其他植物物种形成根瘤。

20世纪初，对不同细菌与多种豆科植物宿主形成根瘤的能力进行了广泛研究，从而形成了交叉接种组。起初认为，来自该组的一个植物的根瘤菌能够与该组中的所有其他植物形成根瘤。这种想法也被用于根瘤菌的分类学，但由于植物组内出现异常的交叉感染，它最终被放弃，因为它是一个不可靠的分类学标识符。20世纪60年代初，细菌学家开始在数值分类学研究中使用广泛的形态学、营养学和代谢特征，以及血清学和简单的 DNA 特征。这建立了根瘤菌和农杆菌之间的密切关系，并清楚地区分了快速生长和慢速生长的根瘤菌，后者被归为Bradyrhizobium 属。在根瘤菌中发现了更多的变异，并且从20世纪80年代开始，随着基因特征（DNA-DNA、DNA-rRNA 杂交、rRNA 目录、rDNA 测序）的引入，它们与其他细菌组的相互作用变得更加明显。因此，属的数量逐渐增加。合法报告的物种数量显着增加，目前已识别出48种根瘤菌。

属和种数量增长的两个主要原因如下：

(1) 现已对众多豆科植物物种进行了研究。这与早期的尝试不同，早期的尝试主要集中在西部半球的主要粮食作物和牧草作物上。

共有18000种豆科植物，其中只有20%，即650个属的豆科植物，已被研究其根瘤形成能力。这使得仍有大量豆科植物物种有待研究，并且很可能还有更多根瘤菌的物种和属有待描述。

(2) 分类学研究的不断发展是根瘤菌种数量不断增长的另一个原因。研究细胞 DNA 和 RNA 技术方面的改进和突破，使得更全面的表征以及系统发育和多相分类成为可能。目前，越来越多的完整细菌基因组可供获取。这无疑将对细菌分类学产生重大影响。大多数最新的分类学研究都采用了多相方法，结合遗传学、表型学、化学分类学和系统发育学数据，以全面了解细菌之间的关系并提出适当的分类。

Sinorhizobium（新根瘤菌属）

不同的科学家为快速生长的 S. fredii 提出了一个新的属 Sinorhizobium，将 R. fredii 重命名为 Sinorhizobium fredii，并提出了一个新物种 S. xinjiangense。这个新属起初引起了争议，因为当时没有基因证据支持其建立并将其与 R. fredii 区分开来。后来，提出了系统发育学证据来建立第三个不限于快速生长的大豆根瘤菌的根瘤菌属，并修改了属的定义。S. meliloti 是为从塞内加尔的金合欢和伊乐藻中分离出的菌株提出的。又提出了两个物种 S. saheli 和 S. terangae（最初拼写为 S. teranga，后来被更改），它们是为从塞内加尔的金合欢和伊乐藻中分离出的菌株提出的。Sinorhizobium 现在被广泛认可为一个拥有11个合法物种的属。已经提出了新的基因证据来支持 S. xinjiangense 和 S. fredii 的分离。然而，这是基于使用 S. fredii 型菌株 USDA 205T 的 DNA-DNA 杂交，其质量尚未通过与 S. fredii 菌株的同源杂交得到证实。最近的 16S rDNA 比较表明，Ensifer adhaerens 在系统发育上属于 Sinorhizobium 谱系。

该生物体是一种土壤细菌，能够附着并裂解其他土壤细菌，最初主要基于表型信息进行表征。基于 DNA-DNA 杂交和表型特征，我们的多相实验表明，一小部分四种不同的根瘤菌分离株和两种土壤分离株与 Ensifer adhaerens 无法明显区分，因此我们应该将这些根瘤菌包含在 Ensifer 中。在 α-变形菌的 16S rDNA 树状图中，Ensifer 和 Sinorhizobium 构成一个单独的组，可以被视为同一个属。由于 Ensifer 这个名称在先，这具有重要的命名法含义。从命名法的角度来看，从 Sinorhizobium 转换为 Ensifer 并非最佳选择，允许豁免规则 38 可能更可取。因此，有人建议将名称更改为 Sinorhizobium adhaerens comb. nov.，并请求对 Sinorhizobium adhaerens 相对于 Ensifer adhaerens 的保留发表意见。人们认为这个想法不合理，并主张将所有 Sinorhizobium 物种转移到 Ensifer 属。在征求意见的过程中，Sinorhizobium adhaerens 这个名称已不再有效，Ensifer adhaerens 是正确的名称。

Mesorhizobium（中根瘤菌属）

Mesorhizobium 是五个根瘤菌物种（R. loti、R. huakuii、R. ciceri、R. Mediterranean 和 R. tianshanense）的一个系统发育分组，它们在系统发育上相似但与 Rhizobium、Agrobacterium 和 Sinorhizobium 不同。它们的生长速度介于快速生长和慢速生长根瘤菌之间。根据 16S rDNA 序列数据，Mesorhizobium 在系统发育上与 Bartonella、Defluvibacter、Aquamicrobium Phyllobacterium、Aminobacter 和 Pseudaminobacter 等快速生长根瘤菌不同。

Bradyrhizobium（慢生根瘤菌属）

Rhizobium japonicum 是一种慢生菌，被命名为 Bradyrhizobium。虽然发现慢生菌株存在于许多豆科植物属中，但最初报告的唯一物种是大豆根瘤菌 B. japonicum。该属中还有另外五个合法命名的物种：B. elkanii 和 B. liaoningense，它们与 Lespedeza 形成根瘤；B. yuanmingense；以及来自 Beta vulgaris 根部肿瘤样畸形的 B. betae。

除了物种划分之外，在慢生大豆共生菌中还发现了多种血清群。从其他豆科植物宿主分离出的多种慢生根瘤菌，以 Bradyrhizobium sp. 后跟豆科植物宿主名称来命名。一些 Bradyrhizobia 可以在某些植物物种上形成茎瘤，产生细菌叶绿素并进行光合作用，这是 Bradyrhizobium-豆科植物共生关系的一个独特特征。已证明非洲野生稻的某些光合细菌作为内共生菌存在。16S rDNA 基因序列的高度相似性是确定 Bradyrhizobia 分类位置和相互关系的重大挑战。许多菌株表现出 0.1-2.0% 的 16S rDNA 序列差异。只有 B. elkanii 及其相关菌株的序列与其他 Bradyrhizobia 的序列存在高达 4% 的差异。另一个问题是这些生物体生长极其缓慢，难以采用传统的表型测试方案（例如 Biolog、API 系统）。因此，许多 Bradyrhizobia 已通过基因型得到更充分的描述。一项研究使用 AFLP、DNA-DNA 杂交和 16S-23S 内部转录间隔区 (ITS) 研究，确定了至少 11 个 Bradyrhizobium 基因种，包括已描述的物种。根据 16S rDNA 系统发育，Afipia、Rhodopseudomonas 和 Nitrobacter 属似乎与 Bradyrhizobia 密切相关，其中 B. ekanii 的进化位置更偏外围。

根据 ITS 测序数据，从 Aeschynomene 茎瘤中分离出的光合 Bradyrhizobia 代表了一个与 Blastobacter denitrificans 密切相关的独立群体。另一方面，ITS 测序数据显示 B. elkanii 与 Bradyrhizobia 的相关性比与三个非根瘤菌类群的相关性更高。在对这两个群体进行全面研究后，van Berkum 和其他植物生物学家提议将 Blastobacter denitrificans 重命名为 Bradyrhizobium denitrificans，并将来自 Aeschynomene indica 的分离株与该物种合并为 Bradyrhizobium denitrificans。

基于 16S rDNA 序列数据，Rhizobium-Allorhizobium-Agrobacterium 的问题是，Azorhizobium 和 Bradyrhizobium 是两个不同的细菌。尽管 Sinorhizobium 和 Mesorhizobium 有自己的簇，但 Agrobacterium、Allorhizobium 和 Rhizobium 的关联性更强。近期将 Agrobacterium 和 Allorhizobium 属合并到 Rhizobium 属的建议并未被普遍接受。对于来自塞内加尔 Neptunia natans 根瘤的分离株，Allorhizobium 属仅包含一个物种 Al. undicola。它在大的 Agrobacterium-Rhizobium 16S rDNA 簇中占有独特的位置，其最近邻居是 Agrobacterium vitis (96.3% 16S rDNA 序列相似性)、Rhizobium galegae (95.1%) 和 Rhizobium huautlense (95.3%)。由于其与 Rhizobium 型物种 R. leguminosarum 的不相似性，Agrobacterium 和 Neptunia 分离株的混乱分类状况，可以通过表型和基因型与相关类群区分开。因此，决定将它们归入自己的属。该属在未来的分类和命名 Agrobacterium 和 Rhizobium 物种（特别是 A. vitis、R. galegae 和 R. huautlense）的策略中可能需要修正或修订。目前，Rhizobium 属有 15 个物种，来自各种宿主。Agrobacterium 属成立于1942年，有六个已确认的物种，包括引起植物各种类型增生的细菌。最早的物种主要是基于植物病理学特征而描述的，出于实际需要。例如，A. tumefaciens 汇集了引起植物肿瘤的菌株；A. radiobacter 汇集了无害的菌株；A. rhizogenes 汇集了促进毛根发育的菌株。A. Rubi 对悬钩子属有致病性，A. vitis 对葡萄藤有致病性，A. larrymoorei 对无花果有致病性。

豆科植物的其他固氮共生菌

最近已从豆科植物根瘤中分离出几种具有固氮能力的菌株。然而，它们在系统发育上位于 α-变形菌中典型的根瘤菌科之外。新的 α-变形菌谱系，包括 Methylobacterium、Devosia、Ochrobactrum 和 Phyllobacterium，含有固氮豆科共生菌；而 Burkholderia、Ralstonia 和 Cupriavidus 则属于 β-变形菌谱系，含有固氮豆科共生菌。在 Burkholderia 属（该属包含20多个植物病原体、土壤和植物相关细菌以及临床分离株）中发现了以下共生固氮菌株：(1) 从 Crotalaria 根瘤中分离出一种名为 Methylobacterium nodulans 的菌株；(2) 从 Alysicarpus 中分离出一种属于 B. cepacia 基因组 VI（现为 B. dolosa，该组以前仅在囊性纤维化患者中发现）的菌株；(3) 从 Machaerium 中分离出一种被确认为新物种的菌株，已提议命名为 B. phymatum；(4) 从 Aspalathus 中分离出一种被确认为新物种的菌株，已提议命名为 B. pseudomallei。Ralstonia taiwanensis 被提议用于从台湾的 Mimosa 物种中分离的菌株，与 Burkholderia 类似，该属包含植物病原体或与植物相关的、土壤和临床微生物。Devosia neptuniae 被提议用于从印度 Neptunia natans 中分离的菌株，Ochrobactrum lupinus 用于从 Lupinus sp. 的根瘤分离株，Phyllobacterium lupinii 用于从结瘤 Trifolium 和 Lupinus 的分离株。

这些新型结瘤细菌在系统发育上（16S rDNA）与根瘤菌不相关，但它们具有与根瘤菌相似的 nod 基因。Nod 因子是在结瘤过程中参与细菌-豆科植物通讯的信号分子。作为 nod 基因多样性研究的结果，已发现一些不属于根瘤菌的新型结瘤菌株。这些新型固氮豆科共生菌很可能通过水平基因转移获得了 nod 基因。大多数新型结瘤细菌属于至少有一个与植物相关的物种的属，这表明它们很可能具有克服植物防御机制的分子机制。根据最近的发现，很可能会在传统根瘤菌之外发现更多能够有效结瘤的细菌。