豆科植物的根部为什么会长小瘤子

科普中国网 2018-01-15

　　作者：蔡可

　　1895年1月15日，芬兰生物化学家魏尔塔南诞生。魏尔塔南发现一种根瘤细菌具有固氮的本领，他也因此获得诺贝尔化学奖。那么，豆科植物的根部为什么会长小瘤子？

　　如果要保证植物正常生长，三大营养元素氮、磷、钾是不可缺少的。尤其是氮元素，对作物生长起着非常重要的作用。它是植物体内氨基酸的组成部分，氨基酸是构成蛋白质的成分，也是植物进行光合作用起决定作用的叶绿素的组成部分。

　　众所周知，在我们周围的空气中，几乎含有70%以上的氮气。这样大量的氮完全能满足植物生长的需要，可惜，绝大多数植物无法直接吸收空气中的氮气，只能依靠施氮肥才能保证作物的生长和发育之需。但有一类豆科植物却与众不同，可以直接利用空气中的氮。

　　我们很熟悉的黄豆、豌豆、蚕豆、扁豆等，都属于豆科植物的果实或种子。为什么豆科植物能够利用空气中的氮呢？原来，土壤中有一类根瘤菌，它们体内存在着有生物活性的固氮酶，能将大气中的氮气还原成植物可以直接利用的氨，植物学家将这个过程称为生物固氮作用。由于土壤中的根瘤菌侵入豆科植物的根部细胞后，引起根部细胞强烈分裂和生长，从而在根部形成一个个“小瘤子”。当豆科植物和根瘤菌之间的共生关系建立后，植物供给根瘤菌生存所需要的无机盐营养和能源，而根瘤菌能固定住大气中的游离氮气，为植物生长提供所需的氮元素，这是一种相互依赖的双赢关系。

　　其实，土壤中还有很多具有固氮作用的微生物，根据它们的习性通常分为两类：一类是在土壤中能独立生活的自生性固氮微生物；另一类是需要与植物共生的共生性固氮微生物，如与豆科植物共生的根瘤菌。

　　在实际的农业生产过程中，为使豆科植物多生小瘤子，可用根瘤菌制成的菌肥拌种。有时候为了提高作物产量，还可以将豆科作物与其他庄稼作物轮作，因为种过豆科植物后，土壤中可直接被其他植物利用的氮素会有所增加。值得注意的是，一种豆科植物通常只能与一种或少数几种相应的根瘤菌系共生，如豌豆根瘤内的根瘤菌只能在豌豆、蚕豆等根部形成根瘤，大豆只能从大豆根瘤中的根瘤菌形成根瘤。

　　生物固氮是一个重要的生命活动现象，它能在常温常压下完成固氮过程。因此，科学家都非常注重研究这一现象和机理，希望有一天能够人工模拟这一过程制造氮肥，使非豆科植物也能参与共生固氮。

　　关键词：生物固氮

责任编辑：杨茗

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