4 Symbiotic Dinitrogen Fixation4.1

4 Symbiotic Dinitrogen Fixation
4.1 Dinitrogen Fixation
Nitrogen is a major component of this planet occurring either free as N2 or bound in various inorganic or organic forms. However, 98เปอร์เซ็นต์ of this global N occurs in primary rock and is unavailable to the biosphere. By far the largest part of the remainder is found in the atmosphere as N2. It has been estimated that the reservoir of atmospheric N2 is 3.9 x 1015 tonnes. Terrestrail living systems contian a total of only 1x 10-6 เปอร์เซ็นต์ of that in the atmosphere (Gallon and Chaplin1987). The ability to reduce atmospheric dinitrogen is limited to prokaryotes. Legumes and a few other plant species have the ability to fix atmospheric N2 through symbiotic relationships; for have the legumes the N2-fixation is carried out in nodules located on the plant root by prokaryotes , generally Rhizobium or Bradyrhizobium. Biological N2 fixation is estimates to convert 175 x 106 of N form dinitrogen to ammonia every year, whereas global industrial processes fix about 60 x 106 t. Soybean plants, by forming a symbiosis with the bacteria B. japonicum, can fix up to 200kgNha-1yr-1 of atmospheric N2.
The family Rhizobiaceae consists of a heterogeneous group of Gramnegative, aerobic, non-spore-forming rods that can invade and form nodules on the root and, in some instances, on the stem of leguminous plants. The slow-growing nodulation bacteria which have specific association with soybean are referred to as Bradyrhizobium. Currentry, Bradyrhizobium has only one designated species. B. japonicum. Some soybean roots can also nodulate with a fast grower named Rhizobium fredii (Sprent and Sprent 1990).
4.2 Nodule Formation
Nodulation begins when rhizobia attach themselves to epidermal cells. Epidermal cells with immature or as yet unformed root hairs are the usual sites for bacterial penetration (Bhuvaneswari et al.1980). Prior to attachment, communication between the two symbiotic partners, soybean plant and B. japonicum bacteria, is required and a certain minimum period of contact is needed. Infected hairs are always shorter than mature intact hairs, due to marked curling upon infection. At the point of infection, the root hair wall forms a depression that invaginates deeply, forming an infection thread lined by a continuation of the root hair cell wall and membrane. Infection threads may branch within a root hair (Turgeon and Bauer 1982). The infection thread, with its included dividing bacteria, grows 60 to 70 um to the base to the root hair cell. The cortex adjacent to infected root hairs becomes meristematic and produces a wedge-shaped area of dividing cells even before any infection threads enter (Turgeon and Bauer 1982). These mitoses increase cell number in the cortical layer, which then becomes the main area of infected cells ( Newcomb et al. 1979). The combination of multiple threads and branching of threads in the cortex results in penetration of many, but not all, of these cells. The peripheral uninfected area becomes the nodule cortex, which includes a scleroid layer and several vascular bundles.At some time during or following mitotic activity, rhizobia are released into cortical cells through thin areas on the tips of the infection threads. Bradyrhizobia are called bacteroids after their release into the host cell. Their cell walls have been considerably modified or, in the case of peanut entirely removed (Werner and Mörschel 1978). Mitosis in infected cortical cells ceases about 14 days after infection. Subsequent increases in the volume of infection tissue are due entirely to cell enlargement. As the nodule matures, oxygen-binding leghaemoglobin develops gradually in the host tissue and the nodule becomes pink, remaining so until it begins to senesce. As leghaemoglobin forms, bacteria cease dividing, and dinitrogen fixation commences (Lersten and Carlson 1987).
The time-course of each these stages has been described by Turgeon and Bauer (1982). Bacterial attachment to root hairs occurs within minutes of inoculation and is followed, within 12h, by marked curling of root hairs. Infection threads, first visible within 24h of infection, reach the base of the root hair by 48h after inoculation. Anticlinal divisions of the adjacent cortical cells has already occurred, giving rise to nodule primordia. Infection thread penetration of this extensively dividing meristem is not observed until between 48 to 96h after inoculation. Bassett et al. (1977) noted that the bacteria are released from the infection thread to form bacteroids within 7 to 10 days after inoculation. A spherical mass of cytoplasmically rich cells, which have been invaded by infection threads, divide and differentiate into the central zone of N2-fixing cells within 12 to 18 dats after inoculation (Newcomb et al.1979).
4.3 Recognition Between Symbiotic Partners
The molecular mechanisms for recognition between (Brady)rhizobium and soybean can be considered as a form of interorganismal cell-to-cell communication. A precise exchange of molecular signals between the host plant and bradyrhizobia over space and time is essential to the development of effective root nodules. The first apparent exchange of signals involves the secretion of phenolic compounds (flavonoids, flavones and isflavones) by soybean plants (Peters and Verma 1990). These signal compounds are often excreted by the portion of the root with emerging root hairs, a region that is highly susceptible to infection by bradyrhizobia (Verma 1992). These compounds activate the expression of nod genes in bradyrhizobia, stimulating production of the bacterial nod factor (Kondorosi 1992). This nod factor has been identified as a lipo-oligosaccharide (Carlson et al. 1993), able to induce many of the early events in nodule development, including deformation and curling of plant root hairs, the initiation of cortical cell divisions, and induction of root nodule meristems (Dénarié and Roche 1992). The isoflavones daidzein and genistein are the major components of soybean root excretions responsible for inducing the nod genes of B. japonicum (Kosslak et al. 1987). These substances are active at very low concentrations (10-7 to 10-8 M) and stimulate bacterial nod gene expression within minutes.
Plant lectins play a major role in the initiation of infection. Lectins are carbohydrate-binding proteins produced by legumes and are recognized by bacterial receptor molecules. Legumes of different cross-inoculation groups make lectins with different sugar-binding specificities. Lectins are found in seeds, roots, leaves, and stems. Those found on the root are often concentrated in the area where nodule initiation occurs. Lectins are thought to have two major roles in N-fixation symbioses. First, lectins are important in accumulating rhizobia on root hairs through adsorption of bacterial cells to the plant (non-biovar-specific). The second function plays a host-specific role in infection. In previous work, the mechanism of recognition in the B. japonnicum soybean symbiosis was investigated by using a mutant of B. japonicum strain HS111, which exhibits a delayed-nodulation phenotype (Halverson and Stacey 1984, 1985). The nodulation phenotype of mutant strain HS111 is the result of its insbility to promptly initiate infection leading to subsequent nodulation. The defect in initiation of nodulation in HS111 can be phenotypically reversed by stimulating the plant rhizosphere through preinoculation with soybean root exudate, soybean seed lectin, or root-secreted components prior to inoculation.
4.4 Biochemistry and Physiology
Nitrogenase, which comprises 30% of total protein in infected cells, has been purified from all known types of N2-fixing organisms, with the exception of archaebacteria (Sprent and Sprent 1990). Nitrogenases are known to be made up of two fairly distinct parts, dinitrogenase reductase (Fe-protein), which is an electron carrier, and dinitrogenase (Mo-Fe protein), which is the enzyme responsible for the reduction of N2.
The process of N2 fixation is very costly in terms of plant energy requirement. It has been estimated that 5 to 10g of carbon are required for 1 g N fixed from N2. In addition, carbon substates are required for the subsequent assimilation of ammonium into organic compounds and for nodule growth and maintenance (Day and Copeland 1991). A number of studies have shown that current photosynthate, tranlocated into nodules as sucrose, is preferentially used to support N2 fixation (Kouchi and Nakaji 1985). The active uptake of disaccharides into bacteroids has been demonstrated for fast-growing Rhizobium species, whereas slow-growing Bradyrhizobium accumulate disaccharides only by passive diffusion. Feeding experiments carried out in several laboratories with 13C or 14C-labelled precursors have shown that label is converted rapidly from sucrose into the dicarboxylic acids malate and succinate in nodules and that these are the compounds supplied to the bacteroid in quantity.
The nitrogenase enzyme complex inside the bacteroid is extremely sensitive to inactivation by O2. On the other hand, O is required to support the highly active respiratory processes that take place aerobically in the plant and bacteroid compartments. A nodule gaseous diffusion barrier, composed of water-filled intercellular pores located within the nodule cortex, regulates oxygen flux from the rhizosphere into the nodule and prevents nitrogenase inhibition by O2. Leghaemoglobin, which occurs in the plant cytoplasm of infected cells, plays a key role in maintaining a low concentration of free O. This suggests that leghaemoglobin acts as an O2 buffer in the nodule, and facilitates the transport of O2 at a strictly controlled concentration to rapidly respiring bacteroids (Day and Copeland 1991). The free O concentration inside nodules is around 10nM, a concentration at which oxidative phosphorylation is no longer possible. Mito

Results (Thai) 1:

ไดไนโตรเจนเบี symbiotic 4
4.1 ไดไนโตรเจนเบี
ไนโตรเจนจะเป็นองค์ประกอบสำคัญของการเกิดดาวเคราะห์นี้ฟรีเป็น N2 หรือผูกแบบอนินทรีย์ หรืออินทรีย์ อย่างไรก็ตาม 98เปอร์เซ็นต์ N โลกนี้เกิดขึ้นในหินหลัก และไม่พร้อมใช้งานในชีวบริเวณ โดยส่วนใหญ่ที่สุดของส่วนเหลือจะอยู่ในบรรยากาศเป็น N2 มันมีการประมาณว่าอ่างเก็บน้ำของ N2 บรรยากาศ 3.9 x 1015 ตัน Terrestrail อยู่ contian ระบบจำนวนเพียง 1 x 10-6 เปอร์เซ็นต์ของที่ในบรรยากาศ (แกลลอนและ Chaplin1987) สามารถลดไดไนโตรเจนบรรยากาศเป็น prokaryotes จำกัด กินและพันธุ์พืชอื่นไม่มีสามารถแก้ไข N2 บรรยากาศสัมพันธ์ symbiotic การได้กินเบี N2 จะดำเนินใน nodules อยู่ที่รากพืช โดย prokaryotes โดยทั่วไปไรโซเบียมหรือ Bradyrhizobium ปฏิกิริยาการตรึง N2 ทางชีวภาพประเมินแปลง 175 x 106 ของ N ฟอร์มไดไนโตรเจนให้เป็นแอมโมเนียทุกปี ในขณะที่อุตสาหกรรมส่วนกลางดำเนินการแก้ไข ประมาณ 60 x 106 ต.ถั่วเหลือง พืช โดยการจัดรูปแบบ symbiosis กับ japonicum เกิดแบคทีเรีย สามารถแก้ไขค่า 200kgNha-ปีที่ 1-1 ของบรรยากาศ N2
ครอบครัว Rhizobiaceae ประกอบด้วยกลุ่มบริการ Gramnegative เต้นแอโรบิก ไม่สปอร์เป็นก้านที่สามารถรุกราน และฟอร์ม nodules บนราก และ ในบาง กรณี บนก้านของพืช leguminous แบคทีเรีย nodulation ชะลอเติบโตซึ่งมีความสัมพันธ์เฉพาะกับถั่วเหลืองจะอ้างอิงถึงเป็น Bradyrhizobium Currentry Bradyrhizobium ได้กำหนดชนิดเดียวเท่านั้น Japonicum เกิด บางรากถั่วเหลืองสามารถ nodulate นอกจากนี้ยัง มีเครื่องปลูกอย่างรวดเร็วที่ชื่อ fredii ไรโซเบียม (Sprent และ Sprent 1990) .
4.2 อิทธิพลก่อ
Nodulation เริ่มต้นเมื่อ rhizobia แนบตัวเองไปยังเซลล์ epidermal เซลล์ epidermal กับเส้นขนราก immature หรือ unformed ที่ยังมีปกติสำหรับเจาะแบคทีเรีย (Bhuvaneswari et al.1980) ก่อนแนบ จำเป็นต้องติดต่อสื่อสารระหว่างคู่สอง symbiotic ถั่วเหลืองพืช และ แบคทีเรียเกิด japonicum และต่ำสุดช่วงติดต่อจำเป็นต้องใช้ เส้นขนที่ติดไวรัสมักสั้นกว่าผู้ใหญ่เหมือนเดิมเส้นขน เนื่องจากการดัดผมทำเครื่องหมายเมื่อมีการติดเชื้อ ณขณะที่ติดเชื้อ ผนังรากผมใช้ภาวะซึมเศร้าที่ลึก invaginates ขึ้นหัวข้อการติดเชื้อเต็มไป ด้วยความต่อเนื่องของผนังเซลล์รากผมและเมมเบรน หัวข้อติดเชื้ออาจสาขาภายในรากผม (Turgeon และ Bauer 1982) ด้ายติดเชื้อ มีแบคทีเรียแบ่งตัวรวม เติบโต 60-70 อุ่มฐานเซลล์รากผม Cortex ติดกับรากเส้นขนที่ติดไวรัสจะ meristematic และสร้างพื้นที่รูปลิ่มของการแบ่งเซลล์ก่อนป้อนหัวข้อการติดเชื้อ (Turgeon และ Bauer 1982) Mitoses เหล่านี้เพิ่มจำนวนเซลล์ในชั้นเนื้อแน่น ซึ่งกลายเป็นพื้นที่หลักของเซลล์ติดเชื้อ (Newcomb et al. 1979) แล้ว ทั้งหลายเธรดและสาขาของกระทู้ผล cortex เจาะหลาย แต่ไม่ทั้งหมด เซลล์เหล่านี้ พื้นที่เชื้อต่อพ่วงเป็น cortex อิทธิพล ซึ่งประกอบด้วยชั้น scleroid และรวมกลุ่มหลายสคิวในบางเวลาระหว่างหรือต่อกิจกรรม mitotic rhizobia จะปล่อยเซลล์เนื้อแน่นผ่านบางพื้นที่เกี่ยวกับเคล็ดลับของหัวข้อการติดเชื้อ Bradyrhizobia จะเรียกว่า bacteroids หลังจากปล่อยของลงในเซลล์โฮสต์ ผนังเซลล์ของพวกเขาได้ปรับเปลี่ยนมาก หรือ ในกรณี ของถั่วลิสงทั้งหมดเอา (Werner และ Mörschel 1978) ไมโทซิสในเซลล์ติดเชื้อเนื้อแน่นยุติประมาณ 14 วันหลังจากการติดเชื้อ เพิ่มปริมาตรของเนื้อเยื่อติดเชื้อตามมาได้ครบทั้งหมดเพื่อขยายขนาดของเซลล์ เป็นอิทธิพลกลั่น ออกซิเจนผูก leghaemoglobin ค่อย ๆ พัฒนาในเนื้อเยื่อของโฮสต์ และอิทธิพลกลายเป็นสีชมพู ที่เหลือนั้นจนกว่าจะเริ่มต้นการ senesce ฟอร์ม leghaemoglobin แบคทีเรียยุติแบ่ง และไดไนโตรเจน เบีจุดเริ่มต้น (Lersten และคาร์ลสัน 1987)
ครั้งหลักสูตรของแต่ละขั้นเหล่านี้ได้ถูกอธิบาย โดย Turgeon และ Bauer (1982) แบคทีเรียที่แนบมากับเส้นขนรากเกิดขึ้นนาที inoculation และถูก ตาม ภายใน 12h ดัดผมทำเครื่องหมายของเส้นขนราก ติดเชื้อกระทู้ แรกเห็นภายใน 24 ชมของการติดเชื้อ ถึงโคนรากผม โดย 48h หลัง inoculation ส่วน anticlinal เซลล์เนื้อแน่นติดกันเกิดขึ้นแล้ว ให้ขึ้น primordia อิทธิพล เจาะหัวข้อการติดเชื้อของ meristem นี้อย่างกว้างขวางแบ่งเป็นไม่สังเกตจนกระทั่งระหว่าง 48-96h หลัง inoculation Bassett et al. (1977) กล่าวว่า แบคทีเรียที่ถูกนำออกใช้จากหัวข้อการติดเชื้อแบบฟอร์ม bacteroids ภายใน 7-10 วันหลังจาก inoculation มวลทรงกลมของเซลล์ cytoplasmically รวย ซึ่งได้รับการรุกราน โดยหัวข้อการติดเชื้อ แบ่ง และแยกความแตกต่างในเซลล์แก้ไขโซน N2 ที่กลางภายใน 12-18 dats หลัง inoculation (Newcomb et al.1979).
4.3 รู้ระหว่างคู่ Symbiotic
กลไกระดับโมเลกุลสำหรับการรับรู้ระหว่างไรโซเบียม (เบรดี้) และถั่วเหลืองสามารถถือได้ว่าเป็นรูปแบบของการสื่อสารของเซลล์เซลล์ interorganismal แลกเปลี่ยนที่แม่นยำของสัญญาณโมเลกุลระหว่างโรงงานโฮสต์และ bradyrhizobia พื้นที่และเวลาเป็นสิ่งจำเป็นในการพัฒนาของรากที่มีประสิทธิภาพ nodules สัญญาณชัดเปลี่ยนแรกเกี่ยวข้องกับการหลั่งสารฟีนอ (flavonoids, flavones และ isflavones) โดยพืชถั่วเหลือง (Peters และ Verma 1990) สารประกอบเหล่านี้สัญญาณโดยทั่วไปมักจะ excreted โดยส่วนของรากมีเส้นขนรากเกิด ภูมิภาคที่ไวต่อการติดเชื้อโดย bradyrhizobia (Verma 1992) สูง สารเหล่านี้เรียกใช้นิพจน์ของยีนพยักหน้าใน bradyrhizobia กระตุ้นการผลิตของตัวพยักหน้าแบคทีเรีย (Kondorosi 1992) มีการระบุปัจจัยนี้พยักหน้าเป็นการ lipo-oligosaccharide (คาร์ลสันและ al. 1993), สามารถก่อให้เกิดหลายเหตุการณ์ช่วงอิทธิพลพัฒนา รวมทั้งแมพ และดัดผมของเส้นขนรากพืช เริ่มต้นของเนื้อแน่นส่วนเซลล์ และเหนี่ยวนำราก meristems อิทธิพล (Dénarié และโร 1992) Isoflavones daidzein และ genistein เป็นส่วนประกอบสำคัญของถั่วเหลืองราก excretions ชอบ inducing ยีนพยักหน้าของ japonicum เกิด (Kosslak et al. 1987) สารเหล่านี้อยู่ที่ความเข้มข้นต่ำมาก (10-7 ถึง 10-8 M) และกระตุ้นยีนแบคทีเรียพยักหน้าพัก
Lectins พืชมีบทบาทสำคัญในการเริ่มต้นของการติดเชื้อ Lectins มีโปรตีนคาร์โบไฮเดรตรวมที่ผลิต โดยการกิน และจะจดจำโมเลกุลตัวรับเชื้อแบคทีเรีย กินกลุ่มข้าม inoculation lectins กับ specificities น้ำตาลผูกแตกต่างกันได้ Lectins พบในเมล็ด ราก ใบ ลำต้น และ บ่อยครั้งที่พบในรากเข้มข้นในบริเวณที่เริ่มต้นของอิทธิพลที่เกิดขึ้น Lectins จะคิดว่า มีสองบทบาทสำคัญในปฏิกิริยาการตรึง N symbioses ครั้งแรก lectins เป็นสำคัญ rhizobia สะสมบนเส้นขนรากผ่านการดูดซับของเซลล์แบคทีเรียกับพืช (ไม่ใช่ biovar-เฉพาะ) ฟังก์ชันที่สองมีบทบาทเฉพาะของโฮสต์ในการติดเชื้อ ในการทำงานก่อนหน้านี้ กลไกของการรับรู้ใน symbiosis ถั่วเหลือง japonnicum เกิดถูกสอบสวนโดย mutant ของ japonicum เกิดต้องใช้ HS111 ซึ่งจัดแสดง phenotype nodulation ล่าช้า (Halverson และโชแช 1984, 1985) Phenotype nodulation ของเต่าต้องใช้ HS111 เป็นผลของ insbility ทันทีเริ่มติดเชื้อนำไป nodulation ต่อมา ข้อบกพร่องในการเริ่มต้นของ nodulation ใน HS111 สามารถ phenotypically กลับรายการ โดยการกระตุ้นไรโซสเฟียร์พืชผ่าน preinoculation มี exudate รากถั่วเหลือง ถั่วเหลืองเมล็ดศึกษา หรือ secreted รากส่วนประกอบก่อน inoculation
4.4 ชีวเคมีและสรีรวิทยา
Nitrogenase ซึ่งประกอบด้วย 30% ของโปรตีนทั้งหมดในเซลล์ที่ติดเชื้อ มีการบริสุทธิ์จากทุกชนิดรู้จักแก้ไข N2 สิ่งมีชีวิต ยกเว้น archaebacteria (Sprent และ Sprent 1990) ทราบว่า nitrogenases มีค่าค่อนข้างแตกต่างกันสองส่วน dinitrogenase reductase (Fe-โปรตีน), ซึ่งเป็นผู้ขนส่งอิเล็กตรอน และ dinitrogenase (Mo Fe โปรตีน), ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่รับผิดชอบสำหรับการลดของ N2
กระบวนการของปฏิกิริยาการตรึง N2 มีค่าใช้จ่ายสูงมากในแง่ของความต้องการพืชพลังงาน การประมาณ g ที่ 5 ถึง 10 ของคาร์บอนเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับ g 1 จาก N2 N คาร์บอน substates จำเป็น สำหรับอันต่อมาของแอมโมเนียเป็นสารอินทรีย์ และอิทธิพลเจริญเติบโตและบำรุงรักษา (วันและ Copeland 1991) จำนวนของการศึกษาได้แสดงว่า photosynthate ปัจจุบัน tranlocated เป็น nodules เป็นซูโครส โน้ตใช้สนับสนุนเบี N2 (Kouchi และ Nakaji 1985) ดูดซับงานของ disaccharides เป็น bacteroids ได้ถูกสาธิตสำหรับพันธุ์ไรโซเบียมเติบโตอย่างรวดเร็ว ขณะชะลอเติบโต Bradyrhizobium สะสม disaccharides โดยแพร่แฝงเท่านั้น อาหารทดลองดำเนินการในห้องปฏิบัติการต่าง ๆ กับ 13C หรือ precursors 14C มันมีแสดงว่า ป้ายชื่อจะถูกแปลงอย่างรวดเร็วจากซูโครสเป็นมาลา dicarboxylic กรด และ succinate ใน nodules และเหล่านี้เป็นสารที่ให้ bacteroid ในปริมาณ
เอนไซม์ nitrogenase ที่ซับซ้อนภายใน bacteroid เป็นมากจะยกเลิกการเรียกโดย O2 ในทางตรงข้าม O จะต้องสนับสนุนกระบวนการหายใจสูงทำงานอยู่ที่ทำ aerobically ในพืชและ bacteroid ช่อง สิ่งกีดขวางเป็นต้นแพร่อิทธิพล ประกอบด้วยเติมน้ำ intercellular รูขุมขนอยู่ภายในอิทธิพล cortex กำหนดออกซิเจนไหลจากไรโซสเฟียร์จะเป็นอิทธิพล และป้องกันยับยั้ง nitrogenase โดย O2 Leghaemoglobin ซึ่งเกิดขึ้นในพืชไซโทพลาซึมของเซลล์ที่ติดเชื้อ มีบทบาทสำคัญในการรักษาความเข้มข้นต่ำของโอฟรี แนะนำ leghaemoglobin ซึ่งทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์การ O2 ใน nodule และอำนวยความสะดวกในการขนส่ง O2 ที่เข้มข้นอย่างเคร่งครัดควบคุมการ respiring bacteroids (วันและ Copeland 1991) อย่างรวดเร็ว ความเข้มข้น O ฟรีภายใน nodules เป็น 10nM ความเข้มข้นที่ phosphorylation ซึ่งปฏิกิริยาออกซิเดเป็นไปได้ไม่นาน มิโตะ

Results (Thai) 3:

4 ชนิดไดไนโตรเจน การตรึงไนโตรเจนในการตรึง

ไดไนโตรเจนเป็นส่วนประกอบหลักของดาวเคราะห์ดวงนี้เกิดขึ้นให้ฟรี 2 หรือผูกไว้ในรูปแบบอนินทรีย์หรืออินทรีย์ต่าง ๆ อย่างไรก็ตาม เปอร์เซ็นต์ 98 ของโลกนี้ N เกิดขึ้นในหินหลักไม่ว่างที่จะและชีวมณฑล . โดยไกลที่ใหญ่ที่สุดของส่วนที่เหลือพบในบรรยากาศที่เป็น 2 .มีการประมาณการว่าอ่างเก็บน้ำ 2 บรรยากาศเป็น 3.9 x ตกลง ) terrestrail มีชีวิตระบบ contian ทั้งหมดเพียง 1X สามารถเปอร์เซ็นต์ที่ในบรรยากาศ ( แกลลอนและ chaplin1987 ) สามารถลดไดไนโตรเจนในบรรยากาศจะถูก จำกัด ไปยังโพรคาริโ . ถั่วและพืชอื่น ๆบางชนิดมีความสามารถในการแก้ไขปัญหา 2 บรรยากาศผ่านทางความสัมพันธ์ symbiotic ;มีถั่วที่ 2 การตรึงเป็นไปในแบบตั้งอยู่บนรากพืชโดยโปรคาริโอทส์ โดยทั่วไปเชื้อหรือถั่วเหลือง . การตรึงไนโตรเจนทางชีวภาพคือการประมาณการแปลง 175 x 106 N รูปแบบไดไนโตรเจนแอมโมเนียทุกปี ในขณะที่กระบวนการอุตสาหกรรมทั่วโลกแก้ไขประมาณ 60 x 106 . ถั่วเหลือง โดยสร้าง symbiosis กับการแบคทีเรีย B . ,สามารถแก้ไขได้ถึง 200kgnha-1yr-1 N2
rhizobiaceae บรรยากาศ ครอบครัว ประกอบด้วยกลุ่มที่แตกต่างกันของแกรมลบรูปแท่ง , แอโรบิก , ไม่สร้างสปอร์ที่สามารถบุกและรูปแบบปมในราก และ ในบางกรณี ในลำต้นของพืชเมล็ดพืช . มีการเจริญเติบโตช้า การเกิดแบคทีเรียซึ่งมีความสัมพันธ์เฉพาะกับถั่วเหลืองจะเรียกว่าถั่วเหลือง . currentry ,ถั่วเหลืองมีเพียงหนึ่งเขตชนิด ข. การ . รากถั่วเหลืองสามารถ nodulate กับรวดเร็วชื่อไรโซเบียมปลูก fredii ( sprent และ sprent 1990 )

เกิดการ 4.2 ปมเริ่มต้นเมื่อไรโซเบียมแนบตัวเองไปยังเนื้อเยื่อชั้นผิว . เซลล์อ่อนหรือเป็น epidermal กับขนรากยังไม่มีรูปแบบเป็นเว็บไซต์ปกติซึมของแบคทีเรีย ( bhuvaneswari et al . 1980 )ก่อนที่จะแนบ การสื่อสารระหว่างสองชนิดคู่ ปลูกถั่วเหลืองและ การแบคทีเรีย เป็นสิ่งจำเป็นและระยะเวลาขั้นต่ำบางอย่างของผู้ติดต่อที่ต้องการ ผมติดเชื้อมักจะสั้นกว่าผู้ใหญ่ขนเหมือนเดิม เนื่องจากเครื่องหมายดัดผมเมื่อติดเชื้อ ที่จุดของการติดเชื้อ รากเส้นผมรูปแบบผนังภาวะซึมเศร้าที่ invaginates อย่างลึกซึ้งจัดรูปแบบการติดเชื้อด้ายเรียงรายไปด้วยความต่อเนื่องของรากผมและเซลล์ผนังเมมเบรน กระทู้การติดเชื้ออาจสาขาภายในรากผม ( turgeon บาวเออร์และ 2525 ) การติดเชื้อด้ายที่มีรวมแบ่งแบคทีเรียเติบโต 60 ถึง 70 อืมกับฐานรากเซลล์ขน .สมองส่วนที่อยู่ติดกับขนรากติดเชื้อกลายเป็น meristematic และสร้างพื้นที่ของการแบ่งเซลล์แยกแม้ก่อนการติดเชื้อกระทู้ระบุ ( turgeon บาวเออร์และ 2525 ) เหล่านี้ mitoses เพิ่มจำนวนเซลล์ในชั้นคอร์ ซึ่งกลายเป็น พื้นที่หลักของเซลล์ที่ติดเชื้อ ( Newcomb et al . 1979 )การรวมกันของหลายๆ กระทู้ ตามกระทู้ในเปลือกผลเจาะมาก แต่ไม่ทั้งหมด เซลล์เหล่านี้ พื้นที่มาก่อน อุปกรณ์ต่อพ่วง กลายเป็นปม คอร์เท็กซ์ ซึ่งรวมถึง scleroid หลายชั้นและหลอดเลือดมัด ในบางช่วงเวลา หรือเส้นใยตามกิจกรรม ,ไรโซเบียมจะถูกปล่อยเข้าไปในเปลือกเซลล์ผ่านพื้นที่บางในเคล็ดลับของการติดเชื้อที่กระทู้ bradyrhizobia เรียกว่า bacteroids หลังจากปล่อยเข้าไปในเซลล์โฮสต์ ผนังเซลล์ของพวกเขาได้รับการแก้ไขมาก หรือในกรณีของถั่วลิสง เอาทั้งหมด ( Werner และ M ö rschel 1978 ) การแบ่งเซลล์ในเซลล์ติดเชื้อเยื่อหุ้มสมองใหญ่ประมาณ 14 วัน หลังจากการติดเชื้อต่อมาเพิ่มปริมาณเนื้อเยื่อที่ติดเชื้อจากทั้งการขยายขนาดของเซลล์ . เป็นปม matures , ออกซิเจนมัดเล็กฮีโมโกลบินค่อยๆพัฒนาในเนื้อเยื่อของโฮสต์และปมจะกลายเป็นสีชมพู เหลือจนกว่าจะเริ่ม senesce . รูปเล็กฮีโมโกลบิน , แบคทีเรียหยุดการหาร และการดองไดไนโตรเจนเริ่มต้น ( และ lersten คาร์ลสัน 1987 )
เวลาที่แน่นอนของแต่ละขั้นตอนเหล่านี้ได้รับการอธิบายโดย turgeon และบาวเออร์ ( 1982 ) แบคทีเรียแนบกับขนรากเกิดขึ้นภายในไม่กี่นาทีของการฉีดวัคซีน และตาม ภายใน 12 โดยเครื่องหมายการดัดผมของรากขน กระทู้แรกที่มองเห็นได้ภายใน 24 ชั่วโมงของการติดเชื้อ , การติดเชื้อ , การเข้าถึงฐานของรากผม โดยเลี้ยงหลังจากการฉีดวัคซีนจากส่วนของเปลือกเซลล์ที่อยู่ติดกันได้เกิดขึ้นแล้ว , ให้สูงขึ้นเพื่อปม ไพรม ์เดีย . การติดเชื้อด้ายเจาะนี้อย่างกว้างขวางแบ่งเนื้อเยื่อเจริญจะไม่ได้สังเกตจนระหว่าง 48 กับ 96h หลังจากปลูกเชื้อ Bassett et al . ( 1977 ) กล่าวว่า ได้รับการปล่อยตัวจากการติดเชื้อแบคทีเรียรูป bacteroids ด้ายภายใน 7 ถึง 10 วันหลังจากปลูกเชื้อมวลทรงกลมของ cytoplasmically รวยเซลล์ซึ่งถูกรุกรานโดยหัวข้ออักเสบ แบ่งแยกเป็นโซนกลางเพื่อแก้ไขเซลล์ภายใน 12 ถึง 18 Dats หลังจากการฉีดวัคซีน ( Newcomb et al . 1979 )

หุ้นส่วน symbiotic ระหว่าง 4.3 การรับรู้กลไกระดับโมเลกุลสำหรับการรับรู้ระหว่างเชื้อไรโซเบียมถั่วเหลือง ( เบรดี ) และถือได้ว่าเป็นรูปแบบของการสื่อสาร interorganismal เซลล์เซลล์ แม่นตราของสัญญาณโมเลกุลระหว่างโฮสต์และพืช bradyrhizobia ผ่านพื้นที่และเวลาเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อการพัฒนาของปมรากที่มีประสิทธิภาพการปรากฏครั้งแรกของสัญญาณที่เกี่ยวข้องกับการหลั่งของสารประกอบฟีนอล ( และ flavonoids , นิลในสูตร isflavones ) ถั่วเหลือง ( ปีเตอร์และ verma 1990 ) สารสัญญาณเหล่านี้มักจะถูกขับออกมา โดยส่วนของรากขนรากใหม่ พื้นที่ที่เป็นที่สูง เสี่ยงต่อการติดเชื้อโดย bradyrhizobia ( verma 1992 )สารเหล่านี้กระตุ้นการแสดงออกของยีนพยักหน้ารับใน bradyrhizobia กระตุ้นการผลิตของปัจจัยพยักหน้ารับแบคทีเรีย ( kondorosi 1992 ) ปัจจัยพยักหน้ารับ นี้ได้รับการระบุเป็น Lipo โอลิโกแซคคาไรด์ ( คาร์ลสัน et al . 2536 ) สามารถชักนำให้หลายเหตุการณ์เริ่มต้นในการพัฒนาจังหวัด รวมทั้งการดัดของเส้นขนและรากพืช การแบ่งเซลล์เยื่อหุ้มสมองของ ,การ meristems และรากปม ( D ééนารี และโรช 1992 ) ที่คล้าย Daidzein และ genistein คือส่วนประกอบหลักของรากถั่วเหลืองหรือจากการขับถ่ายรับผิดชอบโดยการพยักหน้าของยีน B ( kosslak et al . 1987 ) สารเหล่านี้มีการใช้งานในระดับความเข้มข้นต่ำมาก ( 10-7 เพื่อ 10-8 M ) และการกระตุ้นการแสดงออกของยีนแบคทีเรียพยักหน้า
ภายในไม่กี่นาทีเลคตินพืชมีบทบาทสําคัญในการเริ่มต้นของการติดเชื้อ เลคตินเป็นโปรตีนที่จับกับคาร์โบไฮเดรตที่ผลิตจากถั่วและได้รับการยอมรับโดยแบคทีเรียจากโมเลกุล พืชตระกูลถั่วต่างข้ามกลุ่มให้กับการเพาะเชื้อตรวจหาน้ำตาลแตกต่างกัน เลคติน พบในเมล็ด ราก ใบ และลำต้นที่พบในรากมักจะกระจุกตัวอยู่ในพื้นที่ที่นำปมเกิดขึ้น เลคตินมีความคิดที่จะมีหลักสองบทบาทใน n-fixation อยู่ร่วมกัน แรก , เลคตินมีความสําคัญในการสะสม ไรโซเบียมในราก ขนผ่านการดูดซับแบคทีเรียเซลล์พืช ( ไม่ใช่ไบโอวาร์โดยเฉพาะ ) ฟังก์ชันที่สองเล่นโฮสต์เฉพาะบทบาทในการติดเชื้อ ในงานที่ผ่านมากลไกของการรับรู้ใน พ. japonnicum ถั่วเหลือง symbiosis ถูกตรวจสอบโดยใช้กลายพันธุ์สายพันธุ์ B . การ hs111 ซึ่งจัดแสดงเกิดการล่าช้า ( แฮลเวอร์สัน กับสเตซี่ 1984 , 1985 ) การเกิดของสายพันธุ์กลายพันธุ์ที่มี hs111 เป็นผลของ insbility ทันทีเริ่มต้นนำไปสู่การเกิดการติดเชื้อตามมา .ข้อบกพร่องในการเริ่มต้นของการเกิดใน hs111 สามารถ phenotypically กลับกระตุ้นพืชรากผ่าน preinoculation กับถั่วเหลืองที่เกิดจากราก , เลคตินเมล็ดถั่วเหลือง หรือรากที่มีส่วนประกอบก่อนเชื้อ
4.4 ชีวเคมีและสรีรวิทยา
ไนโตรจีเนส ซึ่งประกอบด้วย 30 % ของปริมาณโปรตีนทั้งหมดในเซลล์ติดเชื้อได้บริสุทธิ์จากทุกประเภทที่รู้จักการแก้ไขสิ่งมีชีวิต 2 , มีข้อยกเว้นของเคียแบคทีเรีย ( sprent และ sprent 1990 ) nitrogenases เป็นที่รู้จักที่จะสร้างขึ้นจากทั้งสองค่อนข้างแตกต่างกันส่วนไดไนโตรจีเนสเอนไซม์ ( โปรตีนเหล็ก ) ซึ่งเป็นอิเล็กตรอนขนส่ง และไดไนโตรจีเนส ( โปรตีนโม Fe ) ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่รับผิดชอบในการลด 2 .
กระบวนการของการตรึงไนโตรเจนเป็นค่าใช้จ่ายมากในแง่ของความต้องการพลังงานของพืช มีการประมาณการว่า 5 10 กรัมของคาร์บอนเป็น 1 G N ซ่อม 2 . นอกจากนี้ substates คาร์บอนที่จําเป็นสําหรับการตามมา แอมโมเนีย เป็นสารประกอบอินทรีย์และการเจริญเติบโตของปมและการบำรุงรักษา ( วัน และ โคปแลนด์ 1991 ) จำนวนของการศึกษาได้แสดงให้เห็นว่า photosynthate ปัจจุบันtranlocated เป็นปมเป็นน้ำตาลซูโครสเป็น preferentially ใช้เพื่อสนับสนุนการตรึงไนโตรเจน ( โคจิ นากาจิและ 1985 ) ใช้ในการดูดซึมของน้ำตาลโมเลกุลคู่ bacteroids ได้แสดงสำหรับไรโซเบียมสายพันธุ์ที่เติบโตอย่างรวดเร็ว ในขณะที่ถั่วเหลืองเติบโตช้า สะสมน้ำตาลโมเลกุลคู่โดยเฉพาะสุ .อาหารการทดลองในห้องปฏิบัติการหลายกับ 13C หรือ 14c ข้อความตั้งต้นที่แสดงฉลากจะถูกเปลี่ยนอย่างรวดเร็วจากซูโครสใน dicarboxylic กรดซัคซิเนทใน Malate และปมที่เป็นพวกสารให้กับ bacteroid ปริมาณ เอนไซม์ไนโตรจีเนส
ซับซ้อนภายใน bacteroid เป็นอย่างมากที่ไวต่อการยับยั้งโดย O2 . บนมืออื่น ๆo จะต้องสนับสนุนการใช้งานสูงใช้กระบวนการที่ใช้เวลาสถานที่ aerobically ในพืชและ bacteroid ช่อง เป็นปมก๊าซกระจายอุปสรรคประกอบด้วยน้ำเต็มรู intercellular ตั้งอยู่ภายในปมสมองควบคุมฟลักซ์ , ออกซิเจนจากรากเป็นปม และป้องกันไม่ให้สารไนโตรจีเนส โดย O2 . เล็กฮีโมโกลบิน ,ซึ่งเกิดขึ้นใน cytoplasm ของเซลล์พืชที่ติดเชื้อมีบทบาทสำคัญในการรักษาความเข้มข้นต่ำฟรี . นี้แสดงให้เห็นว่าเล็กฮีโมโกลบิน ทําหน้าที่เป็น O2 บัฟเฟอร์ในปม และอำนวยความสะดวกในการขนส่งของ O2 ที่ควบคุมอย่างเคร่งครัดสมาธิอย่างรวดเร็ว bacteroids respiring ( วันและโคปแลนด์ 1991 ) ฟรี O ความเข้มข้นภายในรอบ 10nm ก้อน ,ความเข้มข้นที่ตัวละครชาวออสเตรเลียจะหมดไป มิโตะ