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典型例题一
豆科植物形成根瘤的原因是（ ）
A．根瘤菌入侵的结果
B．根瘤菌固定N2的结果
C．根的薄壁细胞分裂的结果
D．根内形成NH3的结果
【解析】豆科植物形成根瘤是由于根瘤菌的原因，在根瘤菌侵入豆科植物的根后，在根内繁殖，这时刺激了根的薄壁细胞，使其不断分裂，从而使该处的组织逐渐膨大，形成了根瘤。
豆科植物形成根瘤与根瘤菌有关，这个关系有两点：一是根瘤菌侵入豆科植物的根内；二是根瘤菌不断繁殖，根瘤菌在根内的不断繁殖，对根瘤菌所在部位的薄壁细胞是一个刺激，这种刺激来自根瘤菌的代谢产物，使细胞过分的分裂繁殖从而形成根瘤。若对此认识不清，就有可能认为是固氮的结果，或者是根瘤菌繁殖本身。
【答案】C本章测试二
光合作用和生物固氮
一、选择题
1．光能在叶绿体中转换的正确顺序是（ ）
A．光能→活跃的化学能→电能→稳定的化学能
B．光能→电能→活跃的化学能→稳定的化学能
C．光能→稳定的化学能→电能→活跃的化学能
D．光能→电能→稳定的化学能→活跃的化学能
2．在光的照射下，具有吸收和传递光能作用的色素，将吸收的光能传给少数处于特殊状态的叶绿素a，使这些叶绿素a（ ）
A．激发、失去电子 B．激发、得到电子
C．抑制、失去电子 D．抑制、得到电子
3．在叶绿体类囊体薄膜上，能吸收光能、使光能转换成电能的色素是（ ）
A．叶黄素 B．胡萝卜素
C．叶绿素b D．特殊状态的叶绿素a
4．下列植物中属于阴生植物的是（ ）
A．柳 B．三七 C．杉 D．玉米
5．叶绿体内具有吸取和传递光能作用的色素是（ ）
A．特殊状态的叶绿素a
B．大多数叶绿素b
C．胡萝卜素和叶黄素
D．大多数叶绿素a、全部叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素
6．叶绿体内，当光能转换成电能时，电子来自（ ）
A．全部叶绿素b
B．特殊状态的叶绿素a
C．特殊状态的胡萝卜素和叶黄素
D．大多数叶绿素a
7．在叶绿体内光能转换成电能的过程中，接受电子的物质是（ ）
A．叶黄素
B．辅酶Ⅱ（NADP＋）
C．水分子
D．处于特殊状态的叶绿素b
8．光合作用过程中固定CO2的C4途径是下列（ ）
A．CO2—C5—2C3 B．CO2—C5—2C5
C．CO2—C4—2C3 D．CO2—C3—C4
9．与光合作用无直接关系的矿质元素是（ ）
A．组成催化光合作用各种酶的氮
B．叶绿素成分中的镁
C．促进糖类运输的钠
D．存在ATP和NADP＋中的磷
10．C4植物的光合作用中既有C4途径，又有C3途径，两者分别发生在叶片的（ ）
A．C4发生在维管束鞘细胞叶绿体内，C3发生在叶肉细胞叶绿体内
B．C4发生在叶肉细胞叶绿体内，C3发生在维管束鞘细胞叶绿体内
C．C4发生在筛管细胞叶绿体内．C3发生在表皮细胞叶绿体内
D．C4发生在表皮细胞叶绿体内，C3发生在筛管细胞叶绿体内
11．当绿色植物缺磷时，光合作用明显受到阻碍，这是因为（ ）
A．磷是ATP的重要组成成分
B．磷是NADP＋的重要组成成分
C．磷对维持叶绿体的结构和功能起着重要作用
D．糖类运输到块根、块茎和种子中都需要磷
12．能正确概括表示微生物固氮过程的反应式是（ ）
A．
B．
C．
D．
13．利用塑料大棚栽培蔬菜，为提高作物中蛋白质的含量，选用塑料薄膜的颜色是（ ）
A．蓝紫色 B．红色
C．绿色 D．黑色
14．光合作用效率是指（ ）
A．绿色植物吸收光能的效率
B．光合作用过程中光能转化成电能的利用率
C．光合作用过程储存在有机物中的能量
D．光合作用制造的有机物中所含有的能量与光合作用吸收光能的比值
二、简答题
1．分离自生固氮菌的原理是利用农田 土壤含自生固氮菌较多，将之接种到___________上进行培养。在这种条件下，只有 才能生长繁殖，所以可将自生固氮菌分离出来。
2．共生固氮微生物与自生固氮微生物的区别是：前者与绿色植物 ，只有侵入到 __________的根内才能固氮，后者在土壤中能够 。
3．光合作用是在叶绿体内进行的一个复杂的 和 的代谢过程。
4．可以使粮食产量明显提高的措施，除了延长光合作用时间，增大光合作用面积，还应当提高农作物的 和通过 为农作物提供氮素。
5．生物固氮的过程是在ATP提供能量的情况下，e－和H＋依次通过A、B两种蛋白，最终传递给N2和乙炔，使它们分别还原成 和 。
6．光能在叶绿体中的转换分三个步骤，光反应阶段包括 、 ，暗反应阶段包括 。
7．光合作用过程，光能在叶绿体中转换的三个步骤：第一步是在叶绿体上的 完成的。第二步所转换形成的能量储存在 和 中。第三步转换形成的能量储存在 中。
8．下图是二氧化碳与光合作用效率的关系。依图回答：
（1）图中AB段表示 。
（2）图中BC段表示 。
（3）提高蔬菜大棚中蔬菜的光合作用效率应采取 等措施。
9．在每年种植大豆的农田改种蚕豆，结果发现蚕豆根部根瘤菌很少，产量也比较低。试分析其原因是： 。
10．接种时把接种环放在酒精灯的火陷上灼烧的目的是 。
11．在制作自生固氮的临时涂片过程中，用灭过菌的接种环，从培养基上挑取少量粘液涂在载玻片上的水滴中，染色后，另取一片载玻片作推片，使两片之间呈 夹角，推片自右向左平稳地推移。这样操作要求是为了 。
12．示意图解为C4植物光合作用过程，试回答：
（1）C4植物的叶片结构与C3植物不同之处是C4植物 。
（2）C4植物在干旱条件下比C3植物具有较强光合作用的原因是 。
（3）C4植物的光合作用过程先进行 的循环途径，然后进入 循环途径，前者发生在 内，后者在 内进行。
（4）C4植物光合作用先进行的循环途径中，一个CO2被一个叫做 的C3化合物固定，形成一个 化合物，该化合物进入 ，释放出一个 形成为 ，在ATP供能和酶的催化下，再经过复杂的变化，生成叫做 的C3化合物，继续固定CO2的循环。
（5）C4植物光合作用后一循环途径中，由前一循环释出的一个CO2被 化合物固定，生成两个 化合物，在有关酶作用下经复杂变化形成了 。
参考答案
一、选择题
1．B 2．A 3．D 4．B 5．D 6．B 7．B 8．C 9．C 10．B
11．C 12．D 13．A 14．D
二、简答题
1．表层 无氮培养基 自生固氮微生物
2．互利共生 绿色植物 自生固氮
3．能量转化 物质转变
4．光合效率 生物固氮
5．NH3 乙烯
6．光能转换成电能 电能转换成活跃的化学能 活跃的化学能转换成稳定的化学能
7．类囊体中 NADPH ATP 有机物
8．（1）随着CO2浓度的提高，光合作用强度逐渐增强
（2）CO2浓度提高到一定程度时，光合作用强度不再随CO2浓度的升高而增强
（3）增施农家肥和增加CO2浓度
9．根瘤菌有特异性，不同根瘤菌只能与它有关的豆科植物发生互利共生关系避免接种时污染上其杂菌
10．30°～45° 推出一层均匀的菌膜
11．短杆菌，单生或对生，成对菌体呈“8”字形，外有一层荚膜
12．（1）维管束鞘细胞含无基粒的叶绿体
（2）C4植物能用叶片细胞的间隙中含量很低的CO2进行光合作用
（3）C4 C3 叶肉细胞叶绿体 维管束鞘细胞叶绿体
（4）磷酸烯醇式丙酮酸（PEP） C4（草酰乙酸） 维管束鞘细胞叶绿体 CO2 丙酮酸 磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）
（5）C5 C3 糖类等有机物质典型例题五
根据所给材料回答相应的问题：
材料一：氮气是空气的主要成分，氮还是构成蛋白质的重要元素，大气中的氮气是不能被植物直接吸收利用的，分子态的氮只有转变成化合态的氨后才能被植物吸收利用。目前N2转变成NH3的途径有三条：一是生物固氮，主要通过一些微生物利用有机物中的能量将N2转变成NH3，如蓝藻、固氮细菌等，生物固氮约占全球固氮的80%；二是物理固氮，主要通过闪电释放的能量将空气中的N2氧化成NO、NO2，再和水反应生成HNO2和HNO3，随降水进入土壤被植物吸收利用，所以老百姓有“雷雨发庄稼”的说法,但这种物理固氮在全球固氮总量中所占的比例很小，不到1%；三是工业固氮，也称化学固氮，即合成氮工业，占全球固氮总量的20%左右。
材料二：下图是氮循环的示意图
（1）图中B的过程的过程表示生物固氮，自然界固氮量最大的细菌是根瘤菌，它生活在豆科植物的根内，利用豆科植物光合作用制造的有机物生活，而它能将大气中的氮气，在固氮酶的催化作用下生成氨，供给豆科植物。因此，它与豆科植物的关系在生物学上称为 。图中G过程的细菌是硝化细菌，根瘤菌与硝化细菌的新陈代谢类型分别是 ，但是生殖方式均为 。
（2）日本科学家把固氮基因转移到水稻根际微生物中，通过指导合成固氮所需的
进而引起固氮作用。更为理想的是直接将固氮基因转移到稻、麦等经济作物的细胞中，让植物本身直接固氮，这样可以免施氮肥。如果这种愿望实现的话，那么固氮基因中遗传信息表达途径为 。不同种生物之间基因重组成功，说明了生物共用的是一套 。
（3）在日常生产中，中耕松土促进根对NO3-的吸收，原因是
。
【解析】本题提供了有关氮循环的背景材料，考察同学获取信息、结合相关学科知识分析信息解决问题的能力。解答本题需要几个方面的知识：
种间关系的分析；
新陈代谢类型的分析；
细菌的生殖方式；
基因控制蛋白质合成；
（1）通过阅读材料，可知豆科植物为根瘤菌提供有机物，根瘤菌通过生物固氮豆科植物提供氨，因此，两者相互共同生活，相互依存，关系为共生。可分析出根瘤菌的新陈代谢类型是异养需氧型，硝化细菌能够利用化学能，无机物合成有机物，新陈代谢类型为自养需氧型，两者都是细菌，都是分裂生殖的方式。
（2）根瘤菌的固氮作用是在固氮酶催化作用下完成的，这种酶的本质是蛋白质。在固氮基因控制下通过转录和翻译两个步骤合成固氮酶。如果利用基因工程将固氮基因转移到稻、麦等经济作物的细胞中，那么固氮基因中遗传信息表达途径就是转录和翻译，让植物本身直接固氮这样可以免施氮肥。不同种生物之间基因重组成功，说明了生物共用的是一套遗传密码。
（3）中耕松土可提高土壤中氧气的浓度，从而促进根的呼吸作用，可为根吸收NO3-过程中的交换吸附提供更多的离子，为主动运输提供更多的ATP。
【【答案】】（1）共生 异养需氧型、自养需氧型 分裂生殖
转录 翻译
（2）固氮酶 固氮基因——→mRNA——→固氮酶 遗传密码
（3）提高根细胞的呼吸作用，为交换吸附提供离子，为主动运输提供能量根与细菌双赢的秘密
豆科植物的根瘤有固氮作用，这是一种常识：固氮细菌侵染植物根部形成根瘤，从空气中提取氮气合成氨，向植物提供氮肥；植物则向细菌提供其它营养物质作为回馈。这种互惠互利的双赢机制是如何形成的？两个科研小组找到了在其中起关键作用的蛋白质。
匈牙利国家科学院的研究人员在豌豆和紫花苜蓿中发现了一种蛋白质，他们命名为NORK，它负责受理细菌在植物根部安家的请求。英国John Innes中心的科学家也找到了共生固氮过程中的一种重要蛋白质，命名为SYMRK，结果发现与NORK是同一物质。这一巧合表明，控制植物与固氮微生物共生的遗传程序存在于植物的基因组中。在这一发现的基础上，有可能对其它农作物如玉米、小麦、大米进行基因改造，使其也能利用微生物的天然固氮作用，大大节省肥料开支。［实验二］自生固氮菌的分离
教学目标
1. 通过自生固氮菌的分离实验，了解自生固氮菌对土壤溶液ｐＨ的要求及其形态特征。
2. 初步学会从土壤中分离自生固氮菌的方法，理解分离的原理。
3. 初步学会制作临时涂片的方法。
重点、难点分析
本实验的重点是自生固氮菌的接种和培养。因为若培养不出自生固氮菌的菌落，说明没有达到分离的目的，也就无法制作涂片进行观察。难点是自生固氮菌涂片的制作，如果推不出均匀的菌膜，旧很难观察清楚自生固氮菌的形态特征。
课时安排
本实验必须分阶段进行。第一阶段为接种，约半课时。第二阶段为观察和镜检，约须半课时，故本实验约为一课时。其中接种前检查灭过菌的无氮培养基灭菌是否彻底，接种后的培养不需要学生操作，不计课时。
设计思路
本次实验的教学思路是：前期准备——实验分段——分离、观察
前期准备：教师准备好实验所需的一切材料、用具，特别是有关材料、用具的灭菌处理，可为学生实验的顺利进行做好充分的物质准备。
学生预习实验指导，了解实验操作的方法步骤，以便实验时做到心中有数。
实验分段：实验第一阶段，在教师的指导下分组接种，人人动手操作，强化学生的参与意识，培养学生的操作能力及细菌实验的无菌意识。
实验第二阶段，观察实验结果（菌落特征）及鉴定（镜检自生固氮菌）。通过实验使学生了解细菌的形态观察，一般分为菌落（内眼观察）和个体观察（显微镜观察）两部分。另外，通过镜检自生固氮菌的确认，也是学生对自己的实验结果正确与否的一种检验。
教学过程
课外准备
实验材料、用具的准备
教师所需做的准备工作为：准备无氮培养基、无菌水、研钵、玻璃棒、无氮培养基的灭菌、无氮培养基灭菌彻底与否的检查、收集农田表层土壤并测试其pH。这些准备工作，最好请部分学生参与。
学生预习实验指导
教师布置学生预习，并完成以下内容：
自生固氮菌材料的来源。
培养自生固氮菌用的培养基的主要特点。
为什么要使用这种特定的培养基？
制作稀泥浆用的农田土壤溶液pH的要求及其依据。
实验使用的培养基、水、研钵、玻璃棒等为什么要进行严格灭菌？
制备泥浆的要求。
接种时无菌操作的要求。
临时涂片制作步骤，推片的正确方法。
课内实验
接种：接种前教师检查学生预习情况，学生回答预习作业1~6。
试验操作：制备稀泥浆，每组制备1份。
教师做接种示范。强调各接种点之间必须保持一定距离，以便培养后进行菌落观察。并强调无菌操作要点及实验中的安全问题。
学生接种，人手1份。学生按操作要求自行接种。在学生接种过程中，教师应巡视，若发现不符合规范操作要求的，应另其改正重做。
在培养皿盖顶写上实验内容、接种人姓名和接种日期。
这一环节教师不能忽视，应将此环节看成是对学生严格的科学态度的培养。
培养：集中进行，将全班学生经过接种的培养皿一起防入恒温箱中集中培养。请班长或课代表计下恒温箱的温度、培养开始日期。
观察：每人观察自己的接种结果，并做好记录：每个泥浆点周围是否都出现了黏液，黏液的颜色；培养基上有无杂液出现。
镜检：制作临时涂片。
首先，教师提问临时涂片的制作过程。然后，再由教师讲解制片要点：挑取黏液要少，染色时间的控制，涂片要匀，自然干燥。最后，教师示范正确的推片方法。
学生每人制作一张临时涂片。
显微镜观察。
要求学生先用低倍镜观察，找到观察物以后，换用高倍镜观察，看清自生固氮菌的形态特征。
在学生镜检过程中，教师应加强辅导和检查，并要求学生将自己观察到的自生固氮菌的个体特征用铅笔画下来，并注明经过染色后菌体和荚膜的颜色区别。
总结：采用教师出题、学生讨论的形式。
总结内容：
影响本实验成败的因素有哪些？（土壤的pH、灭菌效果、无菌操作、制片技术。）
制作临时涂片的注意事项。（挑取黏液的量宜少不宜多，推片要匀。）
整理工作：
要求学生清洗玻片，物归原处。典型例题二
自生固氮菌的代谢类型是（ ）
A．自养需氧型 B．自养厌氧型
C．异养需氧型 D．异养厌氧型
【解析】本题考查的知识点主要是自生固氮菌的概念和新陈代谢类型的区分，考查的能力主要是对信息的分析综合能力。
自生固氮是指在土壤中能独立进行固氮的细菌，“自主固氮”是相对于“共生固氮微生物”而言的，“自生”不等于“自养”。
自生固氮菌中人们最熟悉、应用最多的是圆褐固氮菌，这在教材中有介绍，但对于代谢类型却只字未写。这就为回答本题设置了障碍。然而，我们做过自生固氮菌的分离培养的实验，通过对其培养基的配置，对自生固氮菌的培养等完全能够获取我们解题的信息。
培养基是无氮培养基，仅仅是在培养基的成分中N的元素，自生固氮菌在生长繁殖过程中所需要的其他元素，均具备。它所需能源物质来自培养基中的糖类。
培养自生固氮菌的过程中，需要注意的是pH＞6.5，温度为28～30℃，是接种在培养基表面，放在充满空气的恒温箱中培养。
从培养过程中可以得到极有价值的信息：①自生固氮菌生活过程中所需要的能源取自糖类，自己不能借助光或有关化学反应获取能量；②培养过程中未造成一种厌氧环境。由此可见，自生固氮菌的代谢类型应属于异养需氧型。
【答案】C中国生物固氮技术在国际会议上引起重视
第八届非豆科植物固氮国际研讨会上，中国科研人员在生物固氮技术领域取得的成功引起了与会者的广泛兴趣。
这次会议于2002年１２月初在澳大利亚悉尼大学召开。出席会议的中国科研人员来自民营企业Ｇ实验室。实验室主任郭永军在大会上作了题为《Ｇ式生物肥料的研究和应用》的报告。Ｇ实验室的科研人员还向与会代表展示了显示其研究成果的照片以及有关论文，并指出，这些成果不仅仅局限于实验室，而是已经广泛应用于农业生产。来自３０多个国家的160名代表对Ｇ实验室的研究成果表示了很大的兴趣。
化肥的生产要消耗大量不可再生资源，而且长期使用化肥会使土壤物理状况恶化。人类要走可持续发展的道路，研究和应用生物肥料是必由之路。生物固氮技术研究是生物化肥研究中的重要一项。小麦、水稻、玉米、水果蔬菜等属于非豆科植物，不具备固氮能力，Ｇ实验室经过多年研究，成功地用固氮菌使这类非固氮植物获得了更多的氮素营养，这有助于这些植物固氮，从而减少土壤地块板结，地力下降现象。
Ｇ实验室已将这一成果应用于农业生产。这正符合此次大会促进生物固氮技术发展与普及的主旨。大会执行主席，悉尼大学教授伊万·肯尼迪在会上多次表示，中国Ｇ实验室的研究工作是对本次会议最有力的支持。他还邀请中国Ｇ实验室加入非豆科植物固氮研究国际网站。
东道国澳大利亚早在７０年代就开始生物固氮技术的研究，起步最早。他们的研究人员和企业对Ｇ实验室的成果也表现出浓厚的兴趣
2000年12月20日联合固氮
l．定义
氮素是构成生命物质最重要的元素之一。自然界只有某些微生物能直接将大气中的氮通过固氮酶还原成NH4+，这类微生物包括细菌、蓝绿藻、放线菌等。在固氮的细菌中有一类属于自由生活的类群，它们定殖于植物根表（有的能侵入根表皮和外皮层的细胞间隙）和近根土壤中，靠根系分泌物生存，繁延，与植物根系有密切的关系。但宿主植物并不形成特异分化的结构。植物与细菌之间的这种共生关系称联合共生固氮。这类固氮菌称联合固氮菌。联合共生固氮的概念是1976年由巴西Dobereiner实验室提出的。20年来联合固氮的研究受到世界各国科学家的重视。
2．联合固氮菌的种类
联合固氮菌中大多数是与禾本科牧草的根相联合，虽然有一些亦从豆科植物的根瘤和根表或从各种其他植物包括单子叶和双子叶植物的根表分离到。通常有一种以上的固氮菌与同一植物联合，而且随着地域的不同固氮菌的分布和频率有相当大的差别，至今已发现的联合固氮菌中最普遍的种属如下：螺菌科（Spirillaceae）固氮螺菌属（Azospirillum）、草螺菌属（Herbaspirillum），肠杆菌科（Enterobacteriaceae）肠杆菌属（Enterobacter）、克雷伯氏菌属（Klebsiella），固氮菌科（Azotobac－teraceae）固氮菌属（Azotobacter）、拜叶林克氏菌属（Beijer-inekia），芽孢杆菌科（Bacillaceae）芽孢杆菌属（Bacillus），假单孢菌科（Pseudomonadaceae）假单孢菌属（Pseudomouas）。
其他还有一些联合固氮菌属于醋杆菌科和盐杆菌科，在这众多的联合固氮菌中固氮螺菌属是被研究得最多的一类。常用的菌种是巴西固氮螺菌Azospirillum brasilense和产脂固氮螺菌Azospirllum lipoferum。
3．联合固氮体系的形成
由于联合共生固氮体系中，固氮菌与植物根系之间只是一种松散的联合，并没形成类似根瘤的结构，所以研究其固氮体系的形成遇到很大困难。Dobereiner建议联合固氮菌在根表定殖作为联合固氮体系形成的标志之一。形成联合固氮体系大致分为趋化、结合和侵入3个过程。
3．1 趋化性 很多联合固氮菌有极性鞭毛和周生鞭毛，通过细菌鞭毛的旋转运动对根分泌的有机酸、糖、氨基酸形成的梯度和低氧浓度表现出趋化和化学激活现象。根际的细菌向植物根际靠近。C3植物——小麦根分泌物中草酸含量较高，从小麦根部分离的Azospirillum对草酸趋化性强。而C4植物——玉米根系分泌物中苹果酸含量较高，相应的菌株对苹果酸趋化性强，这种特异性反映了联合固氮细菌对宿主根际环境有一定的选择和适应能力。细菌在寻求营养来源和其他微生物竞争中趋氧性和趋化性都是很重要的功能。
3．2 结合 联合固氮菌与宿主植物间的识别与结合是联合固氮体系形成过程中的关键步骤。植物根表或根冠外覆盖着一层由多糖类组成的粘质，联合固氮菌大多聚集在根毛粘质部分。植物凝集素可能参与识别与结合过程，而联合固氮菌产生的孢外多糖能与凝集素结合，细菌表面存在凝集素专一识别的糖结构。最近的研究表明植物根与固氮结合的过程中细菌的极性鞭毛起关键作用，鞭毛蛋白是一种糖蛋白。
3． 3 入侵 有的联合固氮菌如Azospirillum通过次生根伸出的裂隙、伤口或已退化的根毛进入植物组织内，定殖于表皮和皮层细胞的细胞间隙，有的甚至进入中柱，定殖于维管束细胞。固氮细菌定殖于根组织内对联合固氮的双方都是有益的，它降低了对底物的竞争。因为只有极少数菌能侵入根内，这导致在根内定殖的是一些较高特异性的细菌群落，并且促进了根和菌之间的物质转化。
4．联合固氮体系中细菌和植物的相互关系
4．1 植物对根际固氮的影响 能源是细菌与植物联合的基本限制因子之一。根际细菌数比周围土壤中的菌数多100倍。植物根系分泌物的成份、含量，随着植物种类的不同，植物的生育期，不同的环境条件（如温度、光强、土质、湿度）有很大变化。不同植物根分泌物的组成依赖它们的代谢类型C4植物玉米根的分泌物中含大量苹果酸，而C3植物小麦和水稻根分泌物中草酸是最丰富的。这些变化在很大程度上影响了根际固氮菌的种类和聚集程度。
4．2 根际固氮菌对植物的影响
4．2．l 提供植物氮源 联合固氮菌利用根系分泌物作为能源固氮，大部分固定的氮为自身利用不分泌或分泌很少量的氮到体外。因此联合固氮菌提供给植物的氮素是很少的，只有菌体裂解后的氮素才能被植物吸收。一些含糖高的作物如甘蔗及湿生水稻中联合固氮菌对宿主的氮素供给相对比较高。在巴西某些甘蔗田中常年不施N肥，甘蔗60％的氮素是由生物固氮提供的。
4．2．2 产生植物激素类物质 大量的研究表明，接种根际联合固氮菌在不同的环境和土壤条件下对植物的生长，特别是在幼苗期有明显的促进作用。主要原因是由于联合固氮菌产生植物激素影响了宿主根的呼吸速率和代谢，也刺激了根毛和次生根的形成，使根毛和次生根数量增加。植物激素的种类主要是生长素（IAA）和类细胞分裂素及类赤霉素，亦有报道表明接种联合固氮菌影响了宿主植物内源激素的代谢。
4．2．3 促进宿主根的生理变化 根际酸化是矿物质向植物移动的机制。联合固氮菌在植物根定殖使宿主根的质子流增加从而刺激了宿主植物对矿物质的吸收。接种Azospirillum后提高了宿主根三羧酸循环中和糖酵解途径有关的一些酶的活性，也有报道接种联合固氮菌降低了一些氧化酶的活性如IAA氧化酶、多酚氧化酶，增强了氮同化和有机磷分解有关酶的活性，这些生理变化同时亦增强了根的抗病菌能力。
5．联合国氮作用在农业中的应用
联合固氮菌主要的共生对象是与人类密切相关的粮食作物。利用联合固氮菌作为田间作物的接种剂已在世界各国广泛开展，有一些国家已形成商业产品。20年来田间接种联合固氮菌的结果表明，在不同地区和气候条件下对农业上一些重要作物如玉米、水稻、小麦接种是有增产作用的。接种实验多数是采用固氮螺菌，用草炭菌剂拌种。最适接种量为1×107菌落形成单位／苗，种子。接种实验获得成功的最主要因素是保证接种最适量。由于联合固氮菌与根系的联合只是松散的联合没有形成稳定的共生结构，联合固氮的效率受植物生长状况、土壤、肥力、气候及土著菌竞争等因素的影响很大，联合固氮菌的固氮效率仍然是很低的。
影响联合固氮效率的主要因素如下：
（l）土著菌的竞争 根际细菌的种类繁多，接种固氮菌面临的是与土著菌之间对底物的强烈竞争。大多数的研究表明在自然条件下固氮菌很少能为根际细菌菌群的优势部分，数量一般占总数的1％～10％，只有在氮素很贫乏的土壤中固氮菌才会表现出竞争的优势。微生物之间的竞争显然是影响固氮菌在根定殖的主要因子。
（2）结合态氮 结合态氮（氨、亚硝酸盐、硝酸盐）阻遏固氮酶的合成，抑制某些固氮菌固氮酶的活性，因此土壤中的结合态氮的浓度（范围从5～500mgN／kg土壤）就能消除和降低接种后土壤中的固氮活性。土壤溶液和植物根分泌物中结合态氮的水平在某种程度上控制与根联合的固氮速率，在高肥力水平的土壤中根际固氮作用降低甚至消失，而在低肥力水平的土壤中根际固氮作用相对比较高。
（3）氧 在联合固氮菌的微生态环境中氧的水平是影响联合固氮另一重要的因子。氧不可逆地使大多数固氮菌的固氮酶失活和调节固氮酶的合成。只有在低氧分压条件下固氮菌的固氮速率达到最适程度。植物根分泌粘质覆盖于根冠或根表形成根表粘液鞘，造成低氧环境为联合固氮菌提供了良好的生存条件。湿生水稻的淹水环境亦有利于固氮菌的固氮作用。
6．内生固氮菌的研究进展
在巴西有上百年的甘蔗种植史，蔗田施氮量不多但持续高产。而土壤氮储量并不下降，用15N实验表明，某些品种从生物固氮获得总氮量的60％。这种异常活跃的生物固氮不可能从根际群落得到，暗示存在不同于以往的高效生物固氮系统。1986年以来巴西Dobereiner实验室从甘蔗根、茎、叶内分离到3种具有独特生理、生化特性的固氮菌。这类固氮菌给宿主提供相当高的氮素。它们在土壤中不能生存或生存能力很差，而以相当高的数量存在于植物组织内。没有引起宿主任何不良反应，称其为内生固氮菌。已发现的内生固氮菌在甘蔗中有2类：①醋酸固氮菌Acetobacter diazotropHicu；②草螺菌Herbaspirillum spp．（在其它禾谷类作物如水稻、玉米中亦被分离到）。内生固氮菌代表了一个新的固氮系统，它的发现和研究扩展了经典的根际联合固氮系统，并将开拓出一条生物固氮到其它作物的新途径。
徐继等著，生物学通报，1997年6期教材分析
这节内容讲述了固氮微生物的种类，生物固氮的简要过程（选讲），以及生物固氮在氮循环和农业生产中的作用三方面的内容。
我们知道，微生物中只有部分种类有固氮能力。所以，本节首先讲述了固氮微生物的种类。其中，根瘤菌是最重要的、也是人们最熟悉的一类共生固氮微生物。为此，教材在讲述共生固氮微生物时，首先通过演示实验让学生观察根瘤和根瘤菌，然后简要讲述了它们的形态特征。至于根瘤菌的生理特点，则着重从根瘤菌与寄主植物之间的专一性、根瘤菌与寄主植物的互利共生关系以及根瘤的形成三方面进行讲述。关于自生固氮微生物，本节着重讲述了以圆褐固氮菌为代表的自生固氮细菌及其在农业生产实践中的应用。教材把自生固氮菌的分离这一选做实验编排在课文当中，突出了生物学科是一门实验学科的特点，强调了对学生进行较强的观察能力、实验能力、思维能力和自学能力的培养，特别是讨论题的第二题，有利于培养学生初步的研究能力和创造能力。
生物固氮的原理比较复杂。考虑到教学大纲只要求简介生物固氮的过程，所以，教材只作了十分简要的介绍。
生物固氮在自然界的氮循环中具有非常重要的作用。为此，教材做了简要的介绍。至于生物固氮在农业生产中的作用，教材讲述了土壤中氮元素的消耗和补充途径，以及目前农业生产上广泛应用的对豆科作物播种前进行的根瘤菌拌种，并设计了一项课外生物科技活动，让学生通过对比实验加深对根瘤菌拌种促进豆科作物产量的认识。本节在引言中提到了科学家目前正在进行通过基因工程促使非豆科粮食作物自行固氮的研究，考虑到这项研究目前仍然处在实验阶段，所以，教材只以课外读的形式进行了简要的介绍。生物固氮肥
生物固氮肥是一种用泥炭土吸附固氮菌发酵液制成的固态微生物肥料，平均使用量约每公顷15公斤。该生物肥料利用固氮微生物在植物的根系或根际土壤中生长繁殖，供给植物生长所需的氮、磷、钾等营养成份，促进植物根系发达、茎壮叶绿，增强抗病、抗寒、耐旱、耐涝能力，改良土壤，培肥地力，提高产量，改善品质，减少化肥农药施用量，保护生态环境。
少施化肥，培肥地力，增产增收，保护环境是通用生物固氮肥的综合优势，也是它的综合效益。通用生物固氮肥的核心作用是“固氮”，将它施入土壤中，其中所含的固氮微生物(根瘤菌、固氮菌等)在作物根部或根际环境中生长繁殖，其生命活动能将空气中的氮元素转化为氨并产生其它代谢产物，源源不断地供给植物生长所需营养氮素及生长刺激素，而其中所含的磷、钾细菌的生命活动，能将土壤中被束缚住的磷、钾元素，转化为植物能吸收利用的形式，具有解磷解钾之功效。施用生物固氮菌肥就等于给每棵植物都配置了一间小化肥厂。
固氮菌、根瘤菌等有益微生物在作物根部或根际环境的大量繁殖，形成优势种群，抑制或减少了病原微生物入侵和定植的机会，有的还有抗病原微生物的作用，使生物固氮肥起到减轻或消除作物病害的功效。
固氮微生物既是植物生长所需的氮素供给者，又是植物对氮素吸收的调控者，不足时给予补充，过剩时给予控制、化解，这种“按需供应”的调控作用使植物生长始终保持健康状态，不会因缺氮而叶黄，也不会因施肥过多生长过旺而倒伏。农民把生物固氮肥这种作用生动地比喻为“变压器”。本章测试一
光合作用和生物固氮
一、选择题
1．光合作用中，光能可以转换成电能，并且可以转化为活跃的化学能储存在（　 ）
A． NADPH中 B． NADP中 C． ATP中 　D． NADPH和ATP中
2．《齐民要术》中，要求栽种农作物要“正其行，通其风”，原理是（　 ）
A．确保通风透光，从而有利于提高光合作用的效率
B．通风透光，可以增强农作物的呼吸作用
C．可以增强农作物的抗性
D．增强农作物的蒸腾作用
3．当绿色植物缺磷时，光合作用明显受到阻碍，这是因为（　 ）
A．磷是酶的重要组成成分
B．磷是叶绿素的重要组成成分
C．磷对维持叶绿体膜的结构和功能起着重要作用
D．糖类运输到块根、块茎和种子中都需要磷
4．在绿色植物的合成及运输糖类过程中，必需供应的矿质元素是（　 ）
A．氮 B．磷 C．钾 D．镁
5．C４植物光合作用过程中的重要特点是（　 ）
A．既有C4途径又有C3途径 　 　B．只有C4途径没有C3途径
C．先进行C3途径后进行C4途径 D．只有C3途径没有C4途径
6．C4植物具有较强光合作用的原因是有关的一种酶能催化（　 ）
A．PEP固定较低浓度CO2
B．化合物与CO2结合
C．NADPH还原C3生成有机物
D．特殊状态的叶绿素a将光能转换成电能
7．光照与光合效率关系正确的是 （ 　）
A．光照越强，光合效率越高
B．阴生植物在光照条件下，光合效率为零
C．适宜的光照可以提高光合效率
D．阴生植物的光照强度与光合强度和光合效率成反比
8．下列措施中哪项不利于光合作用效率的提高 （　 ）
A．将人参、田七种植在遮阴处
B．在苹果树周围地面铺反光膜
C．用反硝化细菌拌种
D．向温室内输入一定浓度的CO2
9．C4植物与C3植物相比，其发生光合作用的场所为（　 ）
A．只发生在叶肉细胞叶绿体中
B．只发生在维管束鞘细胞叶绿体中
C．叶肉细胞和维管束鞘细胞的叶绿体中
D．叶肉细胞和导管细胞的叶绿体中
10．下列植物中属于C4植物的是 （ 　）
A．水稻 B．小麦 C．高粱 D．菜豆
11．C4植物叶肉细胞的叶绿体中，PEP的作用为 （ ）
A．提供能量 B．吸收水分 　C．提供［H］　D．固定CO2
12．C4植物维管束鞘细胞的特点为 （　 ）
A．细胞个体较大，叶绿体中含有基粒 B．细胞个体较大，叶绿体中不含有基粒
C．细胞个体较小，叶绿体中含有基粒 D．细胞个体较小，叶绿体中不含有基粒
13．C4植物比C3植物固定CO2的能力强很多倍，其原因为 （　 ）
A．有关酶对CO2的亲和力强
B．有关酶含量多
C．有关酶对CO2的亲和力弱
D．有关酶含量少
14．下列各选项中，可以作为鉴定某种植物为C4植物的特点为 （ ）
A．维管束鞘细胞中不含叶绿体
B．豆科及蔷蔽科
C．蕨类植物和裸子植物
D．围绕维管束的是呈“花环型”两圈细胞
15．C4途径中CO2是从下列哪种结构中释放出来的 （　 ）
A．维管束鞘细胞的细胞质中
B．叶肉细胞的细胞质中
C．叶肉细胞的叶绿体中
D．维管束鞘细胞的叶绿体中
二、非选择题：
1．从物质方面看，光合作用包括　在光下分解并释放氧气，的固定和　以及的形成。
2．光能在叶绿体中的转换过程中，　变成强的氧化剂，是很强的还原剂。
3．对豆科作物进行拌种是提高豆科作物产量的一项有效措施。非豆科作物一旦能够自行固氮，不仅能够明显地提高粮食　 　而且有利于的保护。
4．把C4植物比喻成“二氧化碳泵”的原因是：C4途径中能够固定二氧化碳的那种酶，对二氧化碳具有很强　，可以促使　把大气中的二氧化碳固定下来，并且使C4集中到维管束鞘细胞中叶绿体内的途径利用。
5．共生固氮微生物与自生固氮微生物的区别是前者与绿色植物　 ，只有侵入到　时才能固氮，后者在土壤中能够　。
6．下图中的A、B两图分别表示C4、C３植物叶片横切结构。请据图分析回答：
（1）注明各部分名称：
1． 2． 　 3． 　 4． 　。
① ② ③ 。
（2）A、B两图中属于C4植物的为。
（3）与A图中1、2结构生理功能相同的，为B图中的［　］　部分。二氧化碳被固定形成C4的过程则在　图中的［　］　进行。
（4）相比较而言，具有较强光合作用能力的为植物。因此，从进化角度分析　植物更为高等。
7．在可控制温度和大气成分的温室中，以人工配制的营养液无土栽培蔬菜。请回答下列问题：
（1）春季天气晴朗，光照充足时，为使作物增产，除满足矿质元素的需求外，应采取的措施是　，此措施可通过　或等方法实现。
（2）当阴雨连绵、光照不足时，温室温度应，以降低蔬菜的。
（3）向培养液中泵入空气的目的是。
（4）写出培养液中与光合作用有关的三种必需矿质元素的元素符号及它们在光合作用中的作用： 　、 、 　。
8．全世界工业合成氮肥中的氮只占固氮总量的20％，绝大多数是通过生物固氮进行的。最常见的是生活在豆科植物根部的根瘤菌，能将大气中游离态的氮，经过固氮酶的作用生成氮的化合物，以利于植物的利用，在此过程中豆科植物也为根瘤菌提供营养物质。
（1）根瘤菌和豆科植物的关系在生物学上称为　。
（2）根瘤菌之所以能完成固氮作用，是因为它有独特的固氮酶，而根本原因是它具有独特的　。
（3）日本科学家把固氮基因转移到水稻根系的微生物中，通过指导合成固氮所需的，进而起到固氮作用，降低了水稻的需氮量，减少氮肥的施用量。而更为理想的是直接将固氮基因重组到水稻、小麦等经济作物的细胞中，建立“植物的小化肥厂”，让植物本身直接固氮，这样就可以免施氮肥。如果这种重组能实现的话，那么固氮基因最终实现表达的途径是。
（4）这种生物固氮和工业合成氨比较，它是在、条件下进行的，从而节省了大量的。
9．下图为自然界中氮循环示意图，根据图回答：
（1）大气中的氮主要通过［　］进人生物群落，
其次，［　］　和［　］等途径也可少量供给植物氮素。
（2）图中的A物质代表　，可被土壤中的微生物分解，形成B物质。B物质在土壤中，在细菌的作用下形成C。C物质代表　。
（3）将B物质转化成C物质的细菌，其新陈代谢类型属于型。
（4）在条件下，一些细菌可将C物质最终转化为，返回到大气中。
参考答案
一．选择题1.D 2.A 3.C 4.C 5.A
6.A 7.C 8.C 9.C 10.C
11.D 12.B 13.A 14.D 15.D
二．非选择题
1．水，二氧化碳；还原；糖类等有机物
2．失去电子的叶绿素a；NADPH
3．根瘤菌；产量；生态环境
4．亲和力；PEP；浓度很低；C3
5．互利共生；根内；独立固氮
6．(1) 1.栅栏组织；2.海面组织；3.维管束鞘细胞；4.维管束
①维管束 ②维管束鞘细胞 ③叶肉细胞
（2）B
(3)[ ②]维管束鞘细胞；B；[③] 叶肉细胞（花环型）
（4）C4；C4
7．（1）提高光合作用效率，增加有机物的合成的同时降低呼吸作用，减少有机物的消耗。因此要增加CO2的浓度，增施农家肥；使用CO2发生器。
（2）适当降低；呼吸作用，使有机物消耗减少。
（3）促进根的有氧呼吸，为根部吸收矿质离子提供更多的能量和可交换离子。
（4）N，氮是催化光合作用过程中的各种酶以及NADP＋和ATP的重要组成成分；P，磷也是NADP＋和ATP的重要组成成分；K，钾在光合作用中合成糖类，以及将糖类运输到根、块茎和种子等器官中起重要作用的；Mg，镁是叶绿素的重要成分。
8．（1）互利共生
（2）固氮基因
（3）固氮酶；
（4）常温；常压；器材。设备和能源
9．（1）[ 1]生物固氮；[ 2]闪电；[ 3]工厂生产氮肥
（2）尿素及动植物遗体；消化；NO3-
（3）自养需氧
（4）氧气缺乏；N2
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2知识网络
一、固氮微生物——都是原核生物
二、生物固氮过程
1．ATP的供应：固氮过程需消耗大量能量，ATP来自呼吸，无氧呼吸，发酵光合作用
3．还原底物N2（有NH3存在时会抑制固氮作用）
4．Mg2+
5．严格的厌氧微环境
三、生物固氮意义
在自然界氮循环中具有十分重要的作用，氮循环的主要环节是：生物体内有机氮的合成，氨化作用，硝化作用，生物因氮。
四、生物固氮在农业生产中的应用
1．固定氮素肥料，减少化肥使用量，节约了能源，保护了环境。
2．对豆科作用进行瘤菌拌种，提高产量。
3．用豆科植物做绿肥，提高土壤肥力和有机质，改良土壤结构，增加土壤通气性和保水性。
4．使用自生固氮菌菌剂提供农作物氮素营养和促进农作物生长。
特点:对植物没有依存关系
概念:能独立进行固氮
形态:杆菌或短杆,单生或对生
1.自生固氮微生物
较强固氮能力
代表:自生固氮菌
代表好氧性:园褐固氮菌
分泌生长素
厌氧性:梭菌
概念:必须与它种生物共生在一起时才能固氮
2,共生固氮微生物)点共生固宽生物与它种生物共生时有专一性
代表/瘤菌:与豆科植物共生
蓝藻:与红萍(满江红)共生典型例题一
全世界工业合成氮肥中的氮只占固氮总量的20％，绝大多数是通过生物固氮进行的。最常见的是生活在豆科植物根部的根瘤菌，能将大气中游离态的氮，经过固氮酶的作用生成氮的化合物，以利于植物的利用，而豆科植物为根瘤菌提供营养物质。
（1）根瘤菌和豆科植物的关系在生物学上称为 。
（2）根瘤菌之所以能进行固氮作用，是因为它有独特的固氮酶，而根本原因是它具有独特的 ；
（3）日本科学家把固氮基因转移到水稻根系微生物中，通过指导合成固氮所需的 ，进而起到固氮作用，从而降低了水稻需氮量的1/5，减少氮肥的施用量。而更为理想的是直接将固氮基因重组到稻、麦等经济作物的细胞中，建立“植物的小化肥厂”，让植物本身直接固氮，这样就可以免施氮肥。如果这种重组能实现的话，那么固氮基因最终实现表达的遗传信息转移的途径是 。
（4）这种生物固氮和工业合成氨比较，它是在 、 条件下进行的，从而节省了大量的器材、设备和能源。
【解析】本题通过对根瘤菌生活、功能的描述，提出问题，考查知识掌握程度和分析能力、应用能力。固氮微生物能够固氮，其作用机理是这类微生物含有固氮酶。（1）根瘤菌在土壤中营腐生生活，只有与豆科植物共生，体内的固氮酶才具有固氮的作用；（2）固氮酶是一种蛋白质，其合成由基因控制，固氮微生物能够固氮，是因为细胞内含有固氮基因；（3）在水稻根系微生物中不含有固氮基因，即体内不会产生固氨酶，科学家要使非固氮植物本身直接固氮，必须将固氮基因转移到水稻等农作物的细胞内，其转移途径即基因表达的过程；（4）工业固氮是采取高温、高压等工业生产手段合成氮的过程，而生物氮是在自然状态下进行的。由分析得出答案。
【答案】（1）互利共生 （2）固氮基因 （3）酶；固氮基因mRNA固氮酶
（4）常温；常压教案示例
生物固氮
教学模式
启发探究、研讨式学习。
教学手段
利用带有根瘤的花生等豆科植物实物标本以及投影、计算机课件展示相关图片等辅助手段，帮助学生增加感性认识，激发学生的兴趣，使学生在教师的指导下主动学习，培养学生科学研究的态度及钻研精神；对学生进行分析问题、解决问题能力的训练，突破教学重、难点，更好地完成教学目标。
课时安排
二课时
设计思路
教学过程中始终注重创设问题情境，提高学生的学习兴趣，调动学生学习的积极性和主动性，同时遵循从感性到理性，从宏观到微观，再由微观到宏观的认知规律。
在教学中可以从研究生物固氮的重要性引入新课，让学生认识到研究生物固氮的必要性，提高学生学习兴趣。在新课的讲解中从固氮到生物固氮逐渐引入正题，然后开始介绍固氮微生物的种类，可以从豆类植物根瘤中的根瘤菌入手，在学生对固氮微生物具有一定感性认识的基础上，分析生物固氮的原理。生物固氮在氮循环和农业生产中的作用等一些教学内容，并不难懂，教师引导学生进行自学和讨论，进而得出相关结论，发展学生搜集、处理信息能力及表达能力。在本节内容的最后提出研究生物固氮的设想，以及从中可以得到的益处，树立学生从事生物学科研究的理想。
在整个教学过程中，教师要积极创设交流合作的氛围，为学生知识迁移、创造性思维等能力的发展提供时间和空间。
教学过程
第一课时
教学程序 教学内容 方法手段 师生活动 达到目的
创设问题情景、导入新课学习本节课内容 1、说明氮对生物有重要的作用。所有的生物都需要氮源。在活细胞内，氮是所有氨基酸、核酸（DNA和RNA）及其它许多重要分子的主要部分。2、大多数生物不能直接应用空气中的氮。大部分生物不能直接利用大气中的氮，仅能利用氮的某种形式的化合物。形成这些化合物的过程统称为“固氮”，这时氮与其他元素结合，被“固定”在含氮的化合物中。3、某些豆科植物含氮素较丰富，氮素如何获得？根瘤中的根瘤菌将大气中的N2“固定”供给植物。每年，大气中被固定下来的氮，大都是由微生物“固定”的，再经过一系列复杂的生化过程为生物体内所需要的含氮有机物。4、问题引入和新课内容。什么是生物固氮？那些生物可完成生物固氮？生物固氮如何完成？一、在讲解和归纳中完成如下内容。1）生物固氮的概念。2）固氮微生物将大气中分子态氮还原为氨的过程。3）固氮微生物种类。4）什么是共生固氮微生物？5）以根瘤菌为例研究：了解根瘤菌的形态特征和生理特点、某些根瘤菌与豆科植物互利共生且具一定专一性的关系以及根瘤菌的代谢类型。6）根瘤的形成及作用。7）共生固氮微生物概念。 教师导言教师演示（出示带有根瘤的花生等豆科植物实物标本）。学生讨论、师生问答利用教材小资料，师生讨论。用实物投影展示：根瘤的外形及临时涂片制作过程，并利用显微投影展示（或用投影展示根瘤菌形态的图片），教师演示实验，提出问题，学生观察、分析，归纳相关内容。 调动学生学习的积极性，使学生明确本节课的学习目标使学生了解固氮微生物的种类及特点，培养学生观察能力，分析、归纳能力。
智能训练(反馈矫正)布置作业 二、什么是自生固氮微生物 自生固氮菌的形态特点。实例：圆褐固氮菌介绍其生活环境，分析其代谢类型，在农业生产中的作用。三、生物固氮过程简介。提出问题：为什么固氮微生物可在常温常压下完成“固氮”有关反应？固氮酶：有固氮基因编码控制。固氮过程简介。比较：根据固氮微生物育肥固氮微生物的特点。思考：如何将自生固氮微生物与土壤中的其他细菌等微生物分离？搜集、整理有关资料：比较分析工业固氮与生物固氮过程；分析生物固氮的意义和在农业生产中的应用；查询生物固氮研究的有关信息。 投影展示圆褐固氮菌有关图片。教师引导学生分析得出结论。教师简要讲解（投影施展固氮过程图片）学生提出问题，教师解答。教师组织学生思考、讨论，表达个人意见。师生问答。教师为学生提供有关课外资料或有关固氮内容的网站和书籍，例如：南京大学出版社的《环境微生物工程》等。教师可下要对学生完成情况了解、指导。 培养学生分析能力，渗透理论联系实际思想。教师要给学生生活中的时间和空间，以发展学生知识迁移、创造思维能力。同时使学生明确两类生物的氮源不同是关键，为后面的试验和微生物有关内容的教学奠定基础。培养学生搜集信息能力，发展信息能力，发展学习能力。
第二课时
教学程序 教学内容 方法手段
师生活动 达到目的
导言　　　研究过程　　　　　交流信息、实现资源共享　　　　　　　　　学习本节课内容　　　　　　　　　　　发展学习 氮元素是生命所必需的。分子态氮在大气中的含量很丰富，约占79％（v/v），但绝大多数生物无法直接利用。只有当游离氮被“固定”成为含氮化合物后，才能被这些生物吸收利用，氮成为活细胞的一部分并进入生态系统中的食物链。氮循环是生态系统物质循环的重要组成部分（复习概念和特点）。氮在生态系统中的循环涉及一系列相当复杂的过程，这些过程大多是由微生物调节的。一、自然界氮循环过程的分析。1．大气中的氮气可通过三条途径被“固定”。2．生物群落中的氮素传递是以有机氮形式通过生物的同化作用实现的。3．动植物遗体、排出物（如尿素等）、残落物中的有机氮是通过微生物的氨化作用及硝化作用转变成为植物再度利用的形式。4．在氧气不足的条件下，土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氨则返回到大气中。二、生物固氮在自然界氮循环中的重要作用。1．比较分析工业固氮与生物固氮过程。区别：工业固氮需要极高的温度和压力，对大气产生严重污染；生物固氮在常温常压下就可以完成，对大气没有任何不良影响。分析原因：氮气分子中的氮—氮三键是很强的，要将此三键拆开并转化为氨，需要相当大的能量。因此，化学固氮必须在高温、高压及催化剂的作用下才能使H2与N2反应。工业固氮需高温（500 ℃）和高压（20 000—30 000kPa）条件，而生物固氮在固氮酶作用下消耗生物自身能量，在常温常压下进行，大大节约了能源，对环境无污染。 3．据科学家估算，每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90％左右。可见，生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的作用，而且对维持生态系统平衡有重要意义。三、生物固氮在农业生产中的应用。1．20世纪初以来，全球农作物单位面积产量不断增长，在一定程度上依赖于氮素化肥的施用量不断增加。农作物依赖于施用氮素化肥所获得的增产实际上是以消耗能源和污染环境为代价的。在现代化农业中，生物固氮具有提高农作物产量和增强土壤肥力的作用。2．土壤获得氮素消耗和补充的途径。3．生物固氮在农业生产中的应用实例：拌种、绿肥。4．人类自从发现豆科植物与根瘤菌共生结瘤固氮现象以来，对生物固氮研究己有一百多年之久，我国对生物的共生固氮现象也进行了长达六十余年的探索性研究。围绕着培育新的固氮植物，通过生物技术改造固氮微生物和现有的农作物，使新的固氮菌与新的农作物更容易形成共生固氮关系。可以肯定，生物固氮工程的研究已经进入一个新的历史阶段，扩大生物间共生固氮范围和将豆科植物的固氮能力转移到非豆科植物中的研究已呈现出希望之光。随着生物固氮研究地不断深入，将逐步实现禾本科农作物与固氮微生物共生结瘤固氮的美好愿望。四、生物固氮的研究前景首先提出将固氮基因移入非豆科植物的设想，引导学生讨论是否还有更多的研究方向。然后总结各种设想，并分析各种设想实现的可能性和意义。教材P40 三、简答题 师生问答　　利用计算机课件分步展示或用投影展示（见要点提示2）氮循环过程。
师生讨论。　　　　　教师组织学生利用投影展示自己搜集的资料并汇报。　教师适时肯定并予以补充。教师启发学生分析得出结论。　　　师生问答。投影展示教材图片。教师组织学生提出问题，互相解答，教师补充。　　　教师组织学生汇报搜集的有关信息，进行演讲。　　　　　　　　　　　　　　　学生思考。师生讨论。老师设问，引申学生讨论老师总结 明确知识联系，引入氮循环研讨过程。使学生了解自然界氮循环过程，培养学生知识迁移运用能力，发展学生思维的流畅性及认识问题的深刻性。调动学生主动参与学习过程，激励学生的学习等情感，使学生深有效地学习，培养学生合作学习的态度。　了解生物固氮有关原理在农业生产中的应用事实，渗透理论联系实际的思想。为学生提供展示自己的机会，发展学生的学习等情感。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　巩固相关知识，渗透理论联系实际的思想。吸引学生参与到课堂讨论中，并将最新的生物学发展结合到课堂的教学中。
要点提示
1．教师要更新观念，根据学生已有的知识（包括有关化学等其他学科知识）和能力，创设交流合作的氛围，为学生知识迁移、创造思维等能力的发展提供时间和空间，不要包办代替和简单灌输。
2．教师在授课前要做好充分的准备。（1）有关生物研究的资料搜集。（2）教学用具，如，在新学期前就要培养花生等豆科植物的幼苗，以备上课用来作为演示实验的材料，增加学生感性认识。再如，提前准备好相关的课件或投影片等。
3．注意有关概念的明确，例如生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。
植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐，进而将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮。动物直接或间接以植物为食物，将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮。这一过程叫做生物体内有机氮的合成。
动植物的遗体、排出物和残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨，这一过程叫做氨化作用。在有氧的条件下，土壤中的氨或铵盐在硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐，这一过程叫做硝化作用。氨化作用和硝化作用产生的无机氮，都能被植物吸收利用。
在氧气不足的条件下，土壤中硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中，这一过程叫做反硝化作用。
大气中的分子态氮还原成氨，这一过程叫做固氮作用。没有固氮作用，大气中的分子态氮就不能被植物吸收利用。地球上固氮作用的途径有三种：生物固氮、工业固氮和高能固氮。据科学家估算，每年生物固氮的总量占地球上固氮总量的90％左右，可见，生物固氮在地球的氮循环中具有十分重要的作用。
4．学生对一些内容易混淆，教师应引起注意。
关于自生固氮微生物的代谢类型。注意提示学生这类生物自生固氮不等于其代谢类型就是自养。关于生物固氮、硝化作用及化能合成作用过程易混淆。
板书设计
生物固氮
生物固氮的概念
固氮微生物的种类：
1．共生固氮微生物
(1)概念
(2)实例：根瘤菌
1)形态特征
2)生理特点：A与豆科植物的关系：互利共生具一定的专一性。Ｂ代谢类型：异养需氧型
（3）根瘤的形成及作用
２．自生固氮微生物
（１）概念
（２）实例：圆褐固氮菌（１形成特征　２作用）　
生物固氮过程简介
生物固氮在自然界氮循环中的重要作用
生物固氮在农业生产中的应用
生物固氮的研究前景生物固氮——大气为植物施肥
生物科学技术是当前最活跃的高新科技之一，已广泛应用于农林牧鱼医药及环保等行业，取得了巨大的经济效益、社会效益和生态效益，具有广阔的发展前景。生物固氮遗传工程是生物科技前沿领域之一，成为许多国家的重点研究课题，受到联合国教科文组织、粮农组织和国际发展计划、环境计划的重点支持，被列为国际农业研究中心的重点课题。
空气主要由氧气和氮气组成，其中氮气约占4/5。在自然界的千万种生物中，有一些生物能够直接吸收空气中的氮素作为养料，它们将分子态氮先还原成氨，再转化为氨基酸和蛋白质。这就叫生物固氮。例如，豆科植物，其根部长有许多小球，它是由根瘤菌共生形成的根瘤，就具有固氮作用；又如稻田中的水生蕨类植物满江红(俗称红萍)，由于叶腔中有固氮鱼腥藻共生而能吸收和利用大气中的氮；以上两种形式称为共生生物固氮。生物固氮的形式除共生生物固氮外，还有自生固氮和联合固氮。目前已发现有固氮能力的微生物有60多属约数百种，包括细菌、放线菌、蓝绿藻等。
俗话说：“庄稼一枝花，全靠肥当家。”氮素是蛋白质的主要成分，因而是植物生长所必须的首要营养元素。植物需要氮肥，犹如人体需要蛋白质一样。但是世界上大多数地区的土壤都缺乏氮素养分，为了获取农作物高产，需要施用大量氮肥。据计算，生产1吨小麦要吸收氮素23公斤。我国每年生产用作氮肥的合成氨约2000多万吨，仍远远不能满足农业生产的需要。更值得注意的是人工合成氮素肥料要料耗费大量能源，不仅成本高，而且污染水源和空气，破坏生态环境，危害人类健康，进口化肥需要巨额资金；长期使用化肥还会破坏土壤结构，使土壤扳结。美国起草《公元2000年全球情况调查报告》的科学家巴尔尼博士尖锐地指出：“石油农业”是一条死胡同。许多发达国已认识到这一点追悔莫及，我们应吸取教训，不应重蹈覆辙。但由前述可知，具有固氮能力的生物，本身就是一座小化肥厂。这个化肥厂的原料来自空气，取之不尽，这种化肥厂不需要厂房和设备，不污染环境；能源则是用之不竭的太阳能。如果让玉米、小麦、水稻等作物都具有固氮能力，不再施用化肥，那就等于建造了许许多多这样的“天然化肥厂”。用它来取代目前的化学肥料工厂，其经济效益、社会效益是十分明显的。这也正是生物固氮遗传工程所要解决的问题和成为热门研究课题的主要原因。?
人类对生物固氮的认识和研究已有100多年的历史，一些固氮微生物先后被发现。但是，早期的研究因限于当时的科技水平，没有很大的进展。本世纪60年代以来，科学家对生物固氮的机理进行了研究。为什么有些微生物有固氮能力，而另一些微生物却没有固氮能力呢 196 6年，美国科学家布伦等从棕色固氮菌和巴氏梭菌中获得了固氮酶制剂，科学家开始认识到固氮微生物所以具有奇特的固氮本领，主要是因为它们的细胞中含有固氮酶。有了固氮酶，在细胞外也能将氮还原成氨。这说明固氮酶是生物固氮的核心。70年代以来，随着基因工程的发展，固氮微生物细胞中遗传固氮能力的核心——固氮基因，已经能够在原核类微生物之间转移。不久前，美国康乃尔大学和法国巴斯德研究所的科学家成功地将肺炎克氏杆菌(原核微生物)的固氮基因转移到酵母菌(真核微生物)中。酵母菌虽然是单细胞微生物，但它更接近于高等植物，因此，这一成功标志着生物固氮的基因工程大大地向前迈了一步。我国华中农业大学的课题组，成功地实现了大豆根瘤菌的基因转移，获得了高效固氮大豆基因工程根瘤菌“HN32”新菌株，在大豆的大面积试验中显示出良好的增产效果。将固氮细菌整体导入植物细胞，使其具有固氮能力的固氮细胞工程也有了很大的发展。近几年来，国内外科学家采用生长素和酶处理方法直接将根瘤菌导入非宿主细胞，以建立共生固氮新体系。1987年，国外科学家应用一种新根瘤菌处理水稻、小麦等7科非豆科作物，均能结瘤固氮。我国科学家应用植物生长素引导根瘤菌进入小麦等作物根部，也形成根瘤并有较低的固氮能力。生物固氮
氮是植物生长所必需的主要营养元素。在农业生产中，氮被视为衡量土壤肥力的一个重要指标，它是农作物获得长期稳定高产的基本条件。氮气占空气体积的78％，每平方米空气柱里就有8吨氮。然而对于绝大多数的生物来说，这些分子态氮是不能被利用的，只有通过工业或生物固定转化成其他化合物，才能进入生物体系统。有些微生物利用自己独特的固氮酶系统．将从光合作用产物或其他碳水化合物得到的电子和能量传递给氮（N2），使其还原成氨，这就是生物固氮。
生物固氮与工业固氮（即氮肥工业）相比，具有成本低、不消耗能源及无环境污染的特点，并在维持全球生态系统氮素平衡中起重要作用。
生物固氮主要包括自生固氮和共生固氮两大类。自生固氮是指有些固氮微生物在土壤或培养基中能够独立地完成固定大气中的分子态氮的作用，其固氮量远远低于共生固氮。共生固氮是指固氮微生物和寄生植物生活在一起，直接从寄生植物获取能源，完成固氮作用。由于其固氮能力强，在农业生产中的意义也最大，常见的如豆科植物的共生固氮，蓝绿藻与红萍的共生固氮等。
工业固氮需要高温（470-520℃）和高压（200－500个大气压）条件，而生物固氮作用可以在常温常压下进行。这是因为固氮微生物细胞中存在着一种特殊的生物催化剂--固氮酶。固氮酶由钢铁蛋白组成，是能量的转化器。它能将传递来的电子传递给N2，生成NH3并放氢。固氮酶是由固氮基因编码控制的。
近20年来，生物固氮研究异常活跃，已成为世界范围的重要课题。纵观当前生物固氮研究的内容，大致有以下三个方面，即固氮资源的有效利用，固氮的遗传工程和化学模拟固氮。
在固氮资源的有效利用方面，许多国家都在大力发展豆科作物，通过其有效的共生固氮体系，增加生物氮源，改善土壤肥力，以促进农业增产。此外，接种根瘤菌提高豆科作物产量已在全世界范围内使用。在稻田里接种和放养红萍和固氮蓝藻，既能增加土壤中生物氮数量，又能提高水稻的产量。这种共生固氮途径的有效利用，在我国和东南亚一些国家已有悠久的历史。
随着分子生物学的进展，固氮的遗传工程受到了广泛重视，已成为目前最活跃的研究领域。遗传工程是用人工方法去改变生物体的遗传特性或者按照人们的意愿去创造新物种。对于固氮微生物来说，固氮基因操纵和调节固氮酶的合成，从而使固氮微生物具有固氮作用。如果将固氮基因进行人工转移，就可能获得具有固氮作用的新物种。有关这方面的研究目前主要在以下几方面进行探索：一是培育新的固氮微生物，以提高固氮效率或赋予非固氮微生物以固氮能力；二是改变根瘤的识别过程或将固氮基因转移到根瘤杆菌中，以使非豆科植物结瘤固氮，扩大固氮作物的范围；三是应用遗传工程培育不依赖固氮微生物的自主固氮的植物。这些研究如能成功，将对农业生产产生深刻的影响。
固氮微生物由于具有固氮酶可以在常温常压下将氮气转变成氨，而工业合成氨却要在高温高压下进行。为了改变这种状况，科学家正寻找像固氮酶那样能在常温下将氮变成氨的催化剂。这就是化学模拟固氮。化学模拟固氮的研究，将为化学氮肥生产提供新型的催化剂，这对现代氮肥工业以及农业生产都具有极其重要的意义。习题精选
生物固氮
一、选择题
1．下列哪项不属于固氮生物（ ）
A．根瘤菌 B．圆褐固氮菌
C．某些蓝藻 D．豆科植物
2．下面对氮循环的说法中正确的一项是（ ）
A．生物的固氮过程就是N2吸收到植物体内被利用了
B．氮素一旦进入生物体内就不会形成N2
C．生物体内的氮主要来源于闪电固氮
D．动物产生的尿素转化成的铵盐可被植物吸收利用
3．在生物固氮过程中，最终电子受体是（ ）
A．N2和乙炔 B．NH3
C．乙烯 D．NADP＋
4．根瘤菌的新陈代谢类型属于（ ）
A．自养需氧型 B．自养厌氧型
C．异养需氧型 D．异养厌氧型
5．圆褐固氮菌除了具有固氮能力外还能（ ）
A．促进植物形成种子
B．促进植物开花
C．促进植物生根
D．促进植物的生长和果实的发育
6．一般地说，固氮能力比较强的根瘤菌是着生在（ ）
A．主根 B．侧根上
C．须根上 D．不定根上
7．从大豆的根瘤中分离出来的根瘤菌，能侵入的根是（ ）
A．菜豆根 B．蚕豆根
C．大豆根 D．红豆根
8．豆科植物根瘤菌的固氮能力最强的时期是（ ）
A．成长时期 B．幼苗时期
C．开花之前 D．开花之后
9．下列各项中与根瘤菌固氮过程无关的是（ ）
A．和 B．ATP
C． D．固氮酶
10．下列关于根瘤菌的论述，错误的是（ ）
A．能侵入任何一种豆科植物
B．能与豆科植物共生
C．属异养型生物
D．属原核生物
11．从土壤中分离自生固氮菌制成临时涂片的步骤是（ ）
A．观察→培养→接种→涂片
B．接种→观察→培养→涂片
C．培养→接种→观察→涂片
D．接种→培养→观察→涂片
12．分离自生固氮菌时，下列各操作中，错误的一项是（ ）
A．使用无氮培养基
B．在37℃恒温箱中培养
C．在28℃至30℃条件下培养
D．无氮培养基应选用没有其他微生物的
二、非选择题
1．固氮微生物的固氮过程是在细胞内 作用下进行的，其固氮反应式为 。土壤获得氮素的两条主要途径：一是 ，二是 。
2．在每年种植大豆的农田改种蚕豆，结果发现蚕豆根部根瘤菌很少，产量也比较低，其原因是 。
3．生物固氮是指固氮微生物将 成氨的过程。自然界中有两类固氮微生物，分别为 （如 ）和 （如 ）。
4．氮是催化光合作用过程中的各种 以及 和 的重要组成成分。
5．全世界工业合成氮肥中的氮只占固氮总量的20％，绝大多数是通过生物固氮进行的，最常见的是生活在豆科植物根部的根瘤菌，它将大气中游离态的氮，经过固氮酶的作用生成氮的化合物，以利于植物的利用，而豆科植物为根瘤菌提供营养物质。
（1）根瘤菌和豆科植物的关系在生物学上称为 。
（2）根瘤菌之所以能发生固氮作用是因为它有独特的固氮酶，而根本原因是它具有独特的 。
（3）日本科学家把固氮基因转移到水稻根际微生物中，通过指导合成固氮所需的 ，进而起到固氮作用，从而降低了水稻需氮量的1/5，减少氮肥的施用量。而更为理想的是直接将固氮基因重组到稻麦等经济作物细胞中，建立“植物小型化肥厂”，让植物本身直接固氮，这样可以免施氮肥。如果这种重组实现的话，那么固氮基因最终实现表达的遗传信息的转移途径是 。
（4）生物固氮和工业固氮合成氨比较，它是在 、 条件下进行的，从而节省了大量的 。
6．下图是自然界中氮循环示意图，依图回答：
（1）大气中的氮主要通过［　　］　　　　进入生物群落，其次通过［　　］　　　　、［　　］　　　　等途径也可以少量供给植物氮素。
（2）图中A物质代表　　　　　　，可被土壤中的微生物分解形成B物质。B物质在土壤　　　　细菌的作用下形成C，C物质代表　　　　　。
（3）B物质转化成C物质的细菌，其新陈代谢的类型属于　　　　　。
（4）　　　　的情况下，一些细菌可将C物质最终转化成　　　　　返回大气中，由此可见，土壤中这些微生物在包括氮循环在内的自然界中的　　　　　中起着重要作用。
（5）目前，全世界每年使用的氮素化肥大约有8107t，这样做对环境可能带来的负面影响是 。据你所学的知识，提出一种既不会影响环境，又能满足农作物对氮素需求的方案或设想： 。
参考答案
一、选择题
1．D 2．D 3．A 4．C 5．D 6．A 7．C 8．C 9．C 10．A 11．D 12．B
二、非选择题
1．固氮酶 生物固氮 施用含氮肥料
2．根瘤菌是有特异性的，不同根瘤菌只和与它有关系的豆科植物发生互利共生关系。
3．大气中的氮还原 共生固氮微生物 根瘤菌 自生固氮微生物 圆褐固氮菌
4．酶 NADP＋ ATP
5．（1）互利共生
（2）固氮基因
（3）固氮酶 固氮基因mRNA固氮酶
（4）常温 常压 器材、设备和能源
6．（1）①生物固氮 ②闪电固氮 ③工业固氮
（2）尿素及动植物遗体 硝化 硝酸盐
（3）自养需氧型
（4）氧气不足 氮气 物质循环
（5）水体的富营养化 将固氮微生物的固氮基因分离出或人工合成后导入农作物中教学重点难点
教学重点：
1．固氮微生物的种类；
2．生物固氮的意义；
教学难点：
生物固氮的基本过程豆科作物固氮的基本过程
豆科作物大多具有生物固氮的能力。如果你从田里拔起一棵大豆植株，便会发现其根土生有很多瘤状的东西，我们称之为根瘤。豆科作物固氮的奥秘就在这里。
1886年德国学者H·赫尔利格尔首先发现豆科作物的根瘤具有同化利用N2的能力，后经进一步研究证实，豆科作物的根瘤确实相当于一个小型的氮肥加工厂，生活在其中的根瘤菌用不着什么人为的高温、高压和催化剂便可轻而易举地利用空气中的N2合成氨。它所固定的氮除了供自身生长需要外，绝大部分分泌到根瘤组织的汁液中，而后转化成作物可利用的含氮有机物供给植物体。这个过程称为生物固氮。
纵观自然界的生物固氮，大致可分为三种方式，即自生固氮、共生固氮和联合固氮，豆科作物根瘤菌的固氮方式属于共生固氮。根瘤菌是一种土壤细菌，其单独生存时并不进行固氮，当遇到豆科作物的根时，它们便通过根毛侵入到根的组织内部，在那里大量繁殖，使被侵染处膨大形成根瘤。根瘤菌侵入的初期，它与作物是寄生被寄生关系，待根瘤长成之后它与作物便成了共生关系。以大豆为例，其成熟植株中全氮的25%一66％来自共生固氮，同时植株又给根瘤菌提供除氮素外的其它营养，互惠互利。根瘤菌的种类很多，并对其所侵染的植物有专一性，例如，豌豆根瘤菌只能在豌豆、蚕豆的根部形成根瘸；苜蓿根瘤菌则只能在紫花苜蓿等作物上形成根瘤。
虽然有些固氮菌本身是好气的，但由于氧气对固氮酶有钝化作用，所以，固氮过程需要在防氧保护条件下进行。由上式可以看出，将一分子N2还原为2分子的NH3需完成8个电子的传递，同时还要伴随高能化合物Mg++ATP的水解。显 然，固氮过程还要消耗大量的能量。豆科作物所固定的氮素至少部分地留在土壤中供下茬作物利用，从而很大程度上缓解了地力的消耗。所以，生产上喜欢种植豆科作物做绿肥。
豆科作物的结瘤量除了受自身的遗传因素影响外，还受很多外界条件的影响；土壤含水量过高或过低，土壤中氧气、磷、钾、钙、钼的缺乏，光合作用不良等都对结瘤有不利影响。另外，土壤含氮量对结瘤也有影响，如大豆等豆科 作物苗期虽也需要一定量的氮肥，但长大以后，如果再供给大量的氮肥反而不利于其发挥根瘤的固氮作用，表现为结瘤少、固氮率低。
据估计，全球的生物固氮作用每年可将1.75亿吨的分子态氮转化为氨，大大超过了全球的工业固氮量。氮肥无疑是作物最重要、投资最多的肥料之一，所以，开发利用生物固氮意义深远。我国从50年代就开始在某些豆科作物(如大豆、花生)上施用根瘤菌剂以促使其多结根瘤。多中来生物固氮一直是重要的研究课题，科学家还设想让小麦、玉米等非豆科作物也能长出固氮的根瘤，从而节省一大笔肥料开支。教法建议
生物固氮是自然界物质循环中的重要生物学过程，它的研究和利用对氮肥生产的改进和农业产量的提高、解决全球性粮食问题有着重要的意义。通过本节的学习，可以使学生了解有关生物固氮原理及其在农业生产实践中的应用，激发学生探索生物科学奥秘的兴趣，为立刻学生的升学和就业打下良好的生物学基础。
生物固氮的概念是本节内容的基础，教学中要清楚明确的交给学生，最好在介绍固氮的三种类型中讲解。有关固氮微生物的种类可以利用下表将两类固氮微生物进行对比：
表：通过比较，了解共生固氮微生物和自生固氮微生物的差别
常见类型 与豆科植物关系 代谢类型 固氮产物 对植物的作用 固氮量
共生固氮微生物 根瘤菌 共生，有专一性 异养需氧型 氨 提供氮素 大
自生固氮微生物 圆褐固氮菌 无 异养需氧型 氨 提供氮素和生长素 小
“生物固氮过程简介”涉及到较多的生物化学反映，这就出现两个问题：一是学生现有知识储备不足，缺乏有关的生物学基础知识；二是大纲规定的教学要求层次的“选学”，教材只做了简要的介绍。因此生物固氮的基本过程有关内容为本节的教学难点。典型例题三
（2000年山西高考题）豆科植物与根瘤菌的互利共生关系主要体现在（ ）
A．豆科植物从根瘤菌获得NH3，根瘤菌从豆科植物获得糖类
B．豆科植物从根瘤菌获得含氮有机物，根瘤菌从豆科植物获得NH3
C．豆科植物从根瘤菌获得氮气，根瘤菌从豆科植物获得有机物
D．豆科植物从根瘤菌获得NO，根瘤菌从豆科植物获得NH3
【解析】：根瘤菌与豆科植物是一种彼此有利、相互依赖的关系，主要体现在：豆科植物通过光合作用制造的有机物，一部分供给根瘤菌；根瘤菌通过生物固氮制造的氨则供给豆科植物。
【答案】：A根瘤菌科
根瘤菌科（Rhizobiaceae）
细菌的1科。它是促使植物异常增生的一类革兰氏染色阴性需氧杆菌。正常细胞以鞭毛运动，无芽孢。可利用多种碳水化合物，并产生相当量的胞外粘液。DNA中的G＋C克分子含量为57～65％。
根瘤菌科是H．J．康思于1936年建立的。经过70年代和80年代初的研究，本科的变化较大，现包括4属10种，但其中的放射土壤杆菌不能引起植物异常增生。
根瘤菌属和慢生根瘤菌属 两属细菌都能从豆科植物根毛侵入根内形成根瘤，并在根瘤内成为分枝的多态细胞，称为类菌体。类菌体在根瘤内不生长繁殖，却能与豆科植物共生固氮，对豆科植物生长有良好作用。这两属细菌的表现性状极相似，只是根瘤菌属的细菌在酵母膏、甘露醇、无机盐琼脂上生长快，3～5天的菌落直径可达2～4毫米；在含碳水化合物的培养基上产酸。慢生根瘤菌属的细菌却与之相反，菌落生长甚慢，5～7天其直径还不足1毫米，在含碳水化合物的培养基上不产酸，反而呈碱性。根瘤菌属是于1889年由B．弗兰克建立的，它包括3种：豌豆根瘤菌、苜蓿根瘤菌和百脉根瘤菌。慢生根瘤菌属是D．C．乔丹于1982年从根瘤菌属中分化出来的，属内暂有一种，即曾经称为大豆根瘤菌的大豆慢生根瘤菌。上述两属细菌时常制成细菌制剂在田间施用，作为作物或牧草增产的一种手段（见固氮微生物）。
土壤杆菌属1942年由H．J．康恩建立。其性状与前述两属的根瘤细菌颇相似，但不能在豆科植物根上形成能共生固氮的根瘤。本属细菌能够通过外伤入侵多种双子叶植物和裸子植物，致使植物细胞转化为异常增生的肿瘤细胞，产生根癌、毛根和杆瘿等病状。土镶杆菌属内各个种诱发根癌的能力与其所特有的Ti质粒有关。本属细菌为土传性植物病原菌。
叶杆菌属 1984年D．H．克内泽尔发表的1属细菌。其表现性状与前述3属相近，特点是在紫金牛科和茜草科中某些热带种的叶片上形成共生叶瘤。细菌在叶瘤内也呈多态，但是否能共生固氮还没能断定。共有两个种：紫金牛叶杆菌和茜草叶杆菌。
现代的分类手段，如DNA碱基组成、DNA同源性、rRNA顺反子相似性、蛋白凝胶电泳、数值分类等结果，都证明土壤杆菌与两属根瘤菌有一定的亲缘关系，也证明将根瘤细菌分为两属是符合客观实际的。rRNA顺反子相似性的研究结果证明叶杆菌属与前3属有一定关系，所以暂归属于根瘤菌科。教学目标
1．知识目标
（1）知道固氮微生物的种类和生物固氮过程。
（2）识记生物固氮的意义。
（3）了解生物固氮在自然界氮循环中的作用及其在农业生产中的应用。
2．能力目标
（1）通过固氮微生物的形态和生理特点、自然界氮循环等内容的教学活动，培养学生的观察能力、分析能力、思维能力
（2）通过生物固氮的意义研讨，培养学生的自学能力、搜集和处理信息能力以及表达能力。
3．情感目标
（1）通过对固氮微生物的形态和生理特点、生物固氮的意义等内容的共同探讨，培养学生科学研究的态度及钻研精神。
（2）通过运用生物固氮原理分析有关农业生产事实中的科学道理，渗透理论联系实际的思想。

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