Azospirillum loài vi khuẩn Gram âm được phân lập và định danh khi chúng sống cộng sinh với một số loài thực vật như lúa, lúa mì, lúa miến, bắp và một số loài thực vật không thuộc họ hòa bản (Baldani et al., 1997). Vi khuẩn Azospirillum đã được mô tả bởi Tarrand et al. (1978) và bước đầu các nhà khoa học đã phân lập và định danh được hai loài Azospirillum là loài A. brasilense và A. lipoferum.
Các nghiên cứu ban đầu về di truyền học, sinh học phân tử, sinh lý học và hóa sinh của loài vi khuẩn cố định đạm A. brasilense và A. lipoferum đã được nghiên cứu bởi Döbereiner và Pedrosa (1987) và được nghiên cứu lại bởi Elmerich et al. (1992). Những thông tin nghiên cứu về vi khuẩn giống
Azospirillum có chức năng chuyển hóa carbon và năng lượng đã được nghiên cứu và báo cáo bởi Hartmann và Zimmer (1994). Các cấu trúc bộ gen của năm loài thuộc giống Azospirillum đã được phân lập và định danh sau này là A. brasilense, A. lipoferum, A. irakense, A. amazonense và A. halopraeferens là rất phức tạp. Cấu trúc bộ gen của chúng hiển thị rất nhiều vùng gen chứa nhiều nhiễm sắc thể có dạng hình tròn (Caballero-Mellado et al., 1999; Martin- Didonet et al., 2000). Các cấu trúc gen của enzyme nitrogenase nằm trên vùng gen lớn nhất của giống Azospirillum kể cả các dòng vi khuẩn thuộc loài A. brasilense Sp7 và A. brasilense FP2 (Martin-Didonet et al., 2000).
Loài vi khuẩn A. brasilense Sp7 là một trong số năm vi khuẩn được mô tả chi tiết trong việc định danh và giải trình tự gen nif (Elmerich et al., 1997; Potrich et al., 2001). Ngân hàng gen đầu tiên của dòng A. brasilense Sp7 đã được nghiên cứu và xây dựng (Quiviger et al., 1982). Một thể thực khuẩn tái tổ hợp từ một mảnh của EcoRI có kích thước 6,7kb gọi là AbRI đã được phân lập bằng cách lai với mẫu dò gen nifHDK của vi khuẩn Klebsiella pneumoniae. Song song đó, các gen khác cũng tham gia vào việc cố định đạm chẳng hạn như những gen nifE, nifUS và fixABC được nhận diện trong vùng ADN có kích thước 20kb tiếp giáp với gen nifHDK bởi mẫu dò đã được đột biến và lai với Tn5 (Galimand et al., 1989).
Các số liệu khoa học nghiên cứu về các gen cố định đạm sinh học cho đến nay khẳng định hầu hết các gen tham gia vào quá trình cố định đạm đều nằm trong vùng ADN có kích thước khoảng 40kb và có ba nhóm gen tổ chức tại vùng gen cấu trúc là: (i) nifHDK orf1 nifY; (ii) nifENX orf3 orf5 fdxA
37
và Schrank, 1998; Potrich et al., 2001). Cấu trúc gen nif của vi khuẩn A. amazonense thì tương tự như loài vi khuẩn A. brasilense (Potrich et al., 2001).
Các cụm gen cấu trúc draT/draG là vùng có những gen liên quan đến việc kiểm soát các hoạt động của enzyme cố định đạm nitrogenase. Enzyme nitrogenase này đã được tìm thấy ở vùng phiên mã của cụm gen cấu trúc nifH (Zhang et al., 1997). Tương tự, một gen cũng được tìm thấy ở vi khuẩn loài
Azospirillum lipoferum (Fu et al., 1990). Một cụm gen orf thứ ba được tìm thấy ở cuối vùng draTG của hai loài vi khuẩn A. lipoferum và A. brasilense
(Inoue et al., 1996; Ma và Li, 1997; Zhang et al., 1997).
Cố định đạm sinh học rất phổ biến ở vi khuẩn lẫn vi khuẩn cổ (Postgate, 1988; Fay, 1992; Young, 1992). Có rất nhiều thông tin liên quan đến quá trình này, xuất phát từ những nghiên cứu về vi khuẩn nội sinh sống tự do Klebsiella pneumoniae. Nhưng trong những năm qua có rất nhiều gen cố định đạm (nif) được xác định, tách dòng, giải trình tự và phân tích ở nhiều vi khuẩn sống cộng sinh với cỏ và vi khuẩn nội sinh dẫn đến giả thuyết là các đặc điểm cơ bản của việc cố định đạm rất được bảo tồn. Enzyme nitrogenase chịu trách nhiệm cho việc cố định đạm cho thấy mức độ bảo tồn cao về cấu trúc, chức năng và chuỗi acid amin qua nhiều vùng phân bố huyết thống (Dean và Jacobson, 1992). Phức hợp Mo-nitrogenase gồm hai thành phần: thành phần thứ 1 (còn gọi là dinitrogenase hay protein Fe-Mo); một cấu trúc tứ phân 22
được ghi mã bởi gen nifD và gen nifK; thành phần thứ 2 (dinitrogenase hay protein Fe) là một cấu trúc tương đồng được ghi mã bởi gen nifH. Mặc dù có nhiều thông tin chi tiết sẵn có từ nhiều vi sinh vật nhưng người ta ít biết về nguồn gốc và tiến hóa của các gen nif và về cơ chế phân tử có liên quan đến sự định hướng con đường này. Các dữ liệu có sẵn đề cập đến phạm vi nifU điều biến được bảo tồn cao một protein có liên quan đến sự vận động của phức hợp sắt và lưu huỳnh đặc hiệu ở enzyme nitrogenase (Zheng et al., 1998).