內生真菌對硝酸鈣脅迫下番茄種子萌發的影響

葉 鑫王 娜牛世偉張 鑫

(遼寧省農業科學院植物營養與環境資源研究所,遼寧 沈陽 110161)

番茄是世界上第二大蔬菜作物[1]。設施栽培增加了淡季番茄供應量,是有效提高單位面積產值的重要生產方式。由于設施栽培化肥投入過量以及缺少自然淋溶等原因致使土壤次生鹽漬化問題日益嚴重[2],特別是硝態氮大量積累,引起土壤酸化,養分失衡,部分營養物質無法被作物吸收,土壤板結,耕層變淺,通氣透水性差,直接危害作物的正常生長[3～5]。設施土壤次生鹽漬化已成為設施蔬菜產業發展的瓶頸,因此解決設施土壤次生鹽漬化問題,已成為當務之急。

人們嘗試了各種治理設施土壤次生鹽漬化問題的途徑,主要包括生物措施、農藝措施和工程措施等,而這些措施耗時較長、成本較高。植物內生菌作為一種微生物資源,它與植物的關系是互惠共生的,植物為內生菌提供能量和營養[6];內生菌及代謝物能促進植物生長發育和提高宿主植物對生物脅迫和非生物脅迫的抵抗能力。沈德龍等研究表明水稻內生成團泛菌(Pantoea agglomerans)YS19 能分泌4 種不同的植物生長激素,它們共同調節水稻生命活動,影響水稻乳熟期光合產物的分布[7]。有研究表明,堿脅迫可使強耐堿禾本科植物小花堿茅幼苗體內88 種代謝物水平顯著變化,但接種叢枝菌根(AM)真菌后只有31 種組分有變化,顯示逆境下AM 可協助宿主穩定體內代謝,提高宿主抗逆性[8]。目前,關于植物內生菌研究主要集中在促進作物生長等方面,而關于提高作物抗逆方面相關研究較少,尤其提高番茄適應次生鹽漬化相關研究甚少。為此,本研究從多年連作的設施番茄植株中分離內生真菌并用發酵液處理番茄種子,在鹽脅迫下進行發芽試驗,以篩選出能促進種子萌發的內生真菌,為提高番茄適應土壤次生鹽漬化和設施生產的可持續發展提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 采集樣品 設施番茄植株和根際土壤樣品采自于多年連作的常規番茄種植區和堿地番茄種植區,將采集的樣品裝入自封袋,并立刻放到冰盒中,迅速帶回實驗室,4 ℃冰箱保存備用。

1.1.2 供試培養基 PDA 土豆液體培養基:土豆洗凈去皮,切成小方塊狀,取土豆塊200 g,加入適量水,加熱,沸騰后繼續煮約30 min,八層紗布過濾。取土豆濾液,葡萄糖20 g,鹽30 g,定容至1 000 ml,pH 自然,分裝滅菌(固體培養基需加1.2%瓊脂粉)[9]。

孟加拉紅液體培養基:蛋白胨5 g,磷酸二氯鉀1 g,硫酸鎂0.5 g,葡萄糖10 g,氯霉素0.1 g,孟加拉紅0.033 g,蒸餾水1 000 ml,加熱沸騰溶解,分裝滅菌(固體培養基需加1.2%瓊脂粉)[9]。

1.2 試驗方法

1.2.1 植株樣品表面消毒 取番茄根、莖、葉樣品,用自來水清洗干凈。用流水沖洗樣品1 h 后,分別稱取根、莖、葉樣品0.1 g,置于5%次氯酸鈉中清洗5 min,用無菌水清洗3 遍,再置于75%乙醇消毒30 s,再用無菌水清洗3 遍,將沖洗根、莖、葉的無菌水涂布于PDA 培養基平板上,置于28 ℃培養箱中暗培養,觀察平板中菌落的生長情況,若無菌落長出,則說明消毒完全[10]。

1.2.2 真菌分離與純化

1.2.2.1 植株內生真菌分離與純化 將消毒后的番茄根、莖、葉樣品放入無菌研缽中,加入少量無菌石英砂和0.9 ml 無菌水。研磨后的混合液用無菌水稀釋10-1至10-6濃度,取0.1 ml 稀釋液均勻涂布于孟加拉紅培養基平板上,28 ℃培養,每個處理3 次重復。采用平板劃線分離法將新長出的菌落轉接到新的孟加拉紅培養基平板上,直至獲得單菌落。菌種可選擇短期斜面保存和長期甘油保存[11]。

1.2.2.2 根際土壤真菌分離與純化 在無菌操作臺中,將少量根際土壤樣品放置于無菌培養皿中,加入1 ml 無菌水攪拌均勻,取0.1 ml 土壤渾濁液用無菌水分別稀釋10-1至10-6濃度,再取0.1 ml 土壤稀釋液均勻涂布于孟加拉紅培養基平板上,28 ℃培養,每個處理3 次重復。采用平板劃線分離法將新長出的菌落轉接到新的孟加拉紅培養基平板上,直至獲得單菌落。

1.2.3 真菌發酵液制備 無菌條件下,將供試菌株分別接種于PDA 液體培養基中,28 ℃,200 r/min 培養5 d,離心取上清,并配置發酵液濃度為1 mmol/L,備用。

1.2.4 硝酸鹽脅迫濃度篩選 選取飽滿、整齊一致的番茄種子在穴盤中育苗。待苗長至4～5 葉齡時,選取生長一致的健壯幼苗,每2 d 分別澆50 ml 的0、15、30、45、60、75、90、120 mmol/L 濃度的Ca(NO3)2,以澆清水為對照。每個處理10 穴,3 次重復,隨機排列。觀察植株長勢情況,15 d 后測定其相關指標。

1.2.5 真菌發酵液篩選 番茄種子用2%次氯酸鈉溶液,浸泡15 min,然后將種子用去離子水清洗干凈,發酵液拌種,對照用同等體積水處理。處理后的種子晾干后,放入裝有兩層濾紙的培養皿中,加入10 ml 的Ca(NO3)2溶液,25 ℃催芽,統計種子發芽數至14 d。

2 結果與分析

2.1 真菌分離情況

從表1 可以看出,從番茄植株的根、莖和葉片中,分離純化出16 株植物內生真菌,其中常規番茄種植區分離出9 株,較堿地番茄種植區多28.6%;從根際土壤中分離純化出54 株真菌,其中常規番茄種植區分離出40 株,是堿地番茄種植區近3 倍。由此可見,常規番茄種植區的植物和土壤樣品中獲得真菌數量均高于堿地番茄種植區,且根際土壤真菌數量多于植物內生真菌數量。

表1 真菌分離情況

2.2 不同濃度硝酸鈣脅迫對番茄生長的影響

2.2.1 不同濃度硝酸鈣脅迫對番茄長勢的影響 從圖1可以看出,15 mmol/L 硝酸鈣脅迫下,番茄植株長勢較好,葉片呈深綠色,而對照植株葉片呈淺綠色。30、45、60 mmol/L 硝酸鈣脅迫下,葉片呈深綠色,但生長相對緩慢。75 mmol/L 硝酸鈣脅迫,部分葉片枯萎,且生長相對緩慢。90、120 mmol/L 硝酸鈣脅迫下,葉片和根系嚴重枯萎,甚至死亡。可見,用高于75 mmol/L 濃度的硝酸鈣脅迫,番茄植株將無法正常生長。

2.2.2 不同濃度硝酸鈣脅迫對番茄生長的影響 從圖2可以看出,用不同濃度硝酸鈣處理番茄植株,硝酸鈣濃度越大,植株生長越緩慢,其中120 mmol/L 硝酸鈣脅迫下,植株明顯受抑制生長,長期脅迫甚至導致植株死亡。而用15 mmol/L 硝酸鈣處理番茄植株后,株高、苗鮮重、苗干較對照低5.10%、10.99%、2.29%,根長、根鮮重、根干較對照低9.57%、24.06%、13.42%,硝酸鈣對番茄植株地上部分影響相對較小,而對地下部分影響相對較大,說明硝酸鈣脅迫使根系受損,進而影響植株養分吸收。75 mmol/L 硝酸鈣脅迫下,株高、苗鮮重、苗干較對照低36.73%、55.39%、38.71%,根長、根鮮重、根干較對照低28.14%、66.87%、52.85%,硝酸鈣其對番茄植株地上部分和地下部分影響均較大,但短期脅迫不會導致植株死亡。因此,可選擇75 mmol/L 硝酸鈣作為番茄植株生長的脅迫環境。

2.3 不同真菌發酵液對硝酸鈣脅迫下番茄種子萌發的影響

從圖3 可以看出,75 mmol/L 硝酸鈣脅迫下,16 種真菌發酵液對番茄種子發芽影響差異較大。與對照相比,DL3、DL12、XN11 促進了番茄種子萌發,發芽率分別高于對照25.73%、29.01%和9.67%,其中DL12 促生效果最好,緩解了鹽堿對種子萌發的抑制作用,而其他真菌發酵液對種子發芽沒有促生作用。

圖1 不同濃度硝酸鈣脅迫下番茄長勢

圖2 不同濃度硝酸鈣脅迫對番茄生長的影響

圖3 不同真菌發酵液對硝酸鈣脅迫下番茄種子萌發的影響

3 討論與結論

植物內生菌已逐步成為生命科學領域的研究熱點,受到國內外專家的關注。已有研究證實,內生菌在植物體內不僅積極地生存著,而且還能產生多種生物學作用。植物—內生菌和諧共生、互利共棲的生命形式,可能是未來生態型農業發展的一條重要思路[12～14]。設施土壤次生鹽漬化現已成為設施蔬菜常見問題。植物內生菌通過調節植株生長發育能力,提高對土壤中營養的吸收,提高植株的抗逆性,不僅能夠增產增收,還可提高肥料利用率,有效降低養分流失對環境的污染。本研究從次生鹽漬化的設施番茄根莖葉和根際土壤中分離真菌,并用發酵液處理番茄,以促進番茄生長,降低鹽堿對番茄的傷害。結果表明,鹽堿脅迫環境下,從植株和根際土壤中獲得的真菌數量較少,其中植物內生真菌分離出16 株,根際土壤真菌分離出54 株。通過不同濃度硝酸鈣脅迫對番茄生長的影響,篩選出75 mmol/L 硝酸鈣為最佳脅迫濃度。在75 mmol/L 硝酸鈣脅迫下,用不同真菌發酵液處理番茄種子,結果發現DL12 內生真菌發酵液可促進番茄種子發芽,緩解鹽脅迫對種植萌發的毒害作用,為設施生產修復土壤次生鹽漬化深入研究奠定基礎。