芽孢桿菌與殼寡糖混施對基質環境和黃瓜幼苗生長的影響

胡蒙愛,張雪艷

(寧夏大學 農學院,銀川 750021 )

近年來,中國蔬菜產量大幅提升[1],其中蔬菜移栽苗年需求達6000億～7300億株,培育優質蔬菜商品苗已成為影響中國蔬菜產業發展的重要因素[2]。蔬菜產業的發展不僅要追求產量上的增長,現階段更需注重品質提升。“壯苗五成收,孬苗五成丟”,培育壯苗有益于蔬菜后期的生產管理,增強其對逆境的應對能力,減少生產材料的浪費。有研究表明生物源的添加物對植物生長起到促進作用,殼寡糖與芽孢桿菌均為綠色安全,且在促進作物生長方面均可發揮顯著效果的生物制劑,研究其對黃瓜幼苗的壯苗促生效果有助于提升設施黃瓜幼苗綠色生產進程。

殼寡糖[Chitooligosaccharide(COS)]是一種具有植物激發子效應的天然產物,可調控植物生長發育[3]。據報道,殼寡糖具有顯著的抗菌、抗病毒及促進植物生長的能力[4]。已有研究表明,殼寡糖可以促進青蒿素的生物合成,增強幼苗活力,提升大田作物產量[5]。施加外源殼寡糖可增強作物光合能力、提高葉綠素含量,促進作物生長[6-7]。1μg·mL-1殼寡糖可以顯著促進小麥根、苗和胚芽鞘的生長發育[8]。石欣隆等[9]發現殼寡糖通過增加根系直徑的生長,增加生物量的累積 。殼寡糖處理7d后,小麥幼苗可溶性糖、可溶性蛋白和葉綠素含量分別提高59.4%、22.0%和20.3%,且小麥幼苗的凈光合速率、Fv/F0和qP值分別提高11.0%、18.6%和14.7%[10]。外源施加殼寡糖對農作物的促生效果顯著。

研究表明植物根際存在可以促進植物生長的細菌(PGPR),不同的根際促生菌通過直接或間接機制促進作物生長[11]。PGPR可以通過分泌生長素、ACC脫氨酶、細胞分裂素、赤霉素、固氮、解磷作用促進作物生長。解淀粉芽孢桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)是一種于土壤中分離出來的生防菌劑[12]。常用于改變土壤微生物群落結構和功能,富集有益物種,改善基質環境,增加基質養分,促進農作物生長發育,已廣泛用于辣椒、西瓜、小麥等作物[13]。據報道,解淀粉芽孢桿菌可以通過分泌吲哚乙酸(IAA) 、固氮、解磷、解鉀改善土壤中的有效養分以及調節根際微生物群,促進作物生長[14]。有研究表明,解淀粉芽孢桿菌FH-1對黃瓜幼苗根際細菌群落有顯著影響,增加變形菌門,減少酸桿菌門,促進了黃瓜幼苗的生長[15]。已有研究表明解淀粉芽孢桿菌在番茄、小麥等植物有促生效果[16]。比如西姆芽孢桿菌處理較對照番茄株高增加14.66%～15.68%,地上部鮮質量增加34.5%～65.09%,根部鮮質量增加75.3%～92.48%[17]。殼寡糖與解淀粉芽孢桿菌對作物均有促生效果,但殼寡糖在基質養分改善方面未有顯著效果,解淀粉芽孢桿菌可顯著改善基質養分,兩者結合后的促生效果是否可以得到進一步的提升有待研究。

本試驗殼寡糖與解淀粉芽孢桿菌濃度經預試驗篩選而得。前期試驗表明,500mg·L-1殼寡糖與107cfu·mL-1解淀粉芽孢桿菌分別施對黃瓜幼苗促生效果最優的處理。本研究以清水灌根為對照(CK),探究殼寡糖與解淀粉芽孢桿菌復合處理相較于單一殼寡糖處理及單一解淀粉芽孢桿菌處理對黃瓜幼苗的促生效果是否得到提升。通過系統分析不同處理的基質養分特性、黃瓜幼苗長勢、光合特性、根系發育的變化,探究殼寡糖與解淀粉芽孢桿菌混配的引入對黃瓜幼苗生長的 影響,提供黃瓜幼苗綠色高效生產新思路新 技術。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及方法

試驗于2021年6月20日—7月20日在寧夏大學農科實訓基地玻璃溫室內進行。以寧夏天緣種苗有限公司生產的一葉一心‘德爾LD-1’黃瓜幼苗為試驗材料。試驗幼苗于72穴盤內培養,基質配比為國產基質∶進口草炭∶珍珠巖∶蛭石=6∶1∶1∶1(體積比)。以清水灌根為對照(CK),設置500倍殼寡糖灌根(T1)、107cfu·mL-1解淀粉芽孢桿菌XY-13灌根(T2)、500倍殼寡糖與107cfu·mL-1解淀粉芽孢桿菌XY-13混配灌根(T3),每個處理3次重復,每個處理10株幼苗。各處理按照每穴15 mL灌根,灌溉3次,在試驗的1、10、20 d進行,期間不再施加任何肥料。殼寡糖由黑龍江八一農墾大學提供,解淀粉芽孢桿菌XY-13于寧夏大學科技樓微生物實驗室自行培養,菌劑促生特性見表1。

表1 XY-13的促生特性測試結果Table 1 Test results of growth-promoting characteristics of XY-13

表2 各處理對基質養分特性的影響Table 2 Effects of different treatments on nutrient characteristics of substrate

1.2 取樣及測定方法

1.2.1 基質樣品測定及干樣的養分含量 7月20日隨機選取50 g基質樣品,風干后過1 mm篩,用于測定基質養分。pH采用pH計測定,電導率(EC)值采用電導率儀測定;總氮(TN)含量采用H2SO4-H2O2硝化-半微量凱氏定氮法測定[18];有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定;速效氮含量采用堿解擴散法測定;速效磷含量采用0.5 mol·L-1的NaHCO3浸提,鉬銻抗比色法測定;速效鉀含量采用1.0 mol·L-1醋酸銨浸提,火焰光度法測定[19]。

1.2.2 黃瓜植株長勢測定 分別在6月20日、6月30日、7月20日隨機選10株長勢均一的代表性植株,測定植株莖粗、株高、葉綠素、光合指標。葉綠素含量采用SPAD-502葉綠素儀測定。計算幼苗壯苗指數,計算公式為:

壯苗指數=(莖粗/株高+地下部干質量/地上部干質量)×全株干質量

分別計算株高相對生長率(RGH-PH)和莖粗相對生長率(RGH-SV),葉片數相對生長率(RGH-LN)、壯苗指數公式如下[20]。

RGR-PH=[In(h2)-In (h1)]/(t2-t1)

(1)

RGR-SV=[In(d2d2h2)-In (d1d1h1)]/(t2-t1)

(2)

RGR-LN=[L(n2)-L(n1)]/(t2-t1)

(3)

其中,h1、h2代表兩次測量的株高,d1、d2代表兩次測量的莖直徑,n1、n2代表兩次測量的葉片數,t1、t2代表兩次取樣時間。

1.2.3 植株生物量測定 7月20日取代表性植株6株。用電子天平稱量地上部與地下部鮮質量,將植株在105 ℃下殺青30 min后80 ℃烘干至恒量,分別測定地上部干質量與根干質量。

1.3 數據分析

所有數據重復3次,采用Excel 2019和SPASS 20.0軟件對試驗數據進行統計與分析。采用單因素ANOVA在P<0.05水平進行顯著性分析,利用隸屬函數對基質理化特性和植株生長指標進行綜合評價,使用 Origin 2018軟件制作數據圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對基質養分特性的影響

如表1所示,各處理速效磷含量無顯著差異,殼寡糖和解淀粉芽孢桿菌單一和復合施用相對CK對基質養分均有一定的增加效果,且復合效果優于單一施用。相比CK,其他處理顯著增加有機質、速效氮、pH和EC,且促進效果順序分別為T3、T2和T1。相比CK,T3基質有機質、全氮、速效氮、EC顯著提高了77.3%、31.6%、 394.8%、121.1%,且上述養分指標T3顯著高于T1和T2處理。

2.2 不同處理對黃瓜植株長勢的影響

如圖1所示,株高、莖粗相對生長率、葉綠素含量、壯苗指數均呈CK

不同字母表示差異顯著(P<0.05),下同

如圖2所示,地上部干鮮質量及地下部干鮮質量均呈現CK

圖2 不同處理對黃瓜幼苗生物量累積的影響Fig.2 Effects of different treatments on biomass accumulation of cucumber seedlings

2.3 不同處理對黃瓜幼苗根系發育的影響

如表3所示,T1、T2、T3處理根長、根表面積、根體積、根直徑均顯著高于CK。T2處理根長顯著高于CK、T1處理48.7%、16.5%。T1、T2、T3處理間根表面積無顯著差異但顯著高于CK。T3根體積顯著高于CK、T1、T2處理 276.9%、100.3%、25.8%。T1、T2處理間根直徑無顯著差異,相較CK、T1、T2處理,T3處理根直徑顯著增加了52.4%、30%、27%。

表3 不同處理對黃瓜幼苗根系生長特性的影響Table 3 Effects of different treatments on root growth characteristics of cucumber seedlings

2.4 不同處理對黃瓜光合指標的影響

如表4所示, T3的各項光合指標均為最高。T2、T3蒸騰速率顯著高于CK、T1,CK與T1之間的蒸騰速率無顯著差異;凈光合速率T3> T2>T1>CK,且各處理間均存在顯著性差異,相對CK、T1、T2處理,T3凈光合速率顯著提高 136.2%、80.6%、35.3%。各處理間的胞間CO2濃度無顯著性差異。T2、T3的氣孔導度顯著高于CK 177.1%、200.2%。

2.5 相關性分析與主成分分析

相關分析結果表明, 基質養分對黃瓜幼苗光合指標影響顯著(表5)。基質養分各指標與凈光合速率均存在顯著正相關相關關系,各養分與胞間CO2濃度均無顯著相關。速效鉀與蒸騰速率、胞間CO2濃度、氣孔導度無相關關系,其他養分指標與蒸騰速率、氣孔導度均存在顯著正相關 關系。

表5 基質養分與黃瓜光合指標相關性Table 5 Correlation between substrate nutrients and photosynthetic index of cucumber

黃瓜幼苗光合指標與長勢存在顯著相關關系(表6)。蒸騰速率、凈光合速率與長勢各指標均存在顯著正相關關系,氣孔導度與除比根長外的其他長勢指標存在極顯著正相關關系。

表6 黃瓜幼苗光合特性與長勢相關性Table 6 Correlation between photosynthetic characteristics and growth potential of cucumber seedlings

由于單一指標不能合理、科學地反應不同處理對黃瓜幼苗生長的影響,因此采用主成分分析方法對所有指標進行綜合評價。由表7可知,以特征值大于1為標準,共提取了3個有效主成分,累計貢獻率為100%。其中, PC1的解釋方差為83.61%,除胞間二氧化碳和速效磷指標外其他指標均為具有較大載荷值的性狀;PC2的解釋方差為8.70%,具有較大載荷值的性狀是速效磷指標;PC3的解釋方差為7.69%,具有較大載荷值的性狀是根長和胞間CO2濃度。根據表8不同處理隸屬函數綜合評價值及排序可知,T3處理為促進黃瓜幼苗生長的最佳處理。

表7 主成分的特征值與方差貢獻率Table 7 Eigenvalues and rate variance contributions of principal components

3 討 論

殼寡糖作為一種安全綠色的外源促生物質在農業領域已廣泛應用,多用于促進種子萌發、促進植物生長、改善果實品質等[21]。但殼寡糖在改善基質養分,促進根系發育等方面鮮有報道。解淀粉芽孢桿菌在改善作物根際微生物群落,促進作物生長方面作用顯著[22]。本試驗探究殼寡糖和解淀粉芽孢桿菌復合對基質養分提升、作物生長的影響,對培育黃瓜壯苗具有重要意義。

本試驗單一殼寡糖處理顯著增加基質中有機質、速效氮及EC,降低基質pH。這與雷菲等[23]的研究結果相近。單一殼寡糖處理可以提升葉綠素含量,同時提升作物的光合作用,這與COS誘導的葉綠體直徑增加和葉綠體中基因表達的調節有關[24]。有研究表明COS處理的水稻幼苗比未處理的地上部和根鮮質量分別增加了8.2%和 9.8%,COS處理后的根活力高于未處理的根活力[7]。本試驗單一施用殼寡糖同樣顯著提升黃瓜幼苗生物量的累積、促進其根系發育。

解淀粉芽孢桿菌與黃瓜分泌物存在互作作用,可在黃瓜根際定殖[25],占據根部有利生態位點,促進幼苗生長提供了有利條件。單一解淀粉芽孢桿菌處理顯著提升了速效氮、全氮、EC、有機質等指標,這與其本身具有的固氮能力和ACC脫氨酶活性有關。有研究表明解淀粉芽孢桿菌可通過溶解磷酸鹽、生物固氮等提高植物根際養分的可利用性,直接促進作物生長[26]。接種固氮、溶磷菌株可以增加土壤中速效氮、磷、鉀的含量,促進作物的生長[27]。王琪媛等[28]發現含有ACC脫氨酶的根際細菌能促進植株生長。鄭嬌莉等[29]發現,芽孢桿菌OC-4與OC-5能高效降解餌料浸出液培養基中的有機質和氨氮,培養3 d后COD降解率可達到85%以上,OD-1、OD-2對有機質的降解速率和降解效率最高,這可能與其具備多種類胞外酶分泌能力有關。楊淑娜等[30]研究發現,施用8%濃度芽孢桿菌菌肥后土壤有機質含量顯著提高。芽孢桿菌菌肥濃度越高,土壤有機質含量越高,根系質量也增加,可能是由于菌肥本身富含有機質,在一定范圍內施用量越大土壤肥力越高。

在長勢及光合作用方面,解淀粉芽孢桿菌也表現出顯著的促進作用。這可能與解淀粉芽孢桿菌可以分泌生長素、細胞分裂素、脫落酸、赤霉素和亞精胺等生長因子有關[11]。喬俊卿等[31]發現使用B1619菌液可以通過提高番茄葉片的蒸騰速率、光合速率等來促進光合作用達到促進效果。張德珍等[32]發現稀釋的JF-1發酵液可以顯著提高黃瓜幼苗的壯苗指數,有效增加黃瓜幼苗的側根數、葉面積和葉綠素含量。依據相關性分析可知,基質養分與光合作用顯著相關,而光合作用又與黃瓜幼苗長勢緊密相關。基質養分的改善加強光合作用,光合作用的加強又促進黃瓜幼苗生物量的積累,促進黃瓜幼苗的生長。總體來說,單一菌劑處理對黃瓜幼苗的促生效果顯著優于單一殼寡糖處理。

殼寡糖和解淀粉芽孢桿菌混配處理的黃瓜幼苗壯苗指數、生物量累積、凈光合作用等指標均優于單一處理,且顯著高于CK 91.3%、101%、 136.2%。這可能與解淀粉芽孢桿菌和殼寡糖之間的相互作用有關。一方面是因為,解淀粉芽孢桿菌能分泌殼聚糖酶,形成生物活性更高的殼寡糖[33],增強殼寡糖生物活性;另一方面是因為,基質添加殼聚糖對根際細菌具有定向調控作用,可顯著改善根際基質的細菌群落結構,促進優勢細菌群的保留與增殖,有助于解淀粉芽孢桿菌XY-13定殖于黃瓜幼苗根系,促進基質養分活化與作物根系發育[34]。基于殼寡糖與解淀粉芽孢桿菌原本的促生特性,二者混施進一步激發其對黃瓜幼苗的促生潛力,促生效果較單一施用更優。

4 結 論

殼寡糖與解淀粉芽孢桿菌均能促進黃瓜幼苗生長,且顯著增加基質有機質、全氮、速效氮含量,并降低基質EC值,其中解淀粉芽孢桿菌增加基質養分和植株生長效果由于殼寡糖處理;解淀粉芽孢桿菌和殼寡糖復配組合顯著優于單一處理,對改善幼苗基質養分、促進黃瓜幼苗地上部生長和根系發育效果顯著。