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新疆野蘋果葉片內生細菌的分離鑒定及其促生特性

2023-12-29 00:00:00湯蕾秦偉
經濟林研究 2023年4期

摘 要:【目的】找尋有益于新疆野蘋果植株生長發育的優良菌株,為新疆野蘋果葉片微生物資源的研究與利用提供依據?!痉椒ā恳孕陆疤O果葉片為研究對象,利用稀釋分離法分離內生細菌,通過16SrDNA 基因測序和序列比對,對菌株進行分類。通過配制不同功能培養基對內生菌株進行功能鑒定,并進行盆栽試驗,研究其促生特性。【結果】共鑒定出24 株菌株,分屬于2 個屬的6 個種,其中芽孢桿菌屬Bacillus 23 株、賴氨酸芽孢桿菌屬Lysinibacillus 1 株。通過對這24 株菌株進行功能鑒定,篩選出4 株具有解磷作用的菌株及3 株具有分泌IAA 功能的菌株。盆栽促生試驗結果表明,篩選出的優質功能菌株HDM4 和HC2 均具有促進幼苗生長的能力,促生效果較為明顯的是葉綠素含量和維生素C 含量。與對照組相比:經HDM4 菌液處理后葉綠素含量和維生素C 含量分別提高了50.7% 和43.4%;經HC2 菌液處理后葉綠素含量和維生素C 含量分別提高了47.5% 和58.0%;經HDM4 菌液處理后株高和莖直徑分別增加了12.4% 和6.4%;經HC2 菌液處理后株高和莖直徑分別增加了29.5% 和37.2%。【結論】芽孢桿菌屬廣泛分布于新疆野蘋果葉片中。篩選出的內生細菌具解磷或分泌IAA 的能力,并具有促進幼苗生長的能力。

關鍵詞:新疆野蘋果;葉片內生細菌;分離鑒定;促生效果

中圖分類號:S661.1 文獻標志碼:A 文章編號:1003—8981(2023)04—0228—09

新疆野蘋果Malus sieversii 是栽培蘋果的主要砧木之一,是世界蘋果基因庫極為重要的組成部分[1]。近年來,由于自然災害和人為活動的影響,新疆野蘋果分布日益衰退[2],因此,亟待加強新疆野蘋果的保護及提升其對生長環境的適應能力[3]。

植物組織中普遍存在內生菌,并且較多內生菌具有促進植物生長、防治病害及抗逆境等作用[4-5],能夠作為重要的生防資源加以開發利用。前人在水稻、玉米等作物中均獲得了具有生防作用的內生細菌[6]。李芳等[7] 采用組織培養的方法從新疆野蘋果莖段中分離出能夠促進新疆野蘋果生長的內生真菌,該菌株還具有增強新疆野蘋果抗干旱、鹽堿等脅迫的能力,并且不會產生有毒物質。尹坤等[8] 從藥用稻中分離到1 株具有較高的解磷、分泌生長素等能力的細菌,且該菌株對水稻有較好的促進萌發和生長的效果。趙凱鵬[9]經研究發現,鐵皮石斛內生菌可以產生吲哚-3- 乙酸等與植物生長相關的激素,并能促進鐵皮石斛生長,提升其品質。

目前,有關新疆野蘋果的研究報道集中于形態學、細胞學等方面,鮮見對其內生菌的分離、鑒定和應用研究的報道。本研究中采集不同來源和類型新疆野蘋果的健康葉片,采用組織勻漿法進行內生細菌的分離鑒定,并對功能菌株進行篩選和促生效果研究,以期獲得能夠促進植株生長的有益細菌。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 樣 品

新疆野蘋果葉片采自伊犁州農業科學研究所實驗果園以及鞏留縣、新源縣、霍城縣的共9 個生境地。伊犁州農業科學研究所實驗果園(81°38′E,43°93′N)海拔693 m,樣株種下類型包含霍城紅霞果(GB-12)、長柄大黃綠果(GB-13)、晚花野蘋果(GD-3)、小花野蘋果(GD-10)、黃綠野蘋果(GD-12)、效果矮蘋果(GD-14)、紅扁圓果(HDM-11)、小紅扁圓果(HDM-12)、紅紋野蘋果(HDM-21)、短梗野蘋果(XY-39)、圓頭野蘋果(XY-41)、短圓野蘋果(XY-43)、直萼野蘋果(XY-51)、圓錐野蘋果(XY-53)、多棱野蘋果(XY-86)。鞏留縣采樣地為阿勒瑪塞、澆爾塞、經啟克塞3 個地區,分別編號為GL-1、GL-2、GL-3;新源縣采樣地為薩哈、薩哈中、果樹王3 個地區,分別編號為XY-1、XY-2、XY-3;霍城縣采樣地為小西溝、大西溝、大東溝3 個地區,分別編號為HC-1、HC-2、HC-3。各采樣地的地理位置信息見表1。

2022 年8 月采集1 年生枝條上無病害及腐爛發霉狀況的健康葉片,每份樣品采集30 片,保存于4 ℃冰盒中帶回實驗室。

1.1.2 培養基

NA培養基,LB 培養基,Ashby 無氮培養基[10],NBRIP 無機磷培養基[11]。

1.2 方 法

1.2.1 內生細菌的分離與純化

先將樣品用自來水沖洗干凈,再用無菌水沖洗1 ~ 2 min。之后依次用75% 乙醇、5.2% 的次氯酸鈉溶液浸泡,用無菌水漂洗6 ~ 8 次后,使用無菌的紗布蘸干水分,備用[12]。

采用稀釋分離法分離內生細菌。將經表面滅菌的葉片置于無菌研缽中研磨,將研磨液倒入含有少量無菌水的三角瓶中搖勻。采用梯度稀釋法進行稀釋,將不同濃度的研磨液涂布于NA培養基、LB 培養基和Ashby 無氮培養基中,倒置3 ~ 5 d。若有菌落長出,及時分離純化并編號記錄,挑選最后1 次的單個菌落進行斜面保存[13]。

1.2.2 內生細菌的形態學鑒定

將已分離純化的純菌株采用革蘭氏染色法進行染色。在顯微鏡下觀察各菌株的形態,包括形狀、大小、顏色、革蘭氏染色情況等,拍照并記錄其特征,對內生細菌進行初步的形態學分類鑒定[14]。

1.2.3 內生細菌的分子鑒定

使用Ezup 柱式細菌基因組DNA 抽提試劑盒(B518255)提取具有活性且無其他細菌污染的細菌純培養物的DNA。使用微量紫外分光光度計(SMA4000)測定DNA 濃度和純度,使用1.5%的瓊脂糖凝膠進行電泳,分析DNA 的完整性。

使用25 μL PCR 擴增反應體系,包括DNA 聚合酶12.5 μL、引物(F/R) 各1 μL、DNA 模板1 μL、9.5 μL DNase/RNase-free 水。將PCR 產物純化后進行測序,使用Gene Bank 和NCBI 基因庫對測序結果進行BLAST 比較分析,根據相似度對菌株進行鑒定和歸類。使用MEGA7 構建系統發育樹。

1.2.4 內生細菌的篩選

解磷能力測定[15-16]: 取已純化的菌株在NBRIP 無機磷培養基上培養3 ~ 5 d,測量菌落透明的解磷圈直徑(φ P)和菌落直徑(φ C),計算菌株的溶解指數(solubilization index,IS)和溶解效率(solubilization efficiency,ES)。

IS=(φ C+φ P)/φ C;ES=φ P/φ C。

植物生長素IAA 分泌能力測定[17]:取已活化的菌株制備菌液,采用Salkowski 比色法進行比色,用液體培養基代替菌懸液作為空白對照,每個處理3 次重復,測出530 nm 波長下的光密度,計算各菌株的IAA 含量。

1.2.5 內生細菌的生理生化特性測定

分別篩選出具有解磷能力和分泌IAA 能力的菌株進行生理生化特性的測定[14]。

1.2.6 內生細菌的促生能力測定

將野蘋果種子在75% 酒精中浸泡2 min,在3%次氯酸鈉溶液中浸泡3 min,用無菌水沖洗,然后放置在含有相同量營養土的盆中。待幼苗長至20 cm 時,每盆分別根灌50 mL 菌液(600 nm 波長下的光密度為0.6 ~ 0.8)。菌液分別選用解磷能力最強的細菌和分泌IAA 能力最強的細菌,空白對照選用等量的LB 液體培養基,每隔7 d 灌溉1 次。待處理組與對照組植株長勢出現明顯差異時,使用游標卡尺測量莖直徑,使用直尺測量株高,使用葉綠素儀測定葉綠素含量,采用鉬藍比色法測定維生素C 含量。各指標均重復測定3 次,拍照并記錄[18]。

2 結果與分析

2.1 分離的內生細菌

從新疆野蘋果葉片中分離得到24 株內生細菌,各菌株編號見表2。

2.2 內生細菌的形態學特征

自新疆野蘋果葉片中分離得到的內生細菌的表現特征呈現差異性,單個菌落在顏色、大小、形狀、表面隆起情況、邊緣狀況以及質地上存在不同(圖1、表3),經革蘭氏染色均呈現陽性。

2.3 內生細菌的類別

將分離得到的24 株優勢活性內生細菌進行基因組DNA 提取,所提取的基因組DNA 主帶明顯,并能滿足PCR 擴增所需的濃度和純度。擴增產物約為1 480 bp,條帶清晰,擴增效果較好。

通過測序和序列比對,發現24 株細菌菌株分別屬于芽孢桿菌屬Bacillus 和賴氨酸芽孢桿菌屬Lysinibacillus。其中,11 株為短小芽孢桿菌B. pumilus,3 株為萎縮芽孢桿菌B. atrophaeus,2 株為地衣芽孢桿菌B. licheniformis,2 株為枯草芽孢桿菌B. subtilis;1 株為貝萊斯芽孢桿菌B. velezensis,1 株為細長賴氨酸芽孢桿菌L. macroides,還有2 株僅鑒定為芽孢桿菌屬,暫未鑒定出種。部分細菌在不同的種下類型中出現,例如:芽孢桿菌屬中的短小芽孢桿菌在HDM-12、HDM-11、XY-39、GD-3、GD-10、XY-53、XY-51、XY-43、GD-12 以及鞏留地區的樣品中均有分離出; 在HDM-12、HDM-11 和HDM-21 的樣品中均可分離出萎縮芽孢桿菌;存在于霍城地區樣品中的枯草芽孢桿菌也存在于GD-14 和GB-13 樣品中;存在于XY-43 樣品中的地衣芽孢桿菌也存在于GD-3、GD-10、XY-53 以及霍城地區和新源地區等的樣品中。

如圖2 所示, 菌株HDM3、HDM2、GL1、GL3、XY5、XY6、XY1、HDM4、GD4、GL2、GL4、GD3、GD2 與短小芽孢桿菌位于同一發育分枝上,相似率為99.8% ~ 100.0%,結合菌株形態及革蘭氏染色結果,鑒定該菌株為短小芽孢桿菌;菌株HDM5、HDM6、HDM1 與萎縮芽孢桿菌位于同一發育分枝上,相似率均達100%,結合菌株形態及革蘭氏染色結果,鑒定其為萎縮芽孢桿菌;菌株XY2 和XY3 與地衣芽孢桿菌位于同一發育分枝上,且相似率較高,均為100%,結合菌株形態及革蘭氏染色結果,鑒定該菌株為地衣芽孢桿菌;HC1 和HC2 與枯草芽孢桿菌位于同一發育分枝上,且相似率較高,為99.93%、100%,結合菌株形態及革蘭氏染色,鑒定該菌株為枯草芽孢桿菌;XY2 與細長賴氨酸芽孢桿菌位于同一發育分枝上,且相似率高達100%,結合菌株形態及革蘭氏染色結果,鑒定該菌株為細長賴氨酸芽孢桿菌;XY7 與貝萊斯芽孢桿菌位于同一發育分枝上,且相似率達100%,結合菌株形態及革蘭氏染色結果,鑒定該菌株為貝萊斯芽孢桿菌;GD1 和GB1 屬于芽孢桿菌屬。

2.4 篩選內生細菌的功能

2.4.1 解磷能力

從圖3 可知,有4 株內生細菌在無機磷培養基中出現透明解磷圈,分別為HC1、HC2、XY2、HDM6。這4 株內生細菌的解無機磷能力測定結果如表4 所示。

由表4 可知,4 株內生細菌所釋放出的有效磷質量濃度為25.43 ~ 33.82 mg/L,不接菌的CK 為(6.15±0.11) mg/L,其中,HC2 培養液中可溶性磷質量濃度最高,HC1 培養液中可溶性磷質量濃度最低,為(25.43±1.17) mg/L,但高于CK。

通過比較菌株在固體平板和液體培養基中對磷的分解能力,發現4 株內生細菌對磷的分解能力不同。例如,在固體平板上菌株HDM6 的解磷圈比HC2 的稍大,但是兩者在液體培養基中的解磷能力相反,HC2 培養液中可溶性磷質量濃度為(33.82±0.22) mg/L,HDM6 為(25.43±1.17) mg/L。比較內生細菌HDM6 和XY2 的解磷能力可以發現,前者在固體培養基上的解磷圈直徑大于后者,但在液體培養基中后者的解磷能力大于前者。

2.4.2 IAA 分泌能力

在24 株內生細菌中,有3 株具有分泌IAA 的能力,但存在一定差異,結果見圖4。當顏色變粉紅表示能夠分泌IAA,HDM4、XY3、HDM5 這3株細菌均出現不同的紅色,圖4 中顯示顏色變深。由圖5 可知,菌株HDM4 分泌IAA 的能力最強,菌液中IAA 質量濃度達92.47 mg/L。

2.5 內生細菌的生理生化特性

根據功能鑒定結果,將篩選出的7 株優質細菌進行生理生化特性鑒定。由表5 可知,7 株細菌的過氧化氫酶試驗結果均為陽性,且均為好氧細菌,果膠水解試驗結果均為陽性,HC2 的氧化酶試驗結果為陽性。

2.6 內生細菌對新疆野蘋果幼苗的促生能力

當處理組與對照組新疆野蘋果幼苗生長出現明顯差異時(培養30 d 后)進行指標測定。通過觀察幼苗生長情況可知,經菌株HDM4 和HC2 菌懸液處理的幼苗株高、莖直徑、葉綠素含量和維生素C 含量等指標均優于對照組(圖6)。與對照組相比,促生效果較為明顯的是葉綠素含量和維生素C 含量,經HDM4 菌液處理后葉綠素含量和維生素C 含量分別提高了50.7% 和43.4%;經HC2 菌液處理后葉綠素含量和維生素C 含量分別提高了47.5% 和58.0%。

3 結論與討論

通過觀察菌落形態等性狀共計從新疆野蘋果葉片中分離出24 株內生細菌,再結合16S rDNA序列分析,鑒定出菌株主要為芽孢桿菌屬和賴氨酸芽孢桿菌屬,其中包含了6 個種:短小芽孢桿菌、萎縮芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、貝萊斯芽孢桿菌、細長賴氨酸芽孢桿菌。表明新疆野蘋果葉片中蘊藏著獨有的可培養的內生細菌。從篩選出的具有解磷和分泌IAA 能力的菌株中,分別篩選出2 株細菌HDM4 和HC2 進行幼苗盆栽的促生試驗,結果表明,與對照相比,經菌懸液處理,幼苗的葉綠素和維生素C 含量的變化最明顯。經HDM4 菌液處理后葉綠素含量和維生素C 含量分別提高了50.7% 和43.4%;經HC2菌液處理后葉綠素含量和維生素C 含量分別提高了47.5% 和58.0%。因此,HDM4 和HC2 可以促進新疆野蘋果幼苗生物量的積累,促進幼苗的生長,將其制成微生物肥料,不僅可以為植物提供有效的營養物質,促進植物生長,還可以減少農藥和化肥的使用量,改善環境。

內生細菌廣泛分布在植物中,從植物的葉鞘、種子、花、莖、葉片和根等組織中均已分離到內生細菌[19]。內生細菌在植物應對脅迫以及植物體生長發育的過程中發揮著重要作用。內生細菌是篩選和開發具有植物促生和病害防控作用的微生物菌劑的重要來源。近年來,有關新疆野蘋果內生細菌的研究正在逐步開展,新疆野蘋果內生細菌的研究材料主要為枝條和根系,有關新疆野蘋果葉片內生細菌的研究鮮有報道。李永麗等[20] 從新疆野蘋果枝條中分離出枯草芽孢桿菌、貝萊斯芽孢桿菌和解淀粉芽孢桿菌,本研究從葉片中分離出枯草芽孢桿菌和貝萊斯芽孢桿菌,但未見解淀粉芽孢桿菌,推測是因為材料類型不同,或者對葉片進行預處理時未滿足解淀粉芽孢桿菌需要的培養環境。

菌株在生長繁殖過程中,可能是將難解磷轉為有效磷,也可能是大量吸收了其他菌株分解出來的有效磷,因此,發酵液中有效磷含量不能完全反映解磷能力。同時,有些具有解磷能力的菌株為了有利于自身的生長繁殖,會消耗許多有效磷,從而導致有效磷濃度下降[15]。因此,有些細菌的解磷圈較其他細菌的大,而發酵液中有效磷濃度并不高。

當植物自身合成IAA 的能力受到抑制時,外源IAA 能夠有效促進植物幼苗的伸長生長,并降低幼苗細胞膜的透性,增強植物對不良環境的適應能力,同時,IAA 與植物的抗寒能力、抗病能力息息相關。劉娟娟等[21] 從蘋果組織中篩選出具有分泌IAA、解磷等功能的內生細菌,并且這類內生細菌對幼苗均具有促生作用。也有研究結果表明,具有較強的分泌IAA 能力的菌株可以有效分泌大量IAA,從而促進植物細胞的生長和分裂,促進植物吸收營養物質,同時促進葉綠素的合成,增加光合作用的強度,使幼苗生物量增加[22]。本研究結果也證實具有此類功能的菌株能夠促進植物的生長。

王家艷等[23] 利用內生貝萊斯芽孢桿菌防治獼猴桃采后的軟腐病,發現該菌株能夠顯著減緩果實軟化和降低水分散失速率,從而達到防治軟腐病和保鮮的效果。許多內生芽孢桿菌不但具有防病作用,而且具有促進植物生長等多種功能。敖遠等[24] 將枯草芽孢桿菌回接至番茄幼苗上,發現該菌株對番茄幼苗的生長有極大的促進作用。本研究中篩選出的HC2 為枯草芽孢桿菌,對新疆野蘋果幼苗具有促生作用,與其研究結果一致。

下一步將研究促生細菌促進新疆野蘋果幼苗生長的機制。另外,在不同生長時期或不同感染時長條件下,促生細菌對幼苗的促生作用也有待研究。

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[ 本文編校:聞 麗]

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