水稻青立病對植株與土壤重金屬含量及細菌多樣性的影響

周寧寧, 張榮萍, 馬 鵬, 阿什日軌, 馮婷煜, 周 林, 張坷塬, 廖雪環, 阿爾力色

（西南科技大學 生命科學與工程學院，四川 綿陽 621010）

水稻青立病又名旱青立病，是水稻由于受到環境的脅迫，生長和發育不協調，出現穎花退化、穗軸部分或全部脫落、內外穎張開、扭曲、彎嘴、空殼、穗部畸形直立等現象［1-3］。穗期發病導致灌漿不良，嚴重影響水稻產量［4-5］。謝彥等［6］研究認為，砷等重金屬在稻穗上的富集導致水稻中毒，可能是青立病發生的原因之一。美國科學家曾在棉田土上種植水稻，發生了大面積水稻穗部畸形病，原因是稻田在淹水條件下，棉田中砷被還原活化進入水稻植株引發水稻青立病［7］。四川稻區是我國雜交稻主要栽植區之一［8］，2023 年四川省綿陽市發現水稻青立病并嚴重影響當地水稻產量。因此，對該地區水稻青立病發病與未發病的水稻植株及其田塊土壤的重金屬、微生物進行分析，探明水稻青立病土壤與植株重金屬含量及細菌多樣性的影響，進而為厘清該地區水稻青立病發生原因并有效應對水稻青立病提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2022年在四川省綿陽市江油市龍鳳鎮中坪村碩豐水稻種植專業合作社（31° 64′N，104° 74′E）進行，試驗地面積500 m2。當地水稻生長季的氣溫和降水數據采集自試驗場地附近的氣象站，詳見圖1。試驗田土壤為潮土，土壤中有機質含量為2.51%，全氮含量1.87 g/kg，有效磷含量為26.98 mg/kg，有效鉀含量為58.16 mg/kg，pH 6.69。

圖1 試驗區2022年水稻生長季的氣溫和降水量

1.2 試驗材料

以Y 兩優1號為試驗材料，種子由四川省農業科學院提供，審定編號為國審稻2013008，在長江上游作一季中稻種植。

1.3 試驗方法

水稻種植采用濕潤直播方式，人工精量穴直播，播種量為23.5 kg/hm2，播種規格為36 cm×18 cm，每穴3～4 粒，3～4 葉期勻苗，每穴1株。水稻齊穗期，采用對角線法取未發病田塊和發病田塊中0～20 cm 土層土樣，各取樣3個點，每個點取土壤約600 g，土樣混勻后，去除動植物殘體等，裝袋放置于干燥通風處，自然陰干，陰干后將土壤粉碎過篩，測定其重金屬成分和含量以及微生物成分。土壤細菌結構測定，參照參考文獻［9］的細菌微生物測定方法。水稻齊穗后，取未發病和發病植株各9 株，設3 次重復，分別測定單株重、重金屬成分及含量。

1.4 數據統計與分析

辛普森多樣性（Shannon）和香農多樣性（Simpson）指數用于衡量物種多樣性，受樣品群落中物種豐度和物種均勻度的影響。Shannon 指數和Simpson 指數值越大，說明樣品的物種多樣性越高。根據參考文獻［10］中的方法進行相關指數測算。使用Excel 2010對試驗數據整理和計算，SPSS7.0 進行方差分析，Origin 2021作圖。

2 結果與分析

2.1 水稻青立病對水稻干物質積累的影響

由表1可知，齊穗期水稻青立病發病株的穗干物質重比未發病穗顯著減少68.10%，發病株的莖葉干物質重比未發病株顯著增加8.00%。說明青立病嚴重影響水稻穗部干物質積累。

表1 齊穗期青立病發病與未發病水稻的單株干物質重g

2.2 水稻青立病對水稻植株及土壤重金屬的影響

由圖2可知，未發病田塊與發病田塊土層重金屬含量基本上無顯著差異。而發病植株與正常植株的多種重金屬含量差異顯著（表2），與未發病植株穗相比，發病植株穗的鉻含量增加158.80%，鋅含量增加111.70%，砷含量增加2 000.00%，鎘含量增加94.44%；與未發病植株的地上部相比，發病植株地上部的鉻含量增加52.39%，鋅含量增加22.28%，鎘含量增加11.54%。說明青立病的發生可能與穗部砷、鉻和鋅含量高相關。

表2 水稻青立病發病與未發病植株的重金屬含量mg/kg

圖2 水稻青立病發病與未發病田塊的土壤重金屬含量

2.3 水稻青立病對土壤細菌多樣性的影響

由圖3可知，試驗中未發病和發病田塊土壤覆蓋率均為99%，說明測序結果代表了樣本中微生物的真實情況。對于土壤細菌，無論是否發病，其微生物多樣性水平未見明顯變化（圖3），表明土壤中細菌多樣性對水稻青立病發生的影響較小。

圖3 水稻青立病發病與未發病田塊的土壤細菌多樣性指數

2.4 水稻青立病對土壤細菌門相對豐度的影響

由圖4可知，未發病和發病田塊土壤主要的細菌類群為變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteria）、綠彎菌門（Chloro?flexi）、粘球菌門（Myxococcota）、脫磺桿菌門（Desulfobacterota）、擬桿菌門（Bacte?roidota）、芽單胞菌門（Gemmatimonadota）、放線菌門（Actinobacteriota）、硝化螺旋菌門（Nitrospirota）等，10 類菌門占總豐度的95.51%～95.60%。其中優勢細菌門（相對豐度>5%）為變形菌門（23.77%～25.04%）、酸桿菌門（20.39%～21.15%）、綠彎菌門（11.88%～14.63%）、粘球菌門（9.49%～10.44%）、脫磺桿菌門（5.67%～5.83%）、擬桿菌門（5.39%～5.48%）。

圖4 水稻青立病發病與未發病田塊的土壤細菌門相對豐度

與未發病田塊土壤相比，發病田塊土壤的綠彎菌門增加23.09%，放線菌門增加29.75%，硝化螺旋菌門增加17.84%，變形菌門減少5.08%，粘球菌門減少9.12%，芽單胞菌門減少15.89%，其他菌門差異不顯著。說明青立病發生會影響土壤中某些菌群的組成比例。

2.5 水稻青立病對土壤細菌屬相對豐度的影響

由圖5可知，未發病和發病田塊土壤主要的細菌包括厭氧粘桿菌屬（Anaeromyxo?bacter）、厭氧繩菌屬（Anaerolinea）、赭黃嗜鹽囊菌屬（Haliangium）、索利桿菌念珠菌屬（CandidatusSolibacter）共4 個屬。占總豐度的11.56%～12.36%。與未發病田塊土壤相比，發病田塊土壤的厭氧繩菌屬增加17.91%，索利桿菌念珠菌屬增加13.18%，赭黃嗜鹽囊菌屬減少5.11%，厭氧粘桿菌屬差異不顯著。說明青立病發生對土壤細菌的主要菌屬組成無顯著影響，但青立病發生會影響土壤中某些菌群的組成比例。

圖5 水稻青立病發病與未發病田塊的土壤細菌屬相對豐度

3 結論與討論

通過比較未發病與發病田塊的水稻植株重金屬成分、土壤重金屬成分及微生物組成結構發現，與未發病植株穗相比，發病植株穗部鉻增加158.80%，鋅增加111.70%，砷增加2 000.00%，鎘增加94.44%；未發病田塊與發病田塊的土壤細菌優勢菌門組成無顯著差異，但與未發病田塊土壤相比，發病田塊土壤中綠彎菌門（Chloroflexi）、放線菌門（Acti?nobacteriota）、硝化螺旋菌門（Nitrospiro?tae）的相對豐度分別增加23.09%、29.75%、17.84%，變形菌門、粘球菌門、芽單胞菌門的相對豐度分別減少5.08%、9.12%、15.89%，其他菌門的相對豐度差異不顯著。綠彎菌門能參與碳循環增加土壤的有機質含量，放線菌門可促使土壤中的動植物遺骸腐爛，從而提高土壤肥力［11］。硝化螺旋菌門主要作用是將亞硝酸鹽轉變成硝酸鹽，而硝酸鹽是土壤中作物易吸收的氮源形式。因此，土壤中硝化螺旋菌門相對豐度的增加可間接增加土壤氮肥力［12］，推測這可能是發病土壤微生物相對豐度升高的原因［13］。

試驗結果表明，水稻青立病發病與水稻植株穗部重金屬砷、鎘和銅的含量偏高具有一定關系，與前人對美國阿肯色州［14-15］和中國江漢平原、華北平原［3，16-18］水稻青立病發病原因研究的結果一致，即穗部砷等重金屬含量較高是導致水稻青立病發生的主要因素。原因是砷酸鹽轉運和吸收是通過植物磷酸鹽轉運體系進行的［19-20］，當水稻植株的砷含量達到一定濃度時會產生砷毒害作用，影響水稻生長發育。另有研究表明，土壤溫度可能直接影響到有害物質在土壤中的擴散和運輸，促進根系吸收［21-22］，試驗區域2021 年8 月8—27 日的日均溫度為24.2 ℃，而2022年同期的日均溫度為28.0 ℃，水稻分蘗期到孕穗期的高溫可能是水稻青立病發病的重要條件。