桔黃假單胞菌JD37與LaCl3聯(lián)用對(duì)菠菜生長(zhǎng)和土壤生物活性的作用

趙磊，李頌碩，金清，卞雪坤，包星星，肖明

(上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院植物種質(zhì)資源開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200234)

桔黃假單胞菌JD37與LaCl3聯(lián)用對(duì)菠菜生長(zhǎng)和土壤生物活性的作用

趙磊，李頌碩，金清，卞雪坤，包星星，肖明

(上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院植物種質(zhì)資源開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200234)

為了探討根際促生菌與稀土元素聯(lián)用對(duì)作物生長(zhǎng)和土壤改良的影響，采用盆栽實(shí)驗(yàn)研究了一株兼具植物促生和生物防治作用的桔黃假單胞菌JD37與常見的農(nóng)用稀土元素LaCl3聯(lián)合處理對(duì)菠菜生長(zhǎng)和土壤生物活性的效果.結(jié)果表明：聯(lián)合處理顯著促進(jìn)了菠菜的生長(zhǎng)，增強(qiáng)菌體在菠菜根際土壤和菠菜根內(nèi)的定殖能力.同時(shí)土壤脲酶、纖維素酶、蔗糖酶與過氧化氫酶活性都有提高.聯(lián)合處理顯著提高菠菜總?cè)~綠素含量，比單獨(dú)接種JD37或澆灌LaCl3分別提高了7.06%和3.80%.土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量與單獨(dú)接種JD37或澆灌LaCl3相比也有顯著上升.上述結(jié)論表明稀土元素在復(fù)合微生物肥料的生產(chǎn)與研制中具有較大應(yīng)用潛力.

桔黃假單胞菌；LaCl3；促生；定殖；土壤生物活性

0 引言

化肥的施用是保障農(nóng)業(yè)收成的一個(gè)重要手段.然而，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中化肥的過量使用會(huì)導(dǎo)致土壤退化和土壤板結(jié)問題的日益嚴(yán)重［1］.究其原因在于化肥中高含量的硝態(tài)氮容易與土壤中陽(yáng)離子結(jié)合形成螯合物，破壞土壤本身團(tuán)粒結(jié)構(gòu).植物根際促生菌(Plant Growth-Promoting Rhizobacteria，PGPR)是一類能夠自由生活在土壤或者定殖于植物根際的有益菌類［2］，它能通過分泌鐵載體提供植物生長(zhǎng)所需的鐵元素［3］，同時(shí)合成ACC脫氨酶調(diào)控植物乙烯水平［4］，并通過產(chǎn)生抗生素類物質(zhì)抑制多種植物病原菌，直接或間接地促進(jìn)植物生長(zhǎng).

桔黃假單胞菌JD37(Pseudomonas aurantiacaJD37)是本實(shí)驗(yàn)室自行篩選得到的一株P(guān)GPR菌株(菌種保藏號(hào)CGMCC No.1.10967)，研究發(fā)現(xiàn)，它對(duì)多種植物病原菌有廣譜抗性［5］，還能促進(jìn)玉米、番茄等植物的生長(zhǎng)［6］，同時(shí)具有溶磷性和產(chǎn)生吩嗪-1-羧酸(PCA)、硝吡咯菌素(Prn)［7］、植物生長(zhǎng)素IAA和鐵載體的能力［8］.因此，JD37菌株具備開發(fā)成為微生物肥料的潛力.

稀土是元素周期表中15個(gè)“鑭系”元素和與“鑭系”元素化學(xué)性質(zhì)相似的鈧、釔等17個(gè)元素的總稱.稀土是一種具有生物活性的物質(zhì)［9］，適當(dāng)濃度的稀土可以作為一種高效微肥，對(duì)植物的生理功能、生長(zhǎng)及作物品質(zhì)等方面都具有良好的促進(jìn)作用，但是，稀土微肥對(duì)土壤生態(tài)活性的影響尚不明確.如何將稀土元素作為肥料高效應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中［10］，并對(duì)土壤生物活性產(chǎn)生積極作用已經(jīng)成為近年來研究的熱點(diǎn)問題［11］.

大量研究表明，微生物肥料是一種能夠提高作物產(chǎn)量和改良土壤的環(huán)保型肥料［12-13］，它是由一種或多種微生物與其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)復(fù)混而成，并通過微生物代謝或代謝產(chǎn)物改善植物生長(zhǎng)條件促進(jìn)植物生長(zhǎng)［14］.為研究JD37菌株與LaCl3聯(lián)用對(duì)菠菜生長(zhǎng)和土壤生物活性的效果是否優(yōu)于單獨(dú)接種，本實(shí)驗(yàn)通過研究聯(lián)用對(duì)菠菜的生長(zhǎng)情況與品質(zhì)的影響、對(duì)土壤生物活性的作用、以及對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)中具有代表性的微生物的組成與結(jié)構(gòu)變化的效果，旨在為稀土元素聯(lián)合植物根際促生菌制備成一款復(fù)合微生物肥料提供參考數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試菌株

桔黃假單胞菌JD37(Pseduomonas aurantiacaJD37)由上海師范大學(xué)微生物分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室分離、純化、保藏.

1.1.2 供試植物

菠菜種子選用園葉全能菠菜，購(gòu)自上海市白玉蘭蔬菜種子有限公司.

1.1.3 培養(yǎng)基

KB培養(yǎng)基：用于JD37菌株培養(yǎng).牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基.高氏1號(hào)培養(yǎng)基.馬丁氏培養(yǎng)基.所有培養(yǎng)基使用前進(jìn)行高壓滅菌，121℃，20 min.

1.1.4 稀土

稀土為L(zhǎng)aCl3，由上海師范大學(xué)稀土功能材料上海市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供.

1.2 方法

1.2.1 供試菌株的活化

將保存于-80℃的JD37菌株接種于KB液體培養(yǎng)基中，置于搖床，28℃，200 r/min震蕩培養(yǎng)，活化3～4次，按1%接種量接種，取培養(yǎng)22 h處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的種子液(濃度約為109cfu/mL)接入裝有50 mL KB液體培養(yǎng)基的250 mL三角瓶中，置于搖床，28℃，200 r/min震蕩培養(yǎng)24 h制備成JD37菌懸液.

1.2.2 JD37菌株在菠菜根際土壤和根內(nèi)的定殖能力

挑選健康飽滿、大小均一的菠菜種子，放入0.1%高錳酸鉀溶液中浸泡20 min，表面消毒后取出，用無菌水沖洗3～4遍，置于鋪有無菌濾紙的平皿中，加入無菌水15 mL，光照培養(yǎng)箱28℃暗培養(yǎng)3 d.暗培養(yǎng)結(jié)束后，挑選已經(jīng)發(fā)芽的健康菠菜種子，播種于裝有無菌土的花盆中，2粒/盆，6盆/組，出苗后第1天，分別澆灌10 mL/株的JD37菌懸液(107cfu/mL)、含有LaCl3(200 mg/L)的JD37菌懸液和LaCl3(200 mg/L)溶液，對(duì)照組無菌水澆灌，培養(yǎng)期間澆灌無菌水保持土壤濕潤(rùn).實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.分別在出苗后第10、20和30天用以下方法檢測(cè)JD37菌株在菠菜根際土壤和根內(nèi)的數(shù)量.

根際土壤：取出菠菜幼苗，抖落根表土，將0.5 g土壤樣品置于裝有4.5 mL無菌水的三角瓶中，搖勻，依次按10倍稀釋的方法稀釋成土懸液.取10-5、10-6和10-7稀釋度的土壤懸液涂布在含有氨芐霉素(50 μg/mL)和氯霉素(30 μg/mL)的KB抗性平板上，28～30℃培養(yǎng)，3～5 d后菌落計(jì)數(shù).實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.

根內(nèi)：取菠菜根系，用無菌水沖去根上土壤，將根系置于0.3%次氯酸鈉溶液浸泡20 min，無菌水沖洗4～5遍.在無菌條件下，將根剪成約1 cm的根段置于裝有10 mL無菌水的研缽中研磨.取10-5、10-6和10-7稀釋度的懸液涂布在含有氨芐霉素(50 μg/mL)和氯霉素(30 μg/mL)的KB抗性平板上，28～30℃培養(yǎng)，3～5 d后菌落計(jì)數(shù).實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.

1.2.3 JD37菌株與LaCl3聯(lián)用對(duì)菠菜幼苗的促生效果

菠菜種子處理(方法同1.2.2)后，播種于裝有無菌土的花盆中，2粒/盆，6盆/組.實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.于出苗后第5天、15天澆灌JD37菌懸液(107cfu/mL)和含有LaCl3(200 mg/L)的JD37菌懸液，對(duì)照組無菌水澆灌，培養(yǎng)期間澆灌無菌水保持土壤濕潤(rùn).于出苗后30 d，統(tǒng)計(jì)菠菜的根長(zhǎng)、苗高、鮮重、干重.實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.

1.2.4 JD37菌株與LaCl3聯(lián)用對(duì)菠菜總?cè)~綠素含量［15-16］檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.

1.2.5 JD37菌株與LaCl3聯(lián)用對(duì)土壤生物活性的影響

實(shí)驗(yàn)分別檢測(cè)JD37菌株與LaCl3聯(lián)用后對(duì)土壤土壤脲酶、纖維素酶、蔗糖酶、過氧化氫酶［17］以及土壤微生物數(shù)量［18］的影響.實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.

2 結(jié)果與分析

2.1 JD37菌株與LaCl3聯(lián)用對(duì)菠菜的促生效果

研究JD37菌株與LaCl3聯(lián)用對(duì)菠菜的促生作用是為了驗(yàn)證菌體活性及實(shí)際施用效果，JD37菌株與LaCl3聯(lián)用對(duì)菠菜株高、根長(zhǎng)、鮮重和干重的作用結(jié)果見表1.單因素方差分析結(jié)果表明，聯(lián)合處理或單獨(dú)接種與澆灌清水的對(duì)照組均有顯著差異(P＜0.05).結(jié)果證實(shí)，聯(lián)合處理對(duì)菠菜的促生效果略優(yōu)于單獨(dú)接種JD37或澆灌LaCl3溶液.

表1 JD37菌株與LaCl3聯(lián)用對(duì)菠菜的促生作用

2.2 JD37 菌株在菠菜根際土壤和根內(nèi)的定殖

從圖1可以看出，聯(lián)合處理時(shí)JD37在土壤根際定殖數(shù)量高于單獨(dú)接種JD37菌株.菠菜生長(zhǎng)到第10天時(shí)，聯(lián)合處理?xiàng)l件下JD37在根際土壤中菌體數(shù)量為4.12×107cfu/g，單獨(dú)接種JD37的菌體數(shù)量為3.33×107cfu/g；第20天時(shí)，聯(lián)合處理和單獨(dú)接種在根際土壤中定殖的數(shù)量都呈下降趨勢(shì)，聯(lián)合處理的根際土壤定殖數(shù)量為9.50×105cfu/g，大于單獨(dú)接種的7.33×105cfu/g菌體定殖數(shù)量；第30天時(shí)，聯(lián)合處理的根際JD37菌體量為5.00×104cfu/g，仍然大于單獨(dú)接種的菌數(shù)量3.67×104cfu/g.

圖1 JD37在菠菜根際土壤的定殖

從圖2結(jié)果顯示，菠菜生長(zhǎng)的第10天，在聯(lián)合處理下從菠菜根際轉(zhuǎn)入根內(nèi)的JD37菌數(shù)量約為3.34× 105cfu/g，單獨(dú)接種的菌體數(shù)量較低，為1.67×105cfu/g；第20天時(shí)，聯(lián)合處理和單獨(dú)接種的每克根組織定殖菌體數(shù)分別為3.13×104cfu/g和2.00×104cfu/ g；第30天時(shí)，聯(lián)合處理和單獨(dú)接種下根內(nèi)JD37菌體數(shù)都有所下降，單獨(dú)接種的根內(nèi)菌體數(shù)為5.33×103cfu/g，而聯(lián)合處理的根內(nèi)菌數(shù)量仍大于單獨(dú)接種，為7.63×103cfu/g.

圖2 JD37在菠菜根際土壤的定殖

結(jié)果表明，聯(lián)合處理和單獨(dú)接種JD37都可以使JD37菌株在根際土壤和根內(nèi)定殖，但是聯(lián)合處理通過延長(zhǎng)土壤中JD37菌株的存活時(shí)間，更利于JD37菌株的生長(zhǎng)和繁殖，使JD37菌株在根際土壤和根內(nèi)的定殖能力優(yōu)于單獨(dú)接種JD37，這是促進(jìn)植物生長(zhǎng)的一個(gè)有利證明.

2.3 JD37菌株與LaCl3聯(lián)用后菠菜總?cè)~綠素含量的測(cè)定

葉綠素在光合作用中起到吸收光能、傳遞光能的作用.圖3為聯(lián)合處理對(duì)菠菜總?cè)~綠素含量的影響.單獨(dú)接種JD37或澆灌LaCl3對(duì)總?cè)~綠素含量有較好的維持作用，新鮮菠菜葉片中總?cè)~綠素含量分別為2.55 mg/g和2.63 mg/g.但總?cè)~綠素含量最高的仍然是聯(lián)合處理后，每克新鮮菠菜葉片中葉綠素含量達(dá)2.73 mg/g.

圖3 菠菜總?cè)~綠素含量

2.4 JD37菌株與LaCl3聯(lián)用對(duì)土壤生物活性的影響

為了進(jìn)一步研究JD37菌株和LaCl3聯(lián)合處理對(duì)土壤生物活性的作用，探討了聯(lián)合處理后對(duì)土壤酶活性的影響.從表2中可以看出，聯(lián)合處理對(duì)4種土壤酶活性都具有促進(jìn)效果，用單因素方差分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，聯(lián)合處理或單獨(dú)接種與澆灌清水的對(duì)照組均有顯著差異(P＜0.05).聯(lián)合處理后土壤脲酶活性達(dá)到0.145(NH3-N/100 g)，而單獨(dú)接種JD37和澆灌LaCl3溶液后土壤脲酶活性分別為0.128(NH3-N/100 g)和0.133(NH3-N/100 g)，聯(lián)合處理對(duì)土壤脲酶活性的增加效果大于單獨(dú)接種JD37或澆灌LaCl3溶液.與對(duì)照組相比，聯(lián)合處理能分別提高約81.65%的纖維素酶活性和40.65%的蔗糖酶活性，且差異顯著.聯(lián)合處理可以提高土壤過氧化氫酶活性，聯(lián)合處理的過氧化氫酶活性為0.657(mL，0.1N，高錳酸鉀/g)；單獨(dú)澆灌LaCl3的情況下，過氧化氫酶活性為0.619(mL，0.1N，高錳酸鉀/g)，聯(lián)合處理的過氧化氫酶活性比單獨(dú)澆灌的高約1.06倍.

表2 JD37菌株與LaCl3聯(lián)用對(duì)土壤酶活性的作用

2.5 JD37菌株與LaCl3聯(lián)用對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，它的組成與結(jié)構(gòu)變化都會(huì)影響到土壤的理化性質(zhì)與土壤生物活性.由圖4結(jié)果可以看出，單獨(dú)接種JD37(107cfu/mL)對(duì)土壤中真菌數(shù)量的影響最大，土壤真菌數(shù)量達(dá)到約2.20×106cfu/g，其次是澆灌LaCl3處理組，土壤真菌數(shù)量約1.63×106cfu/g.聯(lián)合處理對(duì)土壤細(xì)菌和放線菌的增加效果明顯，土壤中細(xì)菌和放線菌數(shù)量分別為1.34×107cfu/g和4.73×106cfu/g，分別是對(duì)照組的和2.08倍和1.22倍.綜合上述結(jié)果認(rèn)為，與單獨(dú)接種JD37或澆灌LaCl3相比，聯(lián)合處理對(duì)土壤生物活性改良效果更好，在促進(jìn)植物生長(zhǎng)的同時(shí)對(duì)土壤起到有益的調(diào)節(jié)作用.

圖4 JD37菌株與LaCl3聯(lián)用對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

3 討論

微生物肥料在農(nóng)作物的增產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)改善方面都發(fā)揮著重要的積極作用.它既降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本又能減少化肥的施用，對(duì)于環(huán)境保護(hù)也有重要意義.因此，微生物肥料在我國(guó)具有非常廣闊的發(fā)展前景［19］.

大量研究表明，稀土作為微肥已經(jīng)廣泛應(yīng)用與中國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中［10］.桔黃假單胞菌JD37能有效定殖在玉米、小麥根部促進(jìn)植物生長(zhǎng)，還對(duì)多種植物病原菌具有廣譜抗性作用［5，20-21］，因此具有制備成微生物肥料的潛力.本實(shí)驗(yàn)將桔黃假單胞菌JD37與稀土LaCl3聯(lián)合處理，研究聯(lián)合處理對(duì)植物生長(zhǎng)以及植物生物活性的影響，旨在為JD37菌株在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用創(chuàng)造有利條件.桔黃假單胞菌JD37與LaCl3聯(lián)用對(duì)菠菜的促生效果顯著大于單獨(dú)接種JD37菌株或LaCl3.定殖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，聯(lián)合處理的菠菜植株在生長(zhǎng)的30 d過程中，無論是在菠菜根際土壤還是根內(nèi)的菌體定殖數(shù)量始終要高于單獨(dú)接種JD37，添加LaCl3能提供給微生物更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，更利于JD37的生長(zhǎng)繁殖，延長(zhǎng)了JD37在菠菜根際土壤中的存活時(shí)間，在菠菜生長(zhǎng)的第30天時(shí)，單獨(dú)接種JD37的菌體定殖數(shù)量?jī)H為3.67×104cfu/g和5.33×103cfu/g，而聯(lián)合處理在根際土壤和根內(nèi)的菌體定殖數(shù)量分別達(dá)到5.00×104cfu/g和7.63×103cfu/g，能夠更加有效地促進(jìn)植物的生長(zhǎng).盆栽試驗(yàn)進(jìn)一步證明了聯(lián)合處理對(duì)菠菜的顯著促進(jìn)作用，植物生物量都明顯大于單獨(dú)接種JD37或澆灌LaCl3.菠菜總?cè)~綠素含量測(cè)定結(jié)果顯示，雖然接種JD37菌株或澆灌LaCl3對(duì)菠菜總?cè)~綠素含量有促進(jìn)作用，但是聯(lián)合處理后菠菜總?cè)~綠素含量仍最高，約2.73 mg/g.

選用土壤酶活性和土壤微生物數(shù)量為土壤生物活性檢測(cè)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合處理對(duì)土壤脲酶、纖維素酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性都有促進(jìn)作用，其中，對(duì)土壤纖維素酶的活性增加效果最顯著，與單獨(dú)接種JD37或澆灌LaCl3相比，土壤纖維素酶活性分別提高了66.08%和70.93%.土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量在聯(lián)合處理?xiàng)l件下明顯增加，第30天時(shí)聯(lián)合處理的土壤中細(xì)菌和放線菌數(shù)量分別為1.34×107cfu/g和4.73 ×106cfu/g，分別是對(duì)照組的和2.08倍和1.22倍.

土壤微生物的生存取決于植物根際的空間、養(yǎng)分及其良好的生態(tài)環(huán)境，不同微生物具有不同的生理功能，這些功能通常具有互補(bǔ)性和綜合性，也是植物生長(zhǎng)與土壤肥力的保障［22］.JD37菌株和LaCl3能促進(jìn)植物生長(zhǎng)和抑制植物病原菌，具有開發(fā)成為微生物肥料的潛力.本實(shí)驗(yàn)對(duì)JD37菌株與LaCl3聯(lián)用對(duì)植物的生長(zhǎng)和土壤生物活性的作用進(jìn)行了初步探討，關(guān)于如何利用兩者之間的協(xié)同作用，進(jìn)一步研制出一款復(fù)合微生物肥料還有待深入研究.

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The effect of combination of Pseudomonas aurantiaca JD37 and LaCl3on the spinach growth and soil biological activities

ZHAO Lei，LI Songshuo，JIN Qing，BIAN Xuekun，BAO Xingxing，XIAO Ming
(Development Center of Plant Germplasm Resources，College of Life and Environmental Sciences，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China)

In order to explore combined effects of the rhizosphere bacteria and rare earth elements on crop growth and soil improvement，in this study，Pseudomonas aurantiacaJD37 which is a plant-growth promoting rhizobacteria and can promote the growth of plants and control the biological diseases，was combining used with LaCl3which is widely used rare earth on the spinach grouth and biological activity experiments in this study growth and soil biological activities.Results showed that combined treatment promoted the growth of spinach significantly.And the densities of JD37 strain in rhizosphere and root of combined treatment of JD37 and LaCl3were significantly higher than those shown only by JD37.Moreover，the combined treatments could increase the soil enzyme activities，and especially the soil cellulose activity was increased the most.Compared with vaccination JD37 alone or watering LaCl3solution，the combined treatment could also increase the total chlorophyll content of spinach and soil microbial quantities.The total chlorophyll content of spinach increased by 7.06%and 3.80%respectively，and the quantity of bacteria and actinomycetes ascended greatly.The conclusion showed the rare earth elements has good application potential in compound microbial fertilizer production and development.

Pseudomonas aurantiaca；LaCl3；growth promoting；colonization；soil biological activity

Q 939.96

A

1000-5137(2015)06-0606-06

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2015.06.005

(責(zé)任編輯：顧浩然，郁慧)

2015-10-01

上海市教委基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(11440502300)；上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(11YZ87)

肖明，中國(guó)上海市徐匯區(qū)桂林路100號(hào)，上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，郵編：200234，E-mail：xiaom88@shnu.edu.cn