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中南林業(yè)科技大學經(jīng)濟林培育與保護教育部重點實驗室,湖南長沙 410004
摘 要 利用PKO無機磷培養(yǎng)基從不同林齡的降香黃檀-檀香根際土壤中分離篩選高效解磷菌,為進一步研制專用生物復合肥提供依據(jù)。通過溶磷圈法篩選溶磷較強(D/d值大于1.5)的菌株19株,采用鉬銻鈧比色法測定其解磷能力。結(jié)果顯示:菌株無機磷溶量在9.23~223.27 μg/mL之間,3株菌無機磷溶量在170 μg/mL以上;菌株有機磷溶量在0.43~25.05 μg/mL之間,有機磷溶量在15 μg/mL以上有4株。采用Salkowski 比色法測定菌株分泌IAA能力,10株菌具有分泌能力,其中DosaP25分泌IAA量達32.14 μg/mL。綜上所述,菌株DosaP15、DosaP25具有較強的解磷、分泌IAA能力?;谛螒B(tài)學、生理生化特性及16 S rDNA序列比較分析,初步鑒定DosaP15屬于Bacillus pumilus、DosaP25屬于Bacillus subtilis。試驗同時表明,菌株溶磷量、分泌IAA量與培養(yǎng)液pH值之間不存在顯著相關性。
關鍵詞 降香黃檀;檀香;根際解磷菌;解磷能力;IAA
中圖分類號 S182 文獻標識碼 A
磷是植物生長發(fā)育的必需元素且主要從土壤中獲取,而土壤中絕大部分磷以難溶狀態(tài)存在,不利于植物吸收,成為限制植物生長發(fā)育的重要因素[1-2]。有研究發(fā)現(xiàn),土壤中存在著將植物難以吸收的難溶態(tài)磷轉(zhuǎn)化成有效態(tài)磷的微生物,稱其為解磷菌或溶磷菌[3]。甚至部分解磷菌還能分泌促生物質(zhì),改善植物根際土壤環(huán)境,促進植物生長[4-5]。喬志偉等[6]從石灰性土壤作物根際分離溶磷細菌,其中W25對磷酸三鈣的溶解能力達385.5 mg/L,同時可分泌甲酸、乙酸、草酸、琥珀酸等多種有機酸。
降香黃檀(Dalbergia odorifera)為豆科蝶形花科半落葉喬木,國家II級重點保護野生植物[7];檀香(Sandalwood)為半寄生性常綠喬木,須與寄主共生才能存活[8]。兩者均為珍貴紅木用材樹種,心材堅硬、耐濕耐腐,是制作名貴木制品的重要原料,具有重要的藥用價值[9-10]。然而降香黃檀、檀香生長緩慢,通常數(shù)十年才能成材,人為盜伐嚴重,野生資源已瀕臨滅絕。近年來,通過對降香黃檀、檀香的大規(guī)模推廣種植,以推動貧困地區(qū)致富,同時對降香黃檀、檀香種質(zhì)資源起到有效的保護。其中以降香黃檀-檀香混交模式種植,效果較好。檀香抑制降香黃檀快速增高有利于其心材的形成,降香黃檀為檀香提供營養(yǎng)物質(zhì)促進檀香生長[11-12]。但降香黃檀、檀香幼苗(幼林)長勢差、生長緩慢等問題未得到有效解決,同時大量化肥的施用引起了環(huán)境污染、生產(chǎn)成本增加等問題。本文旨在從降香黃檀、檀香根際土壤中篩選出高效解磷菌,研究其解磷、分泌IAA等特性,為專用生物復合肥研制提供理論基礎,以解決降香黃檀、檀香幼苗(幼林)長勢差、生長緩慢等問題,到達減少化肥施用量、降低生產(chǎn)成本的目的。
1 材料與方法
1.1 材料
1.1.1 土樣采集 在海南省降香黃檀、檀香種植區(qū)(澄邁、定安、尖峰、東方、白沙等地),利用五點隨機采樣法,采集3、4、5、6、7、10年生的降香黃檀、檀香根際土壤(20~40 cm),裝入保鮮袋(無菌)中,冷凍保存帶回實驗室分離。
1.1.2 供試培養(yǎng)基 PKO無機磷培養(yǎng)基、蒙金娜有機磷細菌培養(yǎng)基、King氏培養(yǎng)基、LB培養(yǎng)基等[13]。
1.2 方法
1.2.1 根際高效解磷細菌的分離 稱取樣品10 g(不同林齡的降香黃檀、檀香土樣),置入裝有90 mL無菌水的三角瓶中,振蕩20 min,制成土壤懸液。采用10倍稀釋法配制濃度梯度為10-4、10-5、10-6的土壤懸液樣品,用于解磷細菌的分離。每個濃度梯度吸取100 uL涂布于PKO無機磷固體培養(yǎng)基上,重復3次,恒溫28 ℃培養(yǎng)2~4 d。挑選長勢較好的單菌落,做好標記后選用LB固體培養(yǎng)基進行純化,4 ℃保存。
1.2.2 菌株解磷能力測定 定性測定:將分離純化后的培養(yǎng)物采用PKO無機磷固體培養(yǎng)基、恒溫28 ℃培養(yǎng)4 d,記錄D/d(溶磷圈直徑/菌落直徑)值,篩選D/d 值較大的菌株,用LB培養(yǎng)基斜面保存。
定量測定:在250 mL三角瓶中加入滅菌的100 mL PKO無機磷液體培養(yǎng)基或蒙金娜有機磷液體培養(yǎng)基,取1 mL待測菌株菌懸液(108 cfu/mL)分別加入到250 mL三角瓶中,160 r/min,恒溫30 ℃培養(yǎng)7 d,測定培養(yǎng)介質(zhì)pH值;對照組用1 mL無菌水替換1 mL菌液,其余條件不變。將培養(yǎng)液4 ℃,10 000 r/min離心10 min,取上清液。采用鉬銻抗比色法測定上清液OD700 nm值,根據(jù)標準曲線計算菌株的無機磷(有機磷)溶量[14]。
1.2.3 菌株分泌IAA能力測定 用分光光度計,采用Salkowski比色法[15]測定波長530 nm的OD值,根據(jù)標準曲線換算出IAA分泌量,并各測定各菌液的環(huán)境pH值。
1.2.4 菌株鑒定 菌株形態(tài)觀察:記錄待鑒定菌株在蒙金娜有機磷固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)2 d的菌落特征,用顯微鏡觀察菌體形態(tài)特征。
生理生化:參照《伯杰氏細菌鑒定手冊》(第八版)及《常見細菌系統(tǒng)鑒定手冊》(東秀珠編),進行細菌生理生化試驗。
16 S rRNA序列測定及分析:以提取的待測細菌菌株基因組DNA為模板,選用細菌16 S rRNA基因通用引物27F和1492R,進行PCR擴增。PCR反應條件:94 ℃ 5 min,94 ℃ 1 min,55 ℃ 30 s,72 ℃ 1 min,循環(huán)30個,72 ℃ 10 min。將所得產(chǎn)物樣品送至上海博尚生物技術(shù)公司測序,測序結(jié)果在NCBI中進行BLAST分析,利用EGA5.05軟件,使用Neighbor-Joining法進行計算分析(Bootstraps=1 000),構(gòu)建菌株系統(tǒng)進化樹。
1.3 數(shù)據(jù)分析
采用SPSS 19.0進行方差分析和多重比較(LSD法和Duncan檢驗),并用Excel 2010制作圖表。
2 結(jié)果與分析
2.1 根際高效解磷細菌的分離、篩選
2.1.1 解磷細菌的分離純化 利用PKO無機磷培養(yǎng)基,從不同林齡(3、4、5、6、7、10 a)的降香黃檀、檀香根際土壤,分離純化出可培養(yǎng)物187個。菌落呈近圓形或橢圓形、白色或黃色、半透明或不透明、大部分表面扁平、邊緣規(guī)則、生長速度中等。
2.1.2 菌株解磷能力定性測定 利用溶磷圈法在PKO無機磷固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)4 d,測定各菌株溶解磷酸鈣能力,篩選出D/d值大于1.5的菌株共計19株(圖1)。其中9株菌株的D/d值在1.5~2.0之間,占測定菌株的47.36%;D/d值在2.0~2.5間的菌株有6株,占測定總數(shù)的31.58%;有4株的D/d值大于2.5,占測定總數(shù)的21.05%。溶解磷酸鈣能力較強菌株是DosaP25,D/d值達到4.1;其次是DosaP7,D/d值為3.23。
2.1.3 菌株解磷能力定量測定 各菌株溶解無機磷(磷酸鈣)的量在9.23~223.27 μg/mL之間(表1),其中3株菌的無機磷溶量在170 μg/mL以上,占供試菌株的15.79%。DosaP25溶解磷酸鈣的量高達223.27 μg/mL,其次是DosaP15和DosaP23,分別達196.47、174.32 μg/mL。無機磷溶量在20~100 μg/mL間的菌株有9株,占供試總數(shù)的47.37%;5株菌株的無機磷溶量在20 μg/mL以下,占供試總數(shù)的26.32%。除菌株DosaP2與DosaP10間無顯著差異外,其它菌株間均達到顯著差異(p<0.05)。DosaP25的溶解無機磷能力是DosaP5(9.23 μg/mL)的24.19倍,是對照組(4.55 μg/mL)的49.07倍。
同時測定各菌株對有機磷(卵磷脂)的溶解能力,供試菌株對卵磷脂的溶解量在0.43~25.05 μg/mL之間。有機磷溶量在10 μg/mL以下的菌株有13株,占供試總數(shù)的68.42%;5株菌株的有機磷溶量在10~20 μg/mL之間,占供試總數(shù)的26.32%;其中DosaP15溶解卵磷脂的能力最強,達到25.05 μg/mL,其次是DosaP25(19.22 μg/mL)。菌株DosaP3與DosaP9、DosaP4與DosaP16之間卵磷脂溶解量無顯著差異,其余菌株之間差異顯著(p<0.05)。DosaP15、DosaP25溶解有機磷的能力分別是DosaP5的58.26、44.70倍。
2.1.4 菌株解磷能力與終點pH值間關系 PKO無機磷、蒙金娜有機磷液體培養(yǎng)基的起始pH值均為7.2,各菌株PKO無機磷培養(yǎng)液終點pH值的測定結(jié)果顯示:終點pH值偏酸且隨著磷酸鈣溶解量的增加呈下降趨勢,對照組的pH值在7.0附近略微變化(圖2)。DosaP15溶解磷酸鈣的量達223.27 μg/mL,對應的培養(yǎng)液終點pH值為5.62。17株菌株的培養(yǎng)液終點pH值在6.0~7.0之間,占供試菌株的89.47%。菌株對磷酸鈣的溶解量與培養(yǎng)液終點pH值之間不存在顯著的線性回歸關系,R2(相關系數(shù))僅為0.850 6。
各菌株蒙金娜有機磷培養(yǎng)液終點pH值的測定結(jié)果表明:與磷酸鈣的溶解量相比,隨著卵磷脂溶解量的增加,終點pH值的下降趨勢更加明顯(圖3)。6株菌株的培養(yǎng)液終點pH值在5.23~6.0之間,占供試菌株總數(shù)的31.58%;菌株DosaP15溶解卵磷脂的量最大,其培養(yǎng)液終點pH值(5.23)下降明顯;對照組的pH值無明顯變化。菌株溶解卵磷脂的量與終點pH值之間的相關系數(shù)為0.536,表明兩者之間無顯著線性回歸關系。
菌株的PKO無機磷、蒙金娜有機磷培養(yǎng)液終點pH值絕大部分集中在6.5左右,而對照組的起始pH值與終點pH值均在7.0左右。這些說明解磷細菌分泌一些酸性物質(zhì),使得H+數(shù)量增加導致pH值下降。DosaP5的終點pH值(6.13)低于DosaP14(6.15),但DosaP14的卵磷脂溶量(4.35 μg/mL)遠高于DosaP5(0.43 μg/mL)。表明,解磷細菌溶解磷的能力不完全取決于培養(yǎng)介質(zhì)中H+的數(shù)量。
2.1.5 菌株分泌IAA能力測定 結(jié)果顯示(表2),10株菌株具有分泌IAA能力,占供試總數(shù)的52.63%;分泌IAA量在25 μg/mL以上的菌株有3株,即DosaP25(32.14 μg/mL)、DosaP23(28.7 μg/mL)、DosaP15(27.53 μg/mL)。各菌株之間分泌IAA能力差異顯著,其中DosaP25(32.14 μg/mL)分泌IAA量是DosaP5(4.56 μg/mL)的7.05倍。
King氏液體培養(yǎng)基的起始pH值為7.2,各菌株分泌IAA量與培養(yǎng)液終點pH值之間的相關系數(shù)R2為0.944,表明菌株分泌IAA量與終點pH值之間無顯著的線性回歸關系(圖4)。隨著菌株分泌IAA量的增加,培養(yǎng)液終點pH值呈下降趨勢;無分泌IAA能力菌株培養(yǎng)介質(zhì)終點pH值偏中性或堿性,說明菌株分泌IAA導致培養(yǎng)介質(zhì)中H+數(shù)量增加從而引起pH值下降。
2.2 菌株鑒定
2.2.1 菌株形態(tài)學觀察 挑選有機磷溶量在19.0 μg/mL、無機磷溶量在190.0 μg/mL、分泌IAA能力在27.0 μg/mL以上的菌株DosaP15、DosaP25進行形態(tài)學觀察。
在蒙金娜有機磷固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)2 d,DosaP15菌落呈污白色,近圓形、半透明或不透明、表面光滑、邊緣整齊、生長較慢;DosaP25菌落呈淡黃色,近圓形、不透明、表面光滑、中間隆起、邊緣整齊,生長較快(圖5)。
DosaP15革蘭氏染色陽性,細桿狀,單個或成對排列,大小為(2.2~2.8)μm×(0.6~0.7)μm,產(chǎn)芽孢;DosaP25革蘭氏染色陽性,桿狀,兩端鈍圓,多個排列時成短鏈,大小為(2.2~3.0)μm×(0.7~0.8)μm,產(chǎn)芽孢(圖6)。
2.2.2 菌株生理生化實驗 DosaP15、DosaP25的主要生理生化指標試驗結(jié)果表明(表3), 兩者相同點在于運動性試驗、V.P試驗、過氧化氫試驗為陽性,不產(chǎn)氣,可利用葡萄糖、果糖、檸檬酸鹽,液化明膠;在2% NaCl、5% NaCl中均可生長,5 ℃不生長,耐受溫度為41 ℃,產(chǎn)芽孢。不同點在于DosaP15 甲基紅試驗為陽性,不能利用乳糖,不可水解淀粉,硫化氫、硝酸鹽還原試驗陰性;DosaP25甲基紅試驗為陰性,可利用乳糖,水解淀粉,硝酸鹽還原、硫化氫試驗陽性。結(jié)合形態(tài)學特征和生理生化指標,初步判斷DosaP15、DosaP25屬于芽孢桿菌科,芽孢桿菌屬。
2.2.3 16 S rRNA基因序列測定及分析 將待鑒定菌株16 S rRNA基因測序所得序列,采用BLAST進行同源性比較,與GenBank中的核酸數(shù)據(jù)對比分析,DosaP15與Bacillus pumilus(JX 102495)同源性達99%,DosaP25與Bacillus subtilis(KF 831377)同源性達99%。選取同源性較高的代表菌株,以16 S rRNA基因序列為基礎,構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(圖7、8)。相比芽孢桿菌屬的其它種,DosaP15與短小芽孢桿菌的遺傳進化距離最近,同處一個最小分支;DosaP25與枯草芽孢桿菌的遺傳進化距離最近,同處一個最小分支。將DosaP15、DosaP25的形態(tài)特征、生理生化測定指標與表4[16-17]進行對比,發(fā)現(xiàn)DosaP15、DosaP25的主要特征分別與短小芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌相一致。結(jié)合16 S rRNA序列分析,初步鑒定DosaP15為短小芽孢桿菌、DosaP25為枯草芽孢桿菌。
3 討論與結(jié)論
土壤中磷素循環(huán)以微生物活動為中心,微生物活動對土壤磷素的轉(zhuǎn)化影響很大。土壤微生物在植物根系區(qū)間的生態(tài)分布數(shù)量遠高于非根系土壤區(qū)間。植物的代謝物質(zhì)通過根系進入土壤中,不僅能作為微生物繁殖的營養(yǎng)物質(zhì),甚至對一些菌群的生長起到刺激作用。Kabznelson等[18]和趙小蓉等[19]研究發(fā)現(xiàn),解磷菌在植物根際土壤中的分布數(shù)量比非根際土多出1~2個數(shù)量級。
溶磷圈法只能作為初篩解磷微生物的方法,D/d值不能完全反應菌株的溶磷量。本研究中,溶磷圈法初篩的D/d值DosaP15(1.89)小于DosaP23(3.0),而DosaP15的無機磷溶量(196.47 μg/mL)、有機磷溶量(25.05 μg/mL)均高于DosaP23(174.32、19.22 μg/mL)。Kucey等[20]研究也證實了溶磷圈法只能用于初篩解磷菌。另外,不同根際解磷菌株的解磷能力存在較大差異,DosaP25溶解磷酸鈣的量(223.27 μg/mL)是DosaP5(9.23 μg/mL)的24.19倍,DosaP15、DosaP25溶解卵磷脂的量(25.05、19.22 μg/mL)分別是DosaP5(0.43 μg/mL)的58.26、44.70倍。這可能與植物所處的土壤類型、土壤肥力、氣候及植物的年齡、長勢等綜合因素有關。林啟美等[21]研究證實了不同土壤生態(tài)環(huán)境中解磷菌分布存在較大差異,菜地土壤中有機磷細菌數(shù)量是林地、草地、農(nóng)田的10倍。
對于解磷菌的解磷機理,尚未有一個準確的定論,不同菌株的解磷機理有所差別。在土壤無機磷缺乏的情況下,解磷菌通過分泌核酸酶、磷酸酶及植酸酶等,溶解有機磷轉(zhuǎn)化成無機磷酸鹽的形式。一般認為,解磷菌溶解無機磷與自身分泌酸性物質(zhì)有關,這些物質(zhì)可降低pH值,能與Al3+、Mg2+、Ca2+、Fe3+、Fe2+等離子結(jié)合,從而溶解難溶性磷酸鹽。不同解磷菌株分泌有機酸的種類存在較大差別,如席琳喬等[22]從棉花根際分離出的解磷菌可分泌酒石酸、乙酸、檸檬酸、丁二酸,而朱穎[23]從三葉草根際土壤中分離的解磷菌可產(chǎn)草酸、酒石酸、乳酸、檸檬酸、蘋果酸。一些解磷菌還可分泌植物激素IAA且不同菌株分泌IAA量存在明顯差異。如DosaP25分泌IAA量是DosaP5的7.05倍;李顯剛等[24]從百脈根根際土壤篩選出11株具有分泌IAA能力的溶磷菌,其中菌株LC20分泌IAA能力是LC5的4.62倍。本研究中菌株的解磷能力、分泌IAA能力與培養(yǎng)介質(zhì)終點pH均無顯著相關性,各菌株培養(yǎng)介質(zhì)終點pH與起始pH相比呈下降趨勢,對照組的培養(yǎng)介質(zhì)pH無明顯變化呈中性或略偏堿性。與趙小蓉等[25]研究發(fā)現(xiàn)解磷菌的溶磷量與培養(yǎng)介質(zhì)pH值及有機酸分泌量均無顯著相關性的結(jié)果相近。菌株的磷酸鈣溶量、卵磷脂溶量、IAA分泌量與培養(yǎng)介質(zhì)終點pH之間的相關系數(shù)存在如下關系,R32(0.944)>R12(0.8506)>R22(0.536)。說明IAA分泌量與培養(yǎng)介質(zhì)終點pH之間的關系更為密切,證實了解磷細菌通過分泌一些酸性物質(zhì),使得質(zhì)子數(shù)量增加導致pH值下降。下一步將對篩選出的高效解磷菌作進一步研究,以用于專用生物復合肥的研制。
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