根瘤菌、超聲和2,4-D處理對(duì)小麥幼苗生長(zhǎng)的影響

田華陽(yáng),戴云馳,張 鑫,楊艷琳,封德順

山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,泰安 山東 271000

根瘤菌對(duì)雙子葉植物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用的研究成果頗豐，而許多重要的糧食作物為單子葉植物，如何將根瘤菌利用在單子葉植物上是一個(gè)非常有意義的問(wèn)題，諸多研究人員在這方面做了大量的探索。提升糧食作物的種子活力對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要的意義，一些物理方法如超聲波處理可以提高綠豆和掌葉大黃種子的發(fā)芽率[1,2]，通過(guò)超聲波和赤霉素結(jié)合處理川西獐牙菜種子可以提高種子萌發(fā)能力[3]，說(shuō)明通過(guò)多種因素共同處理植物種子可以影響種子活力及植物的發(fā)育。

植物生長(zhǎng)狀況優(yōu)良與否很大程度上依賴于根系對(duì)土壤養(yǎng)分和水分的吸收能力。土壤中的養(yǎng)分需要經(jīng)過(guò)根系的吸收轉(zhuǎn)化才能進(jìn)入植物體內(nèi)，為植物所利用，而植物吸收營(yíng)養(yǎng)元素能力的強(qiáng)弱很大程度上取決于根系構(gòu)型。如何改變植物根系構(gòu)型，或間接增加其生物產(chǎn)量成為促進(jìn)植物生長(zhǎng)的有效手段。超聲處理對(duì)水稻對(duì)其延展根系或提高其營(yíng)養(yǎng)器官質(zhì)量等具有顯著促進(jìn)作用[4,5]。超聲處理小麥種子可以提高其萌發(fā)率[6,7]。根瘤菌在禾本科植物中的定殖和促進(jìn)作用[8]，以及水稻內(nèi)生菌的發(fā)現(xiàn)[9]，促進(jìn)了非豆科植物固氮的研究[10-14]。產(chǎn)量的增加、固氮機(jī)理和微生物與植物共同作用等方面的研究的進(jìn)一步的深入，使人們提高了對(duì)植物與微生物的相互協(xié)調(diào)生態(tài)圈的認(rèn)知。本研究利用超聲和根瘤菌單獨(dú)或組合處理小麥種子，以及根瘤菌和2,4-D單獨(dú)或組合處理小麥幼苗，探討不同因素對(duì)小麥幼苗的促進(jìn)作用，以期為小麥種子處理提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

山融3號(hào)（由山東大學(xué)夏光敏教授實(shí)驗(yàn)室提供）；根瘤菌劑（購(gòu)買于克勞沃公司）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)定指標(biāo)

1.2.1 超聲和根瘤菌處理吸脹種子 取飽滿的山融3號(hào)小麥種子200粒，進(jìn)行種子表面消毒，暗處萌發(fā)至胚根剛剛突出，然后取狀態(tài)一致的種子進(jìn)行超聲和根瘤菌處理試驗(yàn)。設(shè)4個(gè)處理，每個(gè)處理10粒種子，共三次重復(fù)。分別為處理1（100 W超聲處理種子15 min）；處理2（0.025 g/mL根瘤菌液浸泡種子60 min）；處理3（100 W超聲處理15 min后又用0.025 g/mL；根瘤菌液浸泡種子60 min）；用不加處理的種子作對(duì)照，標(biāo)記為CK1；然后置于玻璃瓶（錫箔紙包裹）的吊籃中水培，14 d后測(cè)量根長(zhǎng)。

1.2.2 根瘤菌與2,4-D處理小麥幼苗 取飽滿山融3號(hào)小麥種子200粒，進(jìn)行種子表面消毒，暗處理萌發(fā)48 h，挑選萌發(fā)效果較好種子，播種于土培小盆營(yíng)養(yǎng)體中，每盆播種9粒種子，均勻排布，設(shè)4個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，處理之前均使用等量自來(lái)水為植株生長(zhǎng)提供所需水分，每2 d澆1次水，2周后作實(shí)驗(yàn)處理。實(shí)驗(yàn)處理分別為：處理4（用250 mL含終濃度為0.05 mg/L 2,4-D的1/2MS營(yíng)養(yǎng)液處理）；處理5（用250 mL含有0.05 g根瘤菌的1/2MS營(yíng)養(yǎng)液處理）；處理6（用0.05 mg/L2,4-D和0.05 g根瘤菌的復(fù)合物的1/2MS營(yíng)養(yǎng)液250 mL處理），使用1/2MS營(yíng)養(yǎng)液處理的小麥作為對(duì)照CK2，第1次處理3 d后進(jìn)行第2次處理，處理2次，每次處理有效周期為3 d，之后每次與CK2處理一致，均只澆營(yíng)養(yǎng)液250 mL，每3 d 1次，45 d后測(cè)定小麥鮮重和葉綠素含量。

1.2.3 測(cè)定指標(biāo)

1.2.3 .1根長(zhǎng) 根長(zhǎng)測(cè)量使用直接測(cè)量法，每株重復(fù)3次。

1.2.3 .2植株鮮重 植株鮮重分為苗重、根重和總重，洗凈晾干后直接稱重，每株重復(fù)3次。

1.2.3 .3葉綠素 參考崔勤等[15]方法進(jìn)行改進(jìn)，使用液氮進(jìn)行研磨提取并測(cè)定，同株幼苗重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。各處理組與對(duì)照組之間的測(cè)量值差異采用t檢驗(yàn)。當(dāng)P＜0.05時(shí)認(rèn)為差異顯著，當(dāng)P＜0.01時(shí)認(rèn)為差異極顯著。

2 結(jié)果分析

2.1 超聲處理與菌液共同作用下對(duì)小麥根長(zhǎng)的影響

由圖1可知，與CK1相比處理1和3分別有顯著和極顯著性差異，說(shuō)明處理對(duì)小麥幼苗的根長(zhǎng)有顯著的促進(jìn)作用；處理1、處理2和處理3較CK1分別提高了15.5%、6.1%和20%。而處理1與處理3相比，說(shuō)明根瘤菌液在對(duì)超聲處理后的種子中有著促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育的作用；處理1與處理3對(duì)比表明，僅進(jìn)行100 W超聲處理對(duì)小麥根長(zhǎng)的影響效應(yīng)較之超聲和根瘤菌共同作用有所下降，在三種處理中，處理3對(duì)于小麥幼苗根長(zhǎng)的促進(jìn)作用極顯著。超聲的單獨(dú)處理或者與根瘤菌液的共同處理顯著促進(jìn)了處理組的根的發(fā)育。

圖1 超聲和根瘤菌處理下的小麥根系長(zhǎng)度Fig.1 The root length of wheat treated by ultrasound and rhizobium

2.2 根瘤菌與激素共同作用下的小麥生物量

2.2.1 根瘤菌與激素對(duì)于小麥幼苗鮮重的影響

表1 不同處理下小麥不同部位的鮮重Table 1 Fresh weight of different parts of wheat under different treatments

由表1中可知處理5與處理6對(duì)于小麥鮮重有顯著促進(jìn)作用，而處理4沒(méi)有顯著促進(jìn)作用；處理5與處理6相比較而言，激素與根瘤菌制劑共同作用對(duì)于小麥幼苗的生物量有更加顯著的促進(jìn)作用。根瘤菌對(duì)于小麥幼苗鮮重的促進(jìn)作用在與激素結(jié)合處理后得到更顯著的提升，數(shù)據(jù)表明激素與根瘤菌制劑共同作用的結(jié)果極顯著。

2.2.2 根瘤菌與激素對(duì)于小麥幼苗葉綠素的影響 由圖2、3可知處理4、5、6均可提高小麥幼苗的葉綠素含量，無(wú)論是葉綠素a還是葉綠素b的濃度都在一定程度上得到提高，對(duì)應(yīng)的總濃度也在提升，處理5和處理6效果尤為顯著，其葉綠素總濃度分別提升了51.00%和78.95%。同時(shí)處理6的葉綠素a與葉綠素b的比值相對(duì)對(duì)照有所下降。處理因素提高了處理對(duì)象的葉綠素濃度，使得在相同大小葉組織中，處理組含有更多的葉綠素。圖4顯示，處理4、5和6的小麥的葉片比對(duì)照顏色深。

圖2 不同處理方式下小麥葉中葉綠素a、b濃度比較Fig.2 Comparison of chlorophyll a b concentration in wheat leaves under different treatments

圖3 不同處理方式下小麥葉中葉綠素總濃度比較Fig.3 Comparison of total chlorophyll concentration in wheat leaves under different treatments

圖4 根瘤菌與2,4-D處理的小麥表型Fig.4 Wheat phenotype treated with rhizobium and 2,4-d treatments

3 結(jié)論與討論

超聲處理、超聲與根瘤菌液復(fù)合處理萌動(dòng)48 h的小麥種子可以促進(jìn)幼苗根長(zhǎng)顯著增長(zhǎng)；根瘤菌液處理、2,4-D與根瘤菌液共同處理的小麥幼苗的生物量等指標(biāo)顯著提高，2,4-D與根瘤菌液共同處理的幼苗鮮重和葉綠素含量效果極顯著。可能是由于傷口的產(chǎn)生引起了植物酮類物質(zhì)的分泌，從而誘導(dǎo)根瘤菌進(jìn)駐植株，超聲產(chǎn)生的細(xì)微傷口或可引導(dǎo)根瘤菌在浸泡處理萌發(fā)種子時(shí)進(jìn)駐種子內(nèi)部定殖，后期產(chǎn)生促生作用。相對(duì)于前期人們對(duì)于單因素超聲或者根瘤菌對(duì)小麥等單子葉植物的促生作用而言，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了復(fù)合處理的顯著優(yōu)勢(shì)，2,4-D激素與根瘤菌液處理雖未顯現(xiàn)出根部結(jié)瘤的現(xiàn)象，但處理對(duì)于生物量的增加效果不可忽視。

前人發(fā)現(xiàn)對(duì)干種子或濕種子進(jìn)行超聲處理，可以明顯誘導(dǎo)和促進(jìn)植物細(xì)胞的分裂，促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)[16]，促進(jìn)水稻根系的伸展[5]；微細(xì)按摩作用對(duì)于提高細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的穿透性的一系列功能變化，有利于內(nèi)外物質(zhì)的交換和運(yùn)輸、提高新陳代謝的速率和酶活等[17]。超聲處理或可刺激胚根尖端，誘導(dǎo)植物產(chǎn)生生長(zhǎng)所必需的激素和氨基酸，分解胚部有機(jī)大分子[20]。從而激活或阻斷某種基因的表達(dá)，調(diào)控酶的誘導(dǎo)和阻遏，與超聲協(xié)同作用刺激根部伸長(zhǎng)，改善其根系構(gòu)型，利于根系下扎，從而增加其對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收能力，提高肥料的利用效率[18]。本研究通過(guò)超聲處理和根瘤菌液浸泡的手段證明了超聲處理在一定程度上可以促進(jìn)小麥根系發(fā)育，同時(shí)說(shuō)明了根瘤菌可能通過(guò)超聲產(chǎn)生的細(xì)微傷口進(jìn)入種子內(nèi)部，從而對(duì)種子的活力或植株各生育階段的發(fā)育提供可能的幫助。

研究表明，從紫云英中分離的根瘤菌可以再水稻根部定殖并促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)[19,20]。利用田菁莖瘤固氮根瘤菌對(duì)小麥種子進(jìn)行侵染，可以在小麥根系內(nèi)定殖并對(duì)小麥有促生作用[21]。本研究中也發(fā)現(xiàn)根瘤菌劑可以提高小麥的根和植株的鮮重。根際微生物可利用根系分泌的無(wú)機(jī)鹽和一些生理活性物質(zhì)[22-24]，還可以通過(guò)mi RNA調(diào)節(jié)靶基因蛋白來(lái)調(diào)控根系的構(gòu)成和營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)程[25]。吲哚乙酸作為跨界信號(hào)分子調(diào)控微生物與植物之間的關(guān)系[26-28]，我們推測(cè)，其同類物質(zhì)2,4-D可達(dá)到同樣的效果，作為信號(hào)分子，成為植物與微生物溝通的橋梁，誘使根瘤菌黏附于植物根系分泌物上或根系黏液層外殼，進(jìn)而進(jìn)行代謝生長(zhǎng)或調(diào)節(jié)其生理過(guò)程，刺激植物生長(zhǎng)，為研發(fā)新型肥料提供可能的渠道。

無(wú)論是種子處理還是后期幼苗處理，結(jié)果都是為了能夠獲得植株較大生物量的增加。根瘤菌、激素和超聲的處理在根系擴(kuò)展和植株幼苗的生長(zhǎng)過(guò)程中有著顯著作用，但這三種因素的復(fù)合處理促進(jìn)小麥幼苗生長(zhǎng)的機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。

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