5株解鉀菌解鉀能力和抗旱效應(yīng)的比較

馮曉英，周桂雄,吳慶珊,方 正，王玉倩,牛曉娟,翁慶北

(貴州師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550001)

鉀是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，含量占干物質(zhì)質(zhì)量的0.3%～5.0%，是40多種酶的輔助因子，能促進(jìn)植物進(jìn)行光合作用，維持細(xì)胞膨壓，增強(qiáng)植物的抗逆性[1-2]。植物生長(zhǎng)所需的鉀元素主要靠根系從土壤吸收。土壤中鉀以無(wú)效、緩效和有效3種形態(tài)存在，其中，無(wú)效態(tài)鉀存在于礦物(巖石)，如鉀長(zhǎng)石和云母中，釋放比較緩慢，大部分土壤中能被植物直接吸收利用的有效態(tài)鉀很少，再加上長(zhǎng)期種植高產(chǎn)作物和使用大量配施比例不合理的肥料使土壤中的速效鉀減少，土壤表現(xiàn)出缺鉀癥狀[3]。硅酸鹽細(xì)菌又稱解鉀菌，是從土壤中分離出來(lái)的可分化硅鋁酸鹽和磷灰石類礦物的細(xì)菌，能作為微生物肥料。解鉀菌能分解鉀長(zhǎng)石、磷灰石等不溶硅鋁酸鹽的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)，施用解鉀菌可以將土壤中難溶性的鉀溶解出來(lái)，增加土壤中鉀元素的來(lái)源[4-5]。另外，施入解鉀菌還可以活化作物根際土壤微生態(tài)環(huán)境，提高酶活性，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，達(dá)到提高產(chǎn)量、改善品質(zhì)的效果[6-8]。

本研究首先對(duì)前期從金釵石斛(DendrobiumnobileLindl.)分離得到的5株內(nèi)生菌進(jìn)行解鉀能力測(cè)試，然后分別將5株內(nèi)生菌的發(fā)酵液接種到玉米幼苗，并模擬干旱，在不同干旱處理時(shí)期，測(cè)定玉米株高、葉片中超氧化物歧化酶(SOD)和過(guò)氧化物酶(POD)活性及丙二醛(MDA)含量，并與清水處理進(jìn)行比較，旨在探索接種內(nèi)生菌對(duì)提高玉米抗旱性的作用及其生理機(jī)制，以期為適合干旱地區(qū)的生物肥開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 解鉀菌解鉀能力的測(cè)定

1.1.1 菌種的來(lái)源 解鉀菌LG1、LG8、WG33、WG36、WG40均為貴州師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院從金釵石斛中分離得到的內(nèi)生細(xì)菌[9]。

1.1.2 培養(yǎng)基 LB培養(yǎng)基：蛋白胨10.0 g、酵母膏5.0 g、NaCl 10.0 g、蒸餾水1 000 mL，pH值7.0。

篩選培養(yǎng)基：NaH2PO42.0 g、FeCl30.05 g、MgSO4·7 H2O 0.2 g、葡萄糖10.0 g、CaCO30.1 g、鉀長(zhǎng)石粉1.00 g(去離子水5次清洗)、瓊脂20.00 g、去離子水1 000 mL，pH 值7.0～7.5。

解鉀活性培養(yǎng)基：CaCO30.50 g、葡萄糖20.00 g、Na2HPO42.00 g、NaCl 0.10 g、MgSO4·7H2O 0.50 g、(NH4)2SO41.00 g、酵母膏0.50 g，pH值7.2～7.5，加蒸餾水至1 000 mL。

1.1.3 菌種活化 將保存的解鉀菌接種到LB培養(yǎng)基，37 ℃、160 r/min搖床振蕩培養(yǎng)過(guò)夜。

1.1.4 解鉀能力測(cè)試 取解鉀活性培養(yǎng)基100 mL裝于含有1 g鉀長(zhǎng)石粉的250 mL三角瓶中，接入菌種，28 ℃、160 r/min搖床培養(yǎng)7 d；取培養(yǎng)液1 000 r/min離心10 min，去粗渣；取去粗渣培養(yǎng)液10 mL，8 000 r/min離心10 min；釆用火焰分光光度計(jì)法測(cè)定上清液中可溶性鉀含量。每組3個(gè)平行，對(duì)照(CK)組不加菌。

1.2 解鉀菌對(duì)玉米的抗旱效應(yīng)測(cè)試

試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理，處理1至處理5分別用解鉀菌LG1、LG8、WG33、WG36、WG40發(fā)酵液澆灌，處理6作為對(duì)照(CK)用清水澆灌，每個(gè)處理重復(fù)3次。

將長(zhǎng)勢(shì)一致的三葉期玉米苗，移栽于裝有相同質(zhì)量土壤的盆內(nèi)，每盆栽5株，移栽當(dāng)天用含有解鉀菌的發(fā)酵液或相同體積的蒸餾水(對(duì)照)澆透，之后停止?jié)菜M干旱。

在停止?jié)补嗪蟮牡?0、7、14、21、28 天，測(cè)定玉米幼苗的株高(用皮尺測(cè)定)，采集玉米葉用硫代巴比妥酸法測(cè)定MDA含量、用氮藍(lán)四唑(NBT)法測(cè)定SOD活性和用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定POD活性。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用 Excel、SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 解鉀菌的解鉀能力比較

將菌種分別接種到以鉀長(zhǎng)石粉作為唯一鉀源的解鉀活性培養(yǎng)基中，培養(yǎng)7 d后分別測(cè)定發(fā)酵上清液中可溶性鉀含量。結(jié)果表明(圖1)，這5株菌均表現(xiàn)出了一定的解鉀能力，能夠分解鉀長(zhǎng)石粉，釋放出可溶性鉀供植物吸收利用。未接菌的對(duì)照上清液可溶性鉀含量為5.18 mg/L，可能為高溫滅菌過(guò)程中少數(shù)不溶性磷、鉀被溶解，以及難溶性磷、鉀難以被充分洗滌所致。接種解鉀菌后，發(fā)酵上清液中可溶性鉀含量顯著高于對(duì)照，含量為6.34～7.73 mg/L，菌株LG1、WG33、WG36和WG40的解鉀能力較強(qiáng)，發(fā)酵上清液可溶性鉀含量較對(duì)照增加了43.05%～49.22%，LG8的可溶性鉀含量略低，但較對(duì)照也增加了22.39%。5種解鉀菌的解鉀能力大小順序?yàn)閃G33>LG1>WG40>WG36>LG8。

不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments(P<0.05)圖1 解鉀菌發(fā)酵上清液中可溶性鉀的含量Fig.1 The soluble potassium content in the fermentation supernatant of potassium-solubilizing bacteria

2.2 模擬干旱條件下解鉀菌對(duì)玉米幼苗株高的影響

在模擬干旱條件下，研究5株解鉀菌(LG1、LG8、WG33、WG36和WG40)對(duì)玉米幼苗株高的影響。從表1可以看出，干旱條件下未接種解鉀菌的玉米幼苗生長(zhǎng)非常緩慢，第28 天時(shí)株高僅增長(zhǎng)了0.34 cm，而接種了解鉀菌后，株高均明顯增加，株高增加量為2.47～4.46 cm，其中，接種解鉀菌WG36的玉米幼苗，第28天時(shí)株高達(dá)13.56 cm，增加量(4.46 cm)是對(duì)照玉米幼苗增加量的13.12倍。

表1 模擬干旱條件下不同解鉀菌對(duì)玉米幼苗株高的影響Tab.1 Effects of different potassium-solubilizing bacteria on the plant height of maize seedling under simulated drought condition cm

2.3 模擬干旱條件下解鉀菌對(duì)玉米抗旱指標(biāo)的影響

2.3.1 玉米幼苗內(nèi)MDA含量 植物器官在衰老或逆境脅迫時(shí)，會(huì)發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用，MDA是終產(chǎn)物之一，其含量越高，植物的抗逆性越弱[10]。從圖2可知，在模擬干旱條件下玉米幼苗內(nèi)MDA含量隨著干旱處理時(shí)間增加而增加。對(duì)照的玉米幼苗內(nèi)MDA含量在干旱處理28 d時(shí)達(dá)到了48.10 μmol/g。而接種了解鉀菌的玉米幼苗內(nèi)MDA含量雖然也隨著干旱處理時(shí)間的增加而增加，但與對(duì)照相比，其MDA含量均明顯低很多。尤其是接種解鉀菌WG40的玉米幼苗，其MDA含量在28 d時(shí)為33.11 μmol/g，比對(duì)照低14.99 μmol/g，這表明玉米幼苗的抗旱性得到了增強(qiáng)。

圖2 模擬干旱條件下不同解鉀菌對(duì)玉米幼苗MDA含量的影響Fig.2 The effects of different potassium-solubilizing bacteria on MDA content of maize seedling under simulated drought condition

2.3.2 玉米幼苗內(nèi)SOD活性 SOD是生物體內(nèi)清除自由基的首要物質(zhì)，干旱條件下，植物體內(nèi)SOD活性越高，其抗旱能力越強(qiáng)[11]。從圖3可知，隨著干旱處理時(shí)間的增加，SOD活性表現(xiàn)為先增加后降低。干旱處理14 d后，對(duì)照玉米幼苗內(nèi)SOD活性急劇降低，而接種了解鉀菌的玉米幼苗內(nèi)SOD活性則會(huì)增加，并在21 d左右再次達(dá)到一個(gè)高峰。從圖中可以看出，接種了WG36的玉米幼苗內(nèi)SOD活性在21 d時(shí)最高，為381 U/g。在干旱處理28 d時(shí)，對(duì)照玉米幼苗內(nèi)SOD活性為143 U/g，而接種解鉀菌的玉米幼苗內(nèi)SOD活性均明顯高于對(duì)照。

圖3 模擬干旱條件下不同解鉀菌對(duì)玉米幼苗SOD活性的影響Fig.3 The effects of different potassium-solubilizing bacteria on SOD activity of maize seedling under simulated drought condition

2.3.3 玉米幼苗內(nèi)POD活性 POD酶廣泛存在于植物體中，與呼吸作用、光合作用等都有關(guān)系。在干旱條件下，POD活性越高，說(shuō)明植物耐旱的能力越強(qiáng)[12]。圖4所示的是模擬干旱條件下，接種了不同解鉀菌后的玉米幼苗內(nèi)POD活性的變化情況。從圖4可以看出，隨著干旱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，POD活性呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。在干旱處理14 d時(shí)達(dá)最高，并且接種解鉀菌的玉米幼苗內(nèi)POD 活性均高于對(duì)照。在干旱處理的第28天，對(duì)照玉米幼苗內(nèi)POD活性為37 U/(g·min)，而接種解鉀菌WG40、WG36、WG33的玉米幼苗內(nèi)POD活性較對(duì)照均有所增加，其中，接種WG40的玉米幼苗內(nèi)POD活性較對(duì)照增加了18.92%。

圖4 模擬干旱條件下不同解鉀菌對(duì)玉米幼苗POD活性的影響Fig.4 The effects of different potassium-solubilizing bacteria on POD activity of maize seedling under simulated drought condition

3 結(jié)論與討論

解鉀菌能夠?qū)⒋嬖谟谕寥赖V物中的無(wú)效態(tài)鉀解離活化，提高土壤鉀的有效性，進(jìn)而促進(jìn)植物生長(zhǎng)、達(dá)到提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的目的。萬(wàn)兵兵等[13]研究表明，接種解鉀菌和解磷菌，可以提高烤煙土壤有效磷、有效鉀的含量。張禮等[14]研究表明，細(xì)莖石斛內(nèi)生菌具有解鉀能力，能增加植物對(duì)鉀的吸收，促進(jìn)石斛的生長(zhǎng)。馬娜等[15]研究表明，解鉀菌可以促進(jìn)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，提高馬鈴薯產(chǎn)量，改善其品質(zhì)。在本研究中，用鉀長(zhǎng)石為唯一鉀源的培養(yǎng)基，培養(yǎng)5種解鉀菌，結(jié)果顯示，上清液中可溶性鉀含量均明顯高于對(duì)照，說(shuō)明5種解鉀菌都可以解離活化鉀長(zhǎng)石中的礦物鉀。

大量研究表明，鉀元素可以提高植物的抗旱性[16-17]，同時(shí)也有報(bào)道表明，接種解鉀菌一定程度上也能增強(qiáng)植物的抗旱能力[18-19]。高陽(yáng)等[20]研究結(jié)果表明，在干旱脅迫下，接種金釵石斛內(nèi)生菌可促進(jìn)玉米種子的萌發(fā)。本研究所用的LG1、LG8、WG33、WG36、WG40 5株解鉀菌，是從金釵石斛中分離得到的內(nèi)生菌，通過(guò)解鉀能力測(cè)試，都具有一定的解鉀能力，其中菌株WG33表現(xiàn)的解鉀能力最強(qiáng)。將5種解鉀菌接種到玉米幼苗，并對(duì)其進(jìn)行干旱處理，結(jié)果顯示，干旱處理28 d后，均能促進(jìn)玉米幼苗株高的增加，與前人的研究結(jié)果一致[21]。接種5株解鉀菌同時(shí)可降低玉米幼苗MDA的含量，在一定程度上可以降低干旱對(duì)玉米細(xì)胞膜的破壞，同時(shí)玉米幼苗SOD、POD活性得到一定提高，降低活性氧對(duì)玉米幼苗的傷害，提高玉米幼苗的抗旱能力。