綠色木霉緩解干旱脅迫對(duì)玉米幼苗根系生長(zhǎng)的影響

鄧薇，張祖銜，曹宇航，徐洪偉，周曉馥

（吉林師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院／吉林省植物資源科學(xué)與綠色生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 四平 136000）

干旱缺水是制約中國(guó)農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展和糧食安全的主要因素［1］。玉米（Zea maysL.）屬于禾本科玉蜀黍?qū)伲?］，為高耗水植物［3］，整個(gè)生育期需要充足的水分供應(yīng)，大致為500～800 mm，這樣才能保證玉米正常發(fā)育。隨著全球氣候的變化，特別是在氣候異常波動(dòng)情況下［4］，水資源匱乏，旱情的發(fā)生也逐漸加重，這已成為限制玉米產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素［5］，嚴(yán)重干旱時(shí)甚至造成絕產(chǎn)絕收。

干早脅迫會(huì)導(dǎo)致幼苗生長(zhǎng)受阻、植株矮小。植物根系是影響產(chǎn)量的重要器官［6］，是連接地上部與土壤水分、養(yǎng)分的橋梁，發(fā)揮著固持地上組織和汲取地下水分養(yǎng)分的雙重功能［7］。通過(guò)觀察植物根部形態(tài)，可以直接了解到根系發(fā)育狀況是否良好，尤其是在幼苗階段。好的根系構(gòu)型不僅可以提高根系對(duì)土壤養(yǎng)分和水分的利用效率，而且也是構(gòu)建穩(wěn)定生態(tài)群落的基礎(chǔ)［8］。根系形態(tài)決定著作物獲得土地營(yíng)養(yǎng)資源狀況，同時(shí)也是影響?zhàn)B分吸收的重要因素［6］，與作物的品質(zhì)和產(chǎn)量息息相關(guān)。玉米作為單株生產(chǎn)力較強(qiáng)的禾谷類作物，強(qiáng)大的根系是其高產(chǎn)的重要原因之一［9］。所以，玉米根系研究是其抗旱性研究的重要內(nèi)容。

木霉菌（Trichodermaspp.）屬于半知菌亞門絲孢綱絲孢目粘孢菌類［10］，自然界中廣泛存在，通常分布于植物殘?bào)w、植物根以及土壤等環(huán)境中，是一類普遍存在的真菌［11］。木霉菌主要的促生機(jī)制包括分泌類植物激素丁烯烴酸內(nèi)酯以刺激作物根系伸長(zhǎng)，而根系的伸長(zhǎng)又有利于植物吸收土壤深處的養(yǎng)分與水分［12］。劉愛(ài)榮等［13］研究發(fā)現(xiàn)，木霉菌可以促進(jìn)根系發(fā)育，提高作物產(chǎn)量，也能在一定程度上抵抗生物與非生物脅迫。有研究表明，木霉是落葉松根際優(yōu)勢(shì)真菌之一［14］，可通過(guò)誘發(fā)植物自身的抵抗?jié)撃軄?lái)提高植物自身的抗性［15］。本團(tuán)隊(duì)通過(guò)室內(nèi)盆栽控水試驗(yàn)，研究綠色木霉對(duì)干旱脅迫下玉米幼苗根系生長(zhǎng)的影響，以期為利用綠色木霉緩解干旱脅迫傷害提供科學(xué)依據(jù)，為玉米的抗旱避災(zāi)生產(chǎn)提供一種新的技術(shù)手段。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗(yàn)于2020年9月在吉林省植物資源科學(xué)與綠色生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

供試玉米品種鄭單958，由本實(shí)驗(yàn)室保存。

供試綠色木霉（Trichoderma viride），本實(shí)驗(yàn)室分離鑒定而得。具體過(guò)程與方法為：分離于四年生大田參根部，該人參取自臨江市四道溝鎮(zhèn)崗頭村，PCR產(chǎn)物送至長(zhǎng)春北科生物技術(shù)有限公司進(jìn)行測(cè)序，將測(cè)得序列片段NCBI網(wǎng)站進(jìn)行BLSAT比對(duì)，確認(rèn)為綠色木霉。

供試土壤為黑土，取自梨樹試驗(yàn)田，用立式壓力蒸汽滅菌器于121℃、0.22 MPa條件下滅菌2 h，自然冷卻備用。

1.2 材料處理與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 綠色木霉發(fā)酵液制備 將綠色木霉接種于PDA培養(yǎng)基，并28℃活化培養(yǎng)3～5 d。蒸餾水沖洗分生孢子，調(diào)節(jié)孢子濃度為5.0×108個(gè)／mL。按照5%的接種量將液體種子轉(zhuǎn)接入裝有100 mL PD培養(yǎng)液的250 mL三角燒瓶中，28℃、180 r／min搖床振蕩培養(yǎng)制備發(fā)酵液。

1.2.2 盆栽試驗(yàn) 取滅菌后試驗(yàn)土并裝入塑料育苗盆（規(guī)格：28 cm×25 cm），每盆裝土2 kg。玉米種子45℃溫水浸泡8 h后恒溫培養(yǎng)箱37℃暗萌芽24 h。選取大小一致的露白玉米種子，每盆3穴、每穴2粒播種。幼苗二葉一心期定植，每盆3株。四葉一心期，將菌劑稀釋200倍后灌根接種處理，14 d后進(jìn)行7 d自然干旱脅迫。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，分別為對(duì)照（CK，正常灌水）、綠色木霉處理（TK）、干旱處理（DSCK）、綠色木霉＋干旱處理（DSTK），每處理重復(fù)3次。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

7 d干旱脅迫結(jié)束后，測(cè)定玉米幼苗根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)：將洗凈根系放入20 cm×40 cm根盤中，置于掃描儀上，根盤中添加高度為5～10 mm水，使水面恰好全部沒(méi)過(guò)根系，再用儀器遮光板全部覆蓋住根盤，進(jìn)行根系全景掃描。待到掃描完成，通過(guò)WinRHIZO圖像查看軟件，調(diào)節(jié)閾值使效果最佳，獲得如下指標(biāo)值：總投影面積、總根長(zhǎng)、總根表面積、總根體積、根尖數(shù)、分支數(shù)、交叉數(shù)、鏈接數(shù)、根鏈接平均長(zhǎng)度、根鏈接平均直徑、分形維數(shù)等。

各處理于播種后第30 d分別進(jìn)行全株取樣，重復(fù)3次，每個(gè)重復(fù)取樣1株。將沖洗干凈的根、冠分開，稱量其鮮重后，放入恒溫箱中105℃殺青15 min，80℃烘至恒重并分別稱重，計(jì)算根冠比。

根據(jù)WinRHIZO測(cè)定的根長(zhǎng)和根表面積，以及烘干稱重測(cè)得的根系生物量計(jì)算比根長(zhǎng)（SRL）、比根表面積（SRA）。計(jì)算公式如下：

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel系統(tǒng)進(jìn)行處理，利用SPSS 22.0軟件最小顯著差異法（LSD）檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較（P＜0.05）分析，應(yīng)用Sigma-Plot 12.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠色木霉對(duì)干旱脅迫下玉米根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)的影響

接種綠色木霉對(duì)玉米幼苗的總投影面積、總根表面積和總根體積均具顯著影響，干旱脅迫對(duì)玉米幼苗的總根長(zhǎng)、總投影面積、總根表面積和總根體積均具顯著影響，但兩者的交互作用對(duì)總根長(zhǎng)、總投影面積、總根表面積和總根體積影響不顯著（表1）。

表1 玉米幼苗根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)的雙因素方差分析

由表2可見(jiàn)，與CK相比，正常水分條件下施加綠色木霉處理（TK）玉米幼苗總投影面積和總根表面積分別增加18.41%、41.73%；干旱脅迫下施加綠色木霉處理（DSTK）玉米幼苗與DSCK相比，總投影面積增加不顯著，總根表面積增加57.62%（P＜0.05）。TK處理玉米幼苗總根長(zhǎng)與CK相比，差異雖不顯著，但增加10.12%；DSTK處理玉米幼苗總根長(zhǎng)與DSCK差異顯著，增幅為52.32%。總根體積反映植株根系健壯程度，發(fā)達(dá)而健壯的根系是作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)［16］。TK處理玉米幼苗總根體積與CK相比差異顯著，增100.07%；DSTK處理玉米幼苗總根體積較DSCK顯著增加56.17%。以上結(jié)果表明，施加綠色木霉可以有效健壯玉米幼苗根系。

表2 綠色木霉對(duì)干旱脅迫下玉米根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)的影響

2.2 綠色木霉對(duì)干旱脅迫下玉米根系構(gòu)型的影響

由表3可見(jiàn)，接種綠色木霉對(duì)玉米幼苗根的分支數(shù)、根鏈接平均直徑和根鏈接平均長(zhǎng)度均具顯著影響，干旱脅迫對(duì)玉米幼苗根的交叉數(shù)、根尖數(shù)、鏈接數(shù)和根鏈接平均直徑、根鏈接平均長(zhǎng)度均具顯著影響，兩者的交互作用對(duì)根鏈接平均直徑和根鏈接平均長(zhǎng)度影響顯著。

表3 玉米幼苗根系構(gòu)型的雙因素方差分析

由表4可見(jiàn)，正常水分條件下施加綠色木霉處理（TK）玉米幼苗根系分支數(shù)較對(duì)照（CK）增加86.39%，差異顯著，交叉數(shù)和根尖數(shù)分別增加5.93%、5.16%；干旱脅迫條件下施加綠色木霉處理（DSTK）玉米幼苗根系分支數(shù)與DSCK差異顯著，交叉數(shù)和根尖數(shù)差異不顯著，但為上升趨勢(shì)，增幅為13.66%、57.83%。

表4 綠色木霉對(duì)干旱條件下玉米根系構(gòu)型的影響

根鏈接平均直徑和根鏈接平均長(zhǎng)度反映根系對(duì)土壤的穿透能力及其資源利用范圍［17，18］。TK處理玉米幼苗根鏈接平均長(zhǎng)度顯著高與CK，而根鏈接平均直徑略低于CK，但差異不顯著；DSTK處理玉米幼苗根鏈接平均直徑和根鏈接平均長(zhǎng)度與DSCK差異顯著。TK處理玉米幼苗根的鏈接數(shù)與CK差異顯著，上升25.46%；DSTK處理玉米幼苗根的鏈接數(shù)與DSCK差異顯著。表明，施加綠色木霉可以增強(qiáng)根系對(duì)土壤的穿透能力及其資源的利用范圍。

2.3 綠色木霉對(duì)干旱脅迫下玉米根系幾何特征的影響

由表5可見(jiàn)，接種綠色木霉對(duì)玉米幼苗的比根長(zhǎng)、比根表面積和分形維數(shù)均具顯著影響，但干旱脅迫對(duì)玉米幼苗的比根長(zhǎng)、比根表面積和分形維數(shù)的影響不顯著，兩者的交互作用對(duì)比根長(zhǎng)影響顯著。

表5 玉米幼苗根系幾何特征的雙因素方差分析

根系幾何特征是根系結(jié)構(gòu)與功能之間關(guān)系的反映［19］。由表6可見(jiàn)，正常水分條件下施加綠色木霉處理（TK）玉米幼苗的比根長(zhǎng)和比根表面積與CK差異顯著，分別增加150.44%、88.40%；干旱脅迫下施加綠色木霉處理（DSTK）玉米幼苗的比根長(zhǎng)和比根表面積與DSCK差異顯著，分別增加57.65%、78.94%。

表6 綠色木霉對(duì)干旱條件下玉米根系幾何特征的影響

正常水分條件下施加綠色木霉處理（TK）玉米幼苗根的分形維數(shù)與CK差異顯著，增幅為34.69%；干旱脅迫下施加綠色木霉處理（DSTK）玉米幼苗根的分形維數(shù)與DSCK差異顯著，增加42.75%（圖1）。

圖1 干旱脅迫下玉米根系掃描圖

2.4 綠色木霉對(duì)干旱脅迫下玉米幼苗生物量的影響

由表7可見(jiàn)，接種綠色木霉、干旱脅迫及兩者的交互作用對(duì)玉米幼苗地上部鮮重、地下部鮮重和根冠比均具顯著影響。

表7 玉米幼苗生物量與根冠比的雙因素方差分析

由表8可以看出，正常水分條件下施加綠色木霉處理（TK）玉米幼苗地上部鮮重和地下部鮮重與CK差異顯著，分別增加200.5%和162.4%；干旱脅迫下施加綠色木霉處理（DSTK）玉米幼苗地上部鮮重和地下部鮮重與DSCK差異顯著，分別增加207.2%和147.5%。與CK相比，TK處理玉米幼苗根冠比增加11.13%；DSTK處理玉米幼苗根冠比與DSCK相比，增加25.28%。這表明在不同水分處理下，接種綠色木霉可促使玉米幼苗地下部、地上部鮮重和根冠比增幅更大，抵御干旱的能力更強(qiáng)。

表8 綠色木霉對(duì)干旱脅迫下玉米幼苗生物量的影響

3 討論與結(jié)論

根系是影響植物產(chǎn)量的重要器官，同時(shí)也是影響?zhàn)B分吸收的重要因素，進(jìn)而影響植物地上部光合作用與生長(zhǎng)發(fā)育，與作物的品質(zhì)和產(chǎn)量息息相關(guān)［20］。植物的根系構(gòu)型是根系在土壤中生長(zhǎng)、分布與覓食特點(diǎn)的表征，反映了根系的平面結(jié)構(gòu)與立體空間特征及根系獲取土壤資源的方式與能力［21，22］，良好的根系構(gòu)型有利于植物在逆境脅迫中提高根系形態(tài)穩(wěn)定性和資源利用效率［9］。根系幾何特征與根系對(duì)土壤資源的吸收能力和利用潛力密切相關(guān)［23，24］，是根系結(jié)構(gòu)與功能之間關(guān)系的反映。玉米作為單株生產(chǎn)力較強(qiáng)的禾谷類作物，其強(qiáng)大的根系是成為高產(chǎn)作物的重要原因之一。改變根系特征促進(jìn)作物生長(zhǎng)是直接且有效的方法，目前許多栽培手段都是通過(guò)直接影響根系實(shí)現(xiàn)作物的高產(chǎn)。本研究結(jié)果顯示，正常水分條件下接種綠色木霉處理（TK），與CK相比，玉米幼苗的總根表面積、總投影面積、總根長(zhǎng)分別增加41.73%、18.41%、10.12%，總根體積增加100.07%（P＜0.05）；根系構(gòu)型中分支數(shù)、鏈接數(shù)、根鏈接平均長(zhǎng)度與CK差異顯著（P＜0.05），交叉數(shù)、根尖數(shù)與CK差異不顯著，分別增加5.93%、5.16%；比根長(zhǎng)、比根表面積、分形維數(shù)、地上部鮮重、地下部鮮重與CK差異顯著（P＜0.05）。與DSCK相比，干旱脅迫下接種綠色木霉處理（DSTK）玉米幼苗的總根長(zhǎng)、總根體積、總投影面積和總根表面積均顯著提高（P＜0.05）；根系構(gòu)型中分支數(shù)、鏈接數(shù)、根鏈接平均長(zhǎng)度、根鏈接平均直徑與DSCK差異顯著（P＜0.05）；比根長(zhǎng)、比根表面積、分形維數(shù)、地上部鮮重、地下部鮮重與DSCK差異顯著（P＜0.05），根冠比與DSCK差異不顯著，增幅為25.28%。這與丁紅等［20］的試驗(yàn)結(jié)果一致。張樹武等［25］也指出，綠色木霉發(fā)酵液處理黑麥草和白三葉草幼苗后的根長(zhǎng)、幼苗鮮重相對(duì)增長(zhǎng)率分別達(dá)到37.09%、57.73%和16.95%、40.57%，與本研究結(jié)果一致。

綜上看出，綠色木霉可通過(guò)擴(kuò)大幼苗根系的吸收范圍和能力，增加幼苗對(duì)礦質(zhì)元素的吸收，減少水分散失，使幼苗更好地利用和保持土壤水分。綠色木霉通過(guò)自身或利用周圍微生物及植物等分泌多種酶類以及次生代謝產(chǎn)物來(lái)分解有機(jī)質(zhì)，活化土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)，降低干旱脅迫對(duì)玉米幼苗的傷害［26］。因此，綠色木霉在農(nóng)業(yè)和環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。