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(lèi)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(mén)絲孢綱絲孢目粘孢菌類(lèi)[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(lèi)普遍存在的真菌[11]。木霉菌主要的促生機(jī)制包括分泌類(lèi)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。
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(shù)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。
1.2.1 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。
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(pán)中,置于掃描儀上,根盤(pán)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(pán),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(kāi),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:
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。
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%??偢w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
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。
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
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
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(lèi)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(shù)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?chē)⑸锛爸参锏确置诙喾N酶類(lèi)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。