甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌對黃瓜穴盤育苗效果的影響

馬 飛 王 菁 王君正 胡曉輝*

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，陜西楊凌 712100；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西楊凌 712100；3 陜西省設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，陜西楊凌 712100）

穴盤育苗是蔬菜生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，培育壯苗是保障設(shè)施蔬菜高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一，基質(zhì)組分、有機(jī)質(zhì)含量和微生物豐度及含量均可直接影響成苗質(zhì)量和發(fā)育（劉忠華 等，2019；楊凡 等，2020；徐誠 等，2021）。微生物菌劑是基于功能菌株的作用特點(diǎn)而研制的生物制劑，在改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)作物生長、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)中具有良好的效果和綠色、安全、無污染的特點(diǎn)（祝虹鈺 等，2017；周建，2020）。呂倩等（2014）發(fā)現(xiàn)甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌具有對環(huán)境的多抗逆性、代謝產(chǎn)物的多樣性、廣譜的抗菌活性及對作物和環(huán)境無毒無害等優(yōu)點(diǎn)。目前國內(nèi)外關(guān)于甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌的研究集中于對黃瓜炭疽病、枯萎病和葡萄霜霉病等病害的防治作用及機(jī)理等方面（康興嬌 等，2016；魏新燕 等，2018；蔣妮 等，2020）。胡曉輝等（2020）前期研究發(fā)現(xiàn)甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌在夏季高溫期對黃瓜秧苗生長發(fā)育具有顯著促進(jìn)作用，但在常溫條件下，其對穴盤育苗過程中幼苗發(fā)育的作用效果、最佳用量及作用原理尚不明確。

此外，目前關(guān)于促生壯苗的研究多集中于外源激素的施用（張娜娜 等，2019）和育苗基質(zhì)配方的改良（史宏玉 等，2020），而關(guān)于微生物菌劑甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌適宜用量、效果及促生壯苗調(diào)控機(jī)制的研究尚缺乏數(shù)據(jù)。因此，本試驗通過在育苗基質(zhì)中添加不同劑量甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌菌劑，研究其對黃瓜穴盤苗形態(tài)發(fā)育、生物量和與元素積累量的影響，并從植物激素、根系發(fā)育和葉綠素含量等途徑解析其作用機(jī)理，以期確定菌劑最佳施用量和明晰甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌促進(jìn)黃瓜穴盤苗生長的生理機(jī)制，從而為培育黃瓜壯苗，提高黃瓜產(chǎn)量、品質(zhì)及降低生產(chǎn)成本提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試黃瓜品種為博耐526，供試菌劑為VL-10型甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌（粉劑，有效活菌數(shù)為5 ×10CFU · g，山東蔚藍(lán)生物科技有限公司生產(chǎn)）。育苗基質(zhì)選用以菇渣和牛糞為主要成分的腐熟農(nóng)業(yè)廢棄物，容重0.34 g · cm、pH 值6.73、EC 值1 421 μS · cm、硝態(tài)氮含量851 mg · kg、銨態(tài)氮含量94 mg · kg、速效磷含量854 mg · kg、速效鉀含量3 858 mg · kg、有機(jī)質(zhì)含量46.2%。采用50 孔穴盤育苗。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2020 年6—7 月在陜西楊凌（34°28′N，108°07′E）西北農(nóng)林科技大學(xué)南校區(qū)科研溫室中進(jìn)行。試驗期間日平均空氣溫度為18.2～33.6 ℃，日平均相對濕度為51.2%～86.5%（由北京金洋萬達(dá)科技有限公司生產(chǎn)的WD-PDKI 型溫濕度光照記錄儀測得）。

按 照0、5、10、15、20、25 kg · m劑量分別向育苗基質(zhì)中配施甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌（記為CK、T、T、T、T、T），共6 個處理，每個穴盤為1 個重復(fù)，3 次重復(fù)。黃瓜種子經(jīng)溫湯浸種、催芽露白后，分別播于拌有不同菌劑用量的基質(zhì)內(nèi)，并置于科研溫室內(nèi)育苗，苗期管理按常規(guī)設(shè)施穴盤育苗方法進(jìn)行。播種后40 d（成苗時）取樣測定相關(guān)指標(biāo)。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 植株生長指標(biāo)和葉綠素含量 各處理隨機(jī)選取15 株幼苗，分別測定株高、莖粗和葉面積。用卷尺測量莖基部至生長點(diǎn)的高度為株高；用游標(biāo)卡尺測量莖基部直徑為莖粗；用游標(biāo)卡尺分別測量第2 片真葉的葉長和葉寬，計算葉面積（任杰，2013）。

葉面積=葉長 × 葉寬 × 0.743

蒸餾水洗凈根系后，用Epson Perfection V700 Photo 根系掃描儀分別分析單株根系總長度、根表面積、根體積、根直徑及根尖數(shù)；選取幼苗第2 片真葉，采用乙醇丙酮混合浸提法（李合生，2000）測定葉綠素含量。

1.3.2 植株生物量和N、P、K 元素積累量 各處理每個重復(fù)隨機(jī)取樣15 株，將植株沖洗干凈后，擦干并從根基部分開，分別測定幼苗地上各部和根系鮮質(zhì)量，并將其于105 ℃烘箱中殺青30 min，于70 ℃烘干至質(zhì)量恒定后，測定地上部分和根系的干質(zhì)量，計算壯苗指數(shù)和生長函數(shù)（值）（任杰，2013）。然后測定植株全N、P、K 元素含量，計算各元素積累量（張佼 等，2019）。

壯苗指數(shù)=（莖粗/株高）×全株干質(zhì)量

值=全株干質(zhì)量/育苗天數(shù)

元素積累量=元素含量×植株干質(zhì)量

1.3.3 根系激素含量 各處理隨機(jī)選取15 株成苗根系，用高效液相色譜法（HPLC）（馬有寧和陳銘學(xué)，2011）測定根系吲哚乙酸（3-Indoleacetic acid，IAA）、茉莉酸（jasmonic acid，JA）和乙烯前體物質(zhì)氨基環(huán)丙烷羧酸（1-Aminocyclopropane-1-carboxylic acid，ACC）含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及圖表制作，用SPSS 23.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析，Duncan’s 方法進(jìn)行顯著性檢驗，數(shù)據(jù)以平均值 ±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同菌劑用量對黃瓜幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響

由表1 可以看出，不同用量甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌處理均顯著提高了幼苗株高、莖粗和葉面積。與CK 相比，T～T處理的株高提高21.4%～75.0%，且T、T和T處理均顯著高于T和T處理；莖粗提高7.0%～18.8%，且T和T處理顯著高于T和T處理；葉面積提高24.8%～70.8%，T、T、T和T處理之間無顯著差異，但均顯著高于T1 處理。表明施用甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌菌劑可顯著促進(jìn)黃瓜幼苗莖的生長發(fā)育，且作用效果受菌劑用量影響，以T和T處理對黃瓜幼苗株高、莖粗的促進(jìn)效果最優(yōu)，且施用菌劑對幼苗葉片發(fā)育具有顯著促進(jìn)作用。

表1 不同菌劑用量對黃瓜幼苗株高、莖粗和葉面積的影響

2.2 不同菌劑用量對黃瓜幼苗生物量、壯苗指數(shù)和G 值的影響

由表2 可知，與CK 相比，除T處理的全株鮮質(zhì)量和壯苗指數(shù)外，不同菌劑用量處理均顯著提高了黃瓜幼苗的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、壯苗指數(shù)和值，其中T、T、T和T處理的全株鮮、干質(zhì)量均顯著優(yōu)于CK 和T處理，且4 個處理間無顯著差異，全株鮮質(zhì)量分別比CK 提高82.5%、74.7%、79.1%和85.0%，全株干質(zhì)量分別提高62.7%、70.6%、58.0%和59.3%；T處理的全株鮮、干質(zhì)量分別較CK 提高了7.3%和16.0%。T處理的壯苗指數(shù)和值顯著高于其他處理，分別較CK 提高了24.2%和75.6%；T處理對壯苗指數(shù)和值的影響次之，較CK 提高了8.7%和68.3%。表明甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌菌劑在促進(jìn)幼苗形態(tài)發(fā)育的同時，可顯著提高黃瓜幼苗的生物量、壯苗指數(shù)和值，對培育壯苗具有明顯促進(jìn)作用。

表2 不同菌劑用量對黃瓜幼苗生物量、壯苗指數(shù)和G 值的影響

2.3 不同菌劑用量對黃瓜幼苗葉綠素含量的影響

由表3 可知，幼苗葉片的葉綠素含量隨菌劑用量增加呈先降低后升高的變化趨勢，T處理的葉綠素a、b 和葉綠素總量顯著高于其他處理，分別較CK 提高了22.2%、29.8%和23.9%；T處理次之；而T處理的葉綠素總量與CK 無顯著差異；T和T處理的葉綠素含量均較CK 顯著降低，但葉綠素a/b 顯著升高，且二者之間無顯著差異；T、T和T處理的葉綠素a/b 均顯著降低。表明甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌對幼苗葉片葉綠素含量的影響受劑量效應(yīng)調(diào)控，在低菌劑用量（5～15 kg · m）下可能降低葉綠素含量，而高菌劑用量（20～25 kg · m）可提高葉綠素含量，進(jìn)而促進(jìn)幼苗光合作用。

表3 不同菌劑用量對黃瓜幼苗葉綠素含量的影響

2.4 不同菌劑用量對黃瓜幼苗根系生長的影響

由表4 可知，隨菌劑用量增加，菌劑處理對幼苗根系發(fā)育的促進(jìn)作用呈增強(qiáng)趨勢。T處理的根表面積、根直徑和根體積顯著高于其他處理，較CK分別增加164.7%、22.9%和201.8%；T處理根長、根尖數(shù)最高，但與T處理差異不顯著；T處理的根長顯著高于T處理，二者根表面積、根體積和根尖數(shù)之間均無顯著差異，但均顯著高于CK，較CK 分別增加106.1%～108.2%、107.2%～131.0%和15.1%～28.6%。表明除T根直徑以外，在較高劑量（15～25 kg · m）的菌劑處理下，黃瓜幼苗根長、根表面積、根直徑、根體積、根尖數(shù)均顯著提高，從而保證了根系對水分、養(yǎng)分的吸收，有利于植株的生長發(fā)育，從而起到培育壯苗的作用。

表4 不同菌劑用量對黃瓜幼苗根系生長的影響

2.5 不同菌劑用量對黃瓜幼苗根系激素含量的影響

如表5 所示，基質(zhì)配施甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌后，幼苗根系IAA 含量顯著增加，JA 含量呈先升后降的變化趨勢，ACC 含量均有不同程度的降低。與CK 相比，T～T處理的IAA 含量分別提高了22.7%、13.4%、39.7%、19.1% 和82.0%；T、T和T處理的JA 含量分別提高了7.1%、46.1%和170.4%，而T處理的JA 含量與CK 無顯著差異，T處理則顯著降低。各處理的ACC 含量分別較CK 降低了6.5%、16.8%、16.6%、7.4%和3.9%，且T、T、T處理顯著降低。表明黃瓜幼苗根系不同激素對菌劑用量的響應(yīng)趨勢和程度不同，其中T處理的IAA 最高，T處理的JA 最高，T處理的ACC 最低，T處理次之。表明甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌可能通過調(diào)控根系激素含量進(jìn)而起到調(diào)控黃瓜根系生長發(fā)育的作用。

表5 不同菌劑用量對黃瓜幼苗根系激素含量的影響

2.6 不同菌劑用量對黃瓜幼苗元素積累量的影響

如表6 所示，T、T和T處理的根系N、P、K 元素積累量均顯著高于CK，增幅分別為98.4%～112.5%、66.5%～78.2%和61.9%～86.9%，各處理間無顯著差異；T處理的根系N 和K 元素積累量分別較CK 提高了59.6%和33.0%；T處理僅顯著提高了根系K 元素積累量。T、T、T和T處理均顯著提高了地上部和全株N 元素積累量，且以T處理增幅最大，分別為98.1%和94.5%。T、T和T處理顯著提高了地上部和全株P(guān) 元素含量，較CK 提高了82.5%～95.8%和89.3%～80.4%，各處理之間無顯著差異。T～T處理的地上部和全株K 元素積累量均顯著高于CK，增幅分別為34.5%～60.0%和38.9%～60.2%，且T處理積累量最高。表明添加甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌后，顯著提高了植株對N、P、K 元素的吸收和積累。

表6 不同菌劑用量對黃瓜幼苗元素積累量的影響

2.7 黃瓜生長指標(biāo)與植株元素積累量及根系激素含量間相關(guān)性分析

由表7 可知，根系IAA 含量與植株莖粗、根表面積、根直徑和根體積呈極顯著正相關(guān)，與株高、全株生物量和根長呈顯著正相關(guān)；根系JA 含量與植株形態(tài)和根系生長指標(biāo)間均無顯著相關(guān)性；根系A(chǔ)CC 含量與植株株高、莖粗、葉面積、全株生物量和壯苗指數(shù)間均呈顯著負(fù)相關(guān)，與值呈極顯著負(fù)相關(guān)，與根系生長指標(biāo)無顯著相關(guān)性。地上部N、P 和K 元素積累量與株高、莖粗、葉面積、全株生物量、壯苗指數(shù)、值、根長、根表面積、根體積和根尖數(shù)間均呈極顯著正相關(guān)。根系N、P 和K 元素積累量與株高、莖粗、葉面積、全株生物量、值、根表面積和根體積呈極顯著正相關(guān)，與根直徑呈顯著正相關(guān)，而根系N 元素積累量還與壯苗指數(shù)和根尖數(shù)間呈顯著正相關(guān)，根系P 元素積累量與根長呈顯著正相關(guān)，根系K 元素積累量還與壯苗指數(shù)和根長間呈顯著正相關(guān)，根系P 元素積累量與壯苗指數(shù)無顯著相關(guān)性。

表7 黃瓜生長指標(biāo)和元素積累量及根系激素含量的相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

根際有益微生物不僅通過影響根際介質(zhì)結(jié)構(gòu)與肥力，間接影響作物生產(chǎn)過程，還可通過定殖于作物根系表面或內(nèi)部，直接影響植物的生長發(fā)育過程，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增產(chǎn)的最終目的（Trivedi et al.，2021）。但不同微生物菌劑的功能、作用方式及其最適作用濃度區(qū)間存在差異，王君正等（2021）研究發(fā)現(xiàn)2.5 × 10CFU · mL甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌或植物乳桿菌菌劑灌根處理可通過提高基質(zhì)酶活性，加速根際速效養(yǎng)分供給，提高根際有效態(tài)氮等速效養(yǎng)分含量，加速植株對元素的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、同化和積累，提高養(yǎng)分利用率，進(jìn)而提高黃瓜產(chǎn)量和品質(zhì)；Kuramae 等（2020）研究表明在高粱盆栽中接種IAC/BECa135 和152 菌株，增加了植物養(yǎng)分吸收和生長素信號傳導(dǎo)能力，進(jìn)而增加了高粱的根和莖生物量；土壤中添加枯草芽孢桿菌可增加根際微生物數(shù)量，促進(jìn)甜瓜株高、莖粗、葉面積增加，進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)效果（黃亞麗 等，2020）；利用從黃瓜健康根系土壤中分離菌株研發(fā)的微生物菌劑處理黃瓜植株后，其株高、莖粗和葉綠素含量等指標(biāo)均較對照顯著提高（呂鵬超 等，2020）。壯苗指數(shù)和值是黃瓜穴盤育苗的關(guān)鍵指標(biāo)，本試驗中，與CK 相比，T～T處理顯著提高了黃瓜幼苗的壯苗指數(shù)和值，增幅為3.2%～24.2%和56.1%～75.6%；促進(jìn)作用優(yōu)于低菌劑用量（T），且最大值均出現(xiàn)在T處理，表明施用甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌可顯著促進(jìn)黃瓜幼苗形態(tài)發(fā)育、加速成苗并提高幼苗質(zhì)量，在生產(chǎn)中具有良好的應(yīng)用前景，其作用效果受劑量效應(yīng)調(diào)控。

微生物菌劑可通過改善根系構(gòu)型，促進(jìn)植物對于水分和養(yǎng)分的吸收（陳偉立 等，2016），也可通過固氮、溶磷、解鉀等途徑來提高土壤礦質(zhì)元素的可利用性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對植物的促生效果（Babalola，2010；呂雅悠 等，2016）。Krishnamoorthy 等（2018）發(fā)現(xiàn)多種甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌對花生根系的生長均有不同程度的促進(jìn)作用，ZJM-P5 型芽孢桿菌與磷肥互作顯著提升了紅小豆幼苗的主根長、根表面積和根體積，并且顯著提高了幼苗P 元素含量（楊倩等，2020）。根施巨大芽孢桿菌、多粘性芽孢桿菌及枯草芽孢桿菌均能顯著增加黃瓜植株生物量（季倩茹 等，2020）。本試驗結(jié)果與上述研究一致，施用甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌可以通過改善黃瓜幼苗的根系構(gòu)型，促進(jìn)根長、根表面積、根直徑、根體積和根尖數(shù)增加，且除T處理外，菌劑處理均顯著促進(jìn)了植株N、P、K 元素積累量和黃瓜幼苗生物量的增加，由相關(guān)性分析可知菌劑一方面通過改善根系構(gòu)型，另一方面通過促進(jìn)元素的吸收與積累，進(jìn)而促進(jìn)幼苗對礦質(zhì)元素的同化利用，促進(jìn)植株的生長與生物量積累。

根系形態(tài)變化根本上是植物基因型、外界環(huán)境和內(nèi)源激素代謝共同作用的結(jié)果（單立山 等，2017）。王亞楠等（2020）和付嚴(yán)松等（2020）研究表明微生物菌株可分泌植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)或通過分泌多種信號物質(zhì)以促進(jìn)植株自身分泌生長激素來促其生長發(fā)育；Rijavec 和Lapanje（2016）研究證實(shí)PGPR 還能產(chǎn)生植物激素、揮發(fā)性化合物等物質(zhì)促進(jìn)植物生長，產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物促進(jìn)根毛發(fā)育并提高根際中磷酸鹽的利用率；Magidin 等（2003）證實(shí)了IAA 能夠促進(jìn)植物細(xì)胞分裂、根的生長以及根表面積增加；劉莉（2018）研究表明JA 負(fù)調(diào)控擬南芥、向日葵主根的生長；ACC 的產(chǎn)生誘導(dǎo)了乙烯的產(chǎn)生，從而抑制了根系的生長，并且JA和ACC 都可以調(diào)節(jié)IAA 在植物體內(nèi)的積累與分布。研究發(fā)現(xiàn)甲基芽孢桿菌具有合成植物生長素的能力，并且ACC 可以被含ACC 脫氧酶的PGPR分解，從而減少乙烯含量，促進(jìn)根的伸長（Glick et al.，1998；Mikrobiologiia et al.，2017）。本試 驗結(jié)果表明，施用菌劑后各處理均顯著增加了黃瓜幼苗根系IAA 含量；JA 含量表現(xiàn)為除T和T處理外均顯著增加，且T處理顯著降低，這可能是過高的IAA 水平抑制了JA 的合成；另外與根系形態(tài)指標(biāo)的變化趨勢一致，IAA 和JA 含量的最大值分別出現(xiàn)在T和T處理中，而各處理的ACC 含量與CK 處理相比均有降低趨勢，這說明菌劑分泌或影響有關(guān)ACC 合成的相關(guān)物質(zhì)，根際添加甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌可通過改變根系內(nèi)源激素水平調(diào)控根系生長發(fā)育。王歸鵬等（2021）研究表明微生物菌劑能提高葉綠素含量，促進(jìn)光合效率進(jìn)而促進(jìn)植株物質(zhì)積累。本試驗中，不同處理的有效活菌濃度對植株元素吸收的作用效果不同，在低菌劑用量下對植株元素吸收的作用效果低于高菌劑處理，因此，T～T處理的黃瓜幼苗葉綠素含量表現(xiàn)為先降低再升高的變化趨勢，低菌劑處理的地上部分的光合參數(shù)弱于高菌劑處理，但具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。上述結(jié)果表明甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌一方面通過促進(jìn)根系內(nèi)源激素分泌，進(jìn)而促進(jìn)根系生長發(fā)育，增加水分及養(yǎng)分吸收與元素積累量；另一方面，通過增加葉綠素含量提高植物光合作用，促進(jìn)光合產(chǎn)物及生物量積累，最終實(shí)現(xiàn)形態(tài)指標(biāo)、壯苗指數(shù)和值協(xié)同提高，達(dá)到促生壯苗作用。

3.2 結(jié)論

①育苗基質(zhì)中添加適量的甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌（5 × 10CFU · g），在黃瓜穴盤育苗過程具有顯著的促生壯苗功能。

② 施用適量菌劑后，可顯著提高黃瓜幼苗根系內(nèi)源IAA、JA 和葉片葉綠素含量，促進(jìn)根系的生長，提高幼苗整株生物量及N、P、K 元素積累量，進(jìn)而達(dá)到促進(jìn)幼苗生長發(fā)育，培育壯苗的目的。

③綜合不同菌劑用量的作用效果和生產(chǎn)成本，在黃瓜穴盤育苗生產(chǎn)實(shí)踐過程中，推薦向基質(zhì)內(nèi)按15 kg · m用量添加甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌菌劑。