水稻苗床α 萘乙酸藥害的生物修復(fù)

鄭晨曦 程鵬 丁偉

摘要

α萘乙酸廣泛用于水稻秧田調(diào)節(jié)根系生長，常因用量控制不當(dāng)造成水稻根系畸形，生長被抑制，地上部葉片變黃等藥害大面積發(fā)生。從連續(xù)定量施用α萘乙酸的土壤中分離獲得6株菌株，確定其中2株菌株對α萘乙酸藥害具有明顯修復(fù)作用，經(jīng)細菌16S?rDNA和真菌?rDNAITS鑒定，細菌1號為芽胞桿菌Bacillus?sp.，真菌2號為籃狀菌Talaromyces?sp.。細菌1號和真菌2號菌劑施用后21?d，對苗床土壤中α萘乙酸的降解率分別為56.15%和38.06%;細菌1號處理下，水稻4葉期株高、莖基部寬度、須根數(shù)及根系干重分別恢復(fù)至對照的84.1%、86.1%、97.7%和84.5%，葉片SOD和POD活性分別顯著提高36.4%和66.8%，MDA含量明顯降低20.5%;真菌2號處理下，水稻4葉期，株高、莖基部寬度、須根數(shù)及根系干物質(zhì)分別恢復(fù)至對照的77.7%、81.6%、92.5%和80.4%。葉片SOD和POD活性分別提高11.1%和74.4%，MDA含量顯著降低10.6%。綜上，細菌1號和真菌2號對水稻苗床α萘乙酸藥害具有顯著修復(fù)效果。

關(guān)鍵詞

水稻;?α萘乙酸;?藥害;?降解;?生物修復(fù)

中圖分類號：

S?482.84;?S?481.8

文獻標識碼：?A

DOI：?10.16688/j.zwbh.2022084

Bioremediation?of?αnaphthylacetic?acid?damage?in?rice?seedbeds

ZHENG?Chenxi1，?CHENG?Peng2，?DING?Wei1*

（1.?College?of?Agriculture，?Northeast?Agricultural?University，?Harbin?150030，?China;

2.?Heilongjiang?Agricultural?Technology?Extension?Station，?Harbin?152500，?China）

Abstract

Alphanaphthalene?acetic?acid?is?widely?used?in?rice?seedling?fields?to?regulate?root?growth，?often?causing?root?deformities，?growth?inhibition?and?aboveground?leaf?yellowing?due?to?improper?dosage?control.?Six?microbial?strains?were?isolated?from?soil?under?continuous?quantitative?application?of?αnaphthylacetic?acid，?and?two?of?them?were?determined?to?have?significant?remediation?effect?on?αnaphthylacetic?acid?damage，?identified?by?16S?rDNA?and?rDNAITS?as?Bacillus?sp.?（Bacteria?1）?and?Talaromyces?sp.?（Fungus?2）.?The?degradation?rate?of?αnaphthylacetic?acid?in?the?soil?of?the?seedbed?by?Bacteria?1?and?Fungus?2?was?56.15%?and?38.06%?21?days?after?applications，?respectively.?The?plant?height，?stem?basal?width，?fibrous?root?number?and?root?dry?weight?of?rice?at?the?4leaf?stage?recovered?to?84.1%，?86.1%，?97.7%?and?84.5%?of?the?control?under?Bacterial?1?treatment，?and?leaf?SOD?and?POD?activity?were?significantly?increased?by?36.4%?and?66.8%，?and?the?MDA?content?was?obviously?reduced?by?20.5%.?At?the?4leaf?stage?of?rice?under?Fungus?2?treatment，?plant?height，?stem?basal?width，?number?of?fibrous?roots?and?root?dry?matter?recovered?to?77.7%，?81.6%，?92.5%?and?80.4%?of?the?control，?respectively.?Leaf?SOD?and?POD?activities?were?increased?by?11.1%?and?74.4%，?respectively，?and?MDA?content?was?significantly?reduced?by?10.6%.?It?suggested?that?Bacteria?1?and?Fungus?2?had?significant?restoration?effect?on?αnaphthalene?acetic?acid?damage?in?rice?seedbeds.

Key?words

rice;?αnaphthylacetic?acid;?drug?damage;?degradation;?bioremediation

20世紀90年代以來，水稻旱育稀植技術(shù)在中國水稻產(chǎn)區(qū)開始大面積推廣應(yīng)用。化控劑在促進水稻旱育秧苗根系生長、預(yù)防病害和改善水稻生理特性等方面發(fā)揮了重要作用［12］。α萘乙酸是一種人工合成的生長素類似物，在促進水稻秧苗根系生長方面發(fā)揮著重要的作用。由于其價格低廉，性質(zhì)穩(wěn)定，已被廣泛應(yīng)用于水稻生產(chǎn)［3］。研究表明，α萘乙酸濃度在?0～0.01?mg/L范圍內(nèi)，水稻根的伸長生長隨濃度增加而加快，不定根數(shù)量略有增加;當(dāng)α萘乙酸濃度超過?0.1?mg/L后，根的伸長生長明顯受到抑制［4］。α萘乙酸應(yīng)用于樹木扦插時也表現(xiàn)為低促高抑［5］。以?400～500?mg/kg?α萘乙酸溶液浸泡枝條，插條生根率可達到?83%以上;α萘乙酸濃度增加到600?mg/kg時雖然能明顯促進插條基部愈傷組織的形成，但其生根率反而下降。高濃度α萘乙酸處理的插條，由切口向上逐漸變褐、腐爛，只有部分插條能夠生根成活［6］。在水稻生產(chǎn)過程中，農(nóng)戶對α萘乙酸用量控制不當(dāng)，未按照說明書要求用量施用，習(xí)慣性加大用量來達到壯秧目的，但由于植物生長調(diào)節(jié)劑與除草劑等農(nóng)藥不同，屬于超高活性藥劑，低濃度α萘乙酸可促進植物生根，而高濃度α萘乙酸則抑制植物生長［7］。苗床土壤中高濃度α萘乙酸導(dǎo)致秧苗根系畸形、葉片變黃，大部分秧苗因不能正常吸收水分和養(yǎng)分而死亡［8］。因此本研究以α萘乙酸在水稻育秧田中最適濃度的3倍量模擬高劑量α萘乙酸對水稻秧苗產(chǎn)生藥害進行生物修復(fù)探究。

農(nóng)藥施用于植株，僅10%～20%農(nóng)藥附著在植株上，剩余80%～90%中大部分落入土壤、小部分進入地下水及空氣中，而微生物對水和土壤中的農(nóng)藥降解起主要作用［9］。α萘乙酸在土壤中的降解方式包括光解、水解和微生物降解［10］。對于殘留于土壤中的α萘乙酸，大多可以通過微生物降解的方式消除。因此，利用微生物降解作用修復(fù)其殘留藥害是操作簡便且不會產(chǎn)生二次污染的有效方法。目前國內(nèi)外科研工作者多是對除草劑殘留的生物降解進行研究［1113］，對水稻秧田過量施用α萘乙酸造成藥害的生物修復(fù)鮮有報道。本研究采集人跡罕至的林地土壤，室內(nèi)連續(xù)定量添加α萘乙酸進行培養(yǎng)，篩選對α萘乙酸藥害修復(fù)效果較好的菌株。

對分離和鑒定的2株可降解α萘乙酸的優(yōu)勢菌株，以過量施用α萘乙酸的藥害水稻秧苗作為指示植物，測定其對α萘乙酸的降解和對藥害水稻秧苗的修復(fù)效果，為解決水稻旱育秧過程中α萘乙酸藥害提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1?材料與方法

1.1?試驗材料

供試水稻為?‘東富125，種子由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院水稻育種室提供。供試土樣采自人跡罕至未施用任何農(nóng)藥的林地內(nèi)。98%?α萘乙酸粉劑，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)藥學(xué)科農(nóng)藥生態(tài)安全實驗室提供。

馬丁氏培養(yǎng)基：蛋白胨?5?g，葡萄糖?10?g，磷酸二氫鉀?1?g，硫酸鎂?0.5?g，瓊脂?20?g，1/3?000孟加拉紅溶液?100?mL，蒸餾水定容至1?000?mL，氯霉素?0.1?g。

細菌培養(yǎng)基：牛肉膏?3?g，蛋白胨?10?g，NaCl?5?g，瓊脂?15～25?g，蒸餾水定容至1?000?mL，pH?7.4～7.6。

PDA培養(yǎng)基：馬鈴薯?200?g，葡萄糖?20?g，瓊脂?15～20?g，蒸餾水定容至1?000?mL，pH?7.3。

1.2?α萘乙酸降解菌的篩選與鑒定

1.2.1?α萘乙酸降解菌的富集與分離

取過篩林地土2?kg，分4次按劑量0.1、0.2、0.4、0.8?g/kg加入α萘乙酸;每次加入α萘乙酸后，于25～28℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7?d，共計培養(yǎng)28?d。期間適量噴水，保持土壤濕潤。

取培養(yǎng)好的土樣1?g加入到9?mL?無菌水中，充分混合均勻后用無菌水依次稀釋成10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7、10-8、10-9的濃度梯度用于菌株分離。用滅菌接種環(huán)分別蘸取10-6、10-7、10-8、10-9濃度土壤溶液，涂布到細菌培養(yǎng)基和馬丁氏培養(yǎng)基平板上，3次重復(fù)，分別于37℃?和?28℃?培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，待平板上出現(xiàn)單菌落后挑取單菌落進一步純化;將分離的菌株于試管斜面培養(yǎng)基中?4℃?保存。

1.2.2?菌株鑒定及發(fā)育樹的構(gòu)建

將細菌1號菌株接種于LB液體培養(yǎng)基30℃培養(yǎng)12?h，采用BigDye?Teminator?V?3.1?Cycle?Sequencing?Kit（天根生化科技有限公司）提取細菌基因組DNA。采用細菌16S?rDNA通用引物對［14］（27F：5′AGAGTTTGATCCTGGCTCAG3′;1492R：5′TACGGCTACCTTGTTACGACTT3′）擴增，片段大小為1?500?bp。PCR反應(yīng)體系（20?μL）：DNA?模板1?μL，Big?Dye?8?μL，正、反向引物（10?μg/L）各0.5?μL，dd?H2O?10?μL。PCR反應(yīng)程序：96℃?預(yù)變性?5?min;96℃?變性?20?s，62℃?退火30?s，72℃?延伸30?s，35個循環(huán);72℃延伸10?min。1%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR擴增產(chǎn)物。

真菌2號菌株活化后轉(zhuǎn)接到PDA平板中，待菌絲長滿培養(yǎng)皿后，采用Sangon生物有限公司的Ezup柱式真菌基因組DNA抽提試劑盒（Genomic?DNA?Purification?Kit）提取DNA。采用真菌rDNAITS通用引物對（ITS1：5′TCCGTAGGTGAACCTGCGG3′;ITS4：5′TCCTCCGCTTATTGATATGC3′）擴增，片段大小為500?bp。PCR反應(yīng)體系（30?μL）：Super?Mix?15?μL，?DNA模板1?μL，?ITS1（10?μg/L）1?μL，?ITS4（10?μg/L）1?μL，ddH2O補足至30?μL。PCR反應(yīng)程序：96℃?預(yù)變性?5?min;96℃?變性?20?s，56℃?退火30?s，72℃?延伸30?s，35個循環(huán);72℃延伸10?min。1%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR擴增產(chǎn)物。

使用PCR產(chǎn)物磁珠法純化試劑盒（上海碩美生物科技有限公司）純化PCR產(chǎn)物，純化產(chǎn)物送北京六合華大基因科技有限公司測序。測序結(jié)果上傳至NCBI數(shù)據(jù)庫，在GenBank中通過BLAST進行同源性比對，通過MEGA?X軟件進行系統(tǒng)發(fā)育分析，采用neighborjoining?法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。

1.3?土壤中α萘乙酸與根長抑制率的關(guān)系曲線

采用生物測定法［15］建立標準曲線。將采集的土樣經(jīng)自然風(fēng)干，過篩去除雜質(zhì)后備用。將供試水稻種子浸泡催芽，待種子露白后備用。將α萘乙酸均勻混入土樣中，配制成0、0.003?1、0.006?3、0.012?6、0.025?0、0.050?0、0.100?0?g/kg?（有效劑量）系列濃度梯度，將不同濃度藥土50?g裝入紙杯中，每紙杯播種10粒剛露白的水稻種子，以α萘乙酸濃度為0的處理作為對照，每處理重復(fù)3次。將紙杯放入晝/夜28.5℃/20℃，L∥D=12?h∥12?h的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，在培養(yǎng)后的第10天測量根長，計算根長抑制率，建立根長抑制率與α萘乙酸濃度之間的標準曲線。

根長抑制率=（對照根長-處理根長）/對照根長×100%。

1.4?α萘乙酸對水稻苗期生長的影響及菌劑對α萘乙酸的降解

田間試驗在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝站大棚內(nèi)進行，4月－5月平均最高氣溫18.16℃。采用隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)8個處理（表1），為防止肥料對菌劑修復(fù)效果產(chǎn)生干擾，試驗過程中未施入任何肥料。以α萘乙酸最適濃度的3倍濃度0.05?g/kg（有效劑量，下同）施用于育秧土中模擬水稻育秧過程中施用的過量濃度。將供試98%α萘乙酸與過篩育秧土均勻混合配制成藥土。澆透底水后播種，每處理6次重復(fù)，以不施藥和只施用α萘乙酸土壤做對照。水稻出苗后按表1施用分離菌株培養(yǎng)的菌劑，菌劑濃度為108?cfu/mL。

1.4.1?菌劑對α萘乙酸的降解

在施用菌劑后7、14、21、28?d分別取育秧土裝入紙杯，每紙杯播種10粒剛露白的水稻種子，按1.3的方法測定根長抑制率，根據(jù)標準曲線計算出土壤中α萘乙酸殘留，進而計算α萘乙酸的降解率。試驗重復(fù)3次。

α萘乙酸自然降解率=（α萘乙酸施用濃度－單施α萘乙酸處理組土壤殘留濃度）/α萘乙酸施用濃度×100%；

菌劑對α萘乙酸的降解率=（單施α萘乙酸處理組土壤殘留濃度－菌劑處理組土壤中α萘乙酸殘留濃度）/α萘乙酸施用濃度×100%。

1.4.2?菌劑對水稻苗期生理指標及干物質(zhì)積累量的影響

田間水稻生長至2.5?葉期和?4?葉期時，分別測定水稻株高、須根數(shù)、莖基部寬度、百株地上部及根系干重。莖基部寬度采用游標卡尺測定，干重采用烘干法測定，105℃殺青30?min，60℃烘干至恒重。

1.4.3?菌劑對水稻秧苗SOD、POD活性和MDA含量的影響

取水稻2.5葉期和4葉期葉片，放入裝有冰袋的保溫箱立即帶回實驗室，測定抗逆酶活性和丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量［16］。其中，超氧化物歧化酶（superoxide?dismutase，SOD）活性采用氮藍四唑光化還原法測定；過氧化物酶（peroxidase，POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測定；MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法測定。

1.5?數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel?2019和SPSS?20軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)均為平均值±標準差，采用單因素和Duncan氏法進行5%水平下方差分析和多重比較。

2?結(jié)果與分析

2.1?微生物菌劑對水稻秧苗生理指標的影響

6個微生物菌劑施用后，與僅施用α萘乙酸的處理2相比，水稻株高、莖粗、須根數(shù)及根系干重均有不同程度的變化，其中以細菌1號處理的修復(fù)效果最佳，真菌2號處理次之。與未施用任何藥劑的處理1相比，細菌1號施用后，在水稻2.5葉期，株高、莖基部寬度、須根數(shù)分別恢復(fù)至對照的80.8%、78.3%和81.2%;4葉期，分別恢復(fù)至空白對照（T1）的84.1%、86.1%和97.7%;4葉期根系干重恢復(fù)至對照的84.5%。真菌2號處理，水稻2.5葉期，株高、莖基部寬度及須根數(shù)和根系干重分別恢復(fù)至空白對照（T1）的74.9%、73.7%、97.3%和78.6%；4葉期分別恢復(fù)至對照的77.7%、81.6%、92.5%和80.4%。真菌1號和其他細菌處理水稻秧苗均未能顯著恢復(fù)正常。結(jié)果表明：細菌1號與真菌2號可明顯修復(fù)α萘乙酸藥害下水稻秧苗的生長（表2和表3）。

2.2?微生物菌劑對水稻秧苗抗逆酶活性的影響

細菌1號處理，與單施α萘乙酸處理（T2）相比，4葉期水稻葉片SOD和POD活性分別顯著提高36.4%和66.8%，MDA含量明顯降低20.5%;真菌2號處理，與單施α萘乙酸處理（T2）相比，4葉期水稻葉片SOD和POD活性分別提高11.1%和74.4%，MDA含量顯著降低10.6%。真菌1號和其他細菌處理對水稻秧苗抗逆酶活性無顯著影響（圖1～3）。

2.3?微生物菌劑對α萘乙酸的降解

土壤中α萘乙酸的濃度與根長抑制率的關(guān)系可以用多項式模型很好地擬合出來（圖4）。施用微生物菌劑后7?d取樣測定結(jié)果表明：細菌1號和真菌2號對α萘乙酸的降解率分別為31.90%和12.53%，與單施α萘乙酸的處理2相比差異達顯著水平，其他菌劑與處理2相比差異不顯著;菌劑施用后21?d，細菌1號和真菌2號對α萘乙酸降解率分別為56.15%和38.06%，與處理2相比差異顯著，其他菌劑處理對α萘乙酸的降解率顯著低于處理2（圖5）。

2.4?α萘乙酸降解菌的分離與純化

逐步提高土壤中α萘乙酸的施用量后，經(jīng)過連續(xù)5次繼代培養(yǎng)，分離得到6株菌株，其中真菌2株，細菌4株，菌落形態(tài)見圖6。對篩選出的α萘乙酸降解效果好的兩株菌株細菌1號和真菌2號進一步連續(xù)純化培養(yǎng)3次后，細菌菌落呈黃色、圓形、隆起、不透明、邊緣整齊（圖7）。真菌菌落呈灰綠色，圓形，密氈狀（圖8）。

2.5?α萘乙酸降解菌的鑒定

真菌2號和細菌1號菌株對α萘乙酸降解效果較好，分別對其進行rDNAITS和16S?rDNA分子鑒定，并將兩菌株的基因序列上傳至NCBI進行BLAST比對并構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，結(jié)果顯示，真菌2號與籃狀菌屬的尖海龍類共附生真菌Talaromyces?amestolkiae（NR120179）的rDNAITS的相似性較高，為95%，聚在同一個分支（圖9），因此，將真菌2號鑒定為籃狀菌Talaromyces?sp.。細菌1號與芽胞桿菌屬的太平洋芽胞桿菌Bacillus?pacificus（CP041979）的16S?rDNA序列的相似性較高，為90%，聚類于同一個分支（圖10），因此，將細菌1號鑒定為芽胞桿菌Bacillus?sp.。

3?結(jié)論與討論

α萘乙酸在水稻旱育秧田應(yīng)用時，常因低溫條件和施用濃度人為增加而造成水稻秧苗藥害的發(fā)生。對于藥害較輕的田塊，可通過葉片沖洗，及時松土提高土壤通透性，結(jié)合灌水和適當(dāng)施用一些速效肥料等恢復(fù)生長或利用其他生長調(diào)節(jié)劑緩解藥害［17］。然而，藥害較重的地塊上述方法很難達到藥害的修復(fù)效果。

利用微生物的降解作用可在藥害發(fā)生后快速降解藥劑，從而實現(xiàn)快速恢復(fù)藥害作物生長的實際效果。目前已經(jīng)陸續(xù)分離出能夠降解各類植物生長調(diào)節(jié)劑的微生物菌株［18］，且對降解細菌的研究較為深入［19］?，F(xiàn)階段對微生物降解植物生長調(diào)節(jié)劑的研究主要是在培養(yǎng)基中的研究，培養(yǎng)基中發(fā)生的降解行為與土壤中仍有不同。本文通過分離可降解α萘乙酸的菌株來緩解其產(chǎn)生的藥害，細菌1號和真菌2號施用于水稻育秧田21?d后對α萘乙酸的降解率分別為56.15%和38.06%，貪銅菌Cupriavidus?sp.?CY1在含300?mg/L?2，4D的培養(yǎng)基中48?h內(nèi)可降解100%的2，4D，在100?mg/kg?2，4D的土壤中，3?d內(nèi)能降解90%的2，4D［20］。不同菌種對同一植物生長調(diào)節(jié)劑的降解也有差異。如在含100?mg/L多菌靈的液體培養(yǎng)基中，其他條件相似的情況下，紅球菌?Rhodococcus?sp.在48?h內(nèi)可以降解74%的多菌靈［21］，而短小芽胞桿菌?Bacillus?pumilus在24?h內(nèi)就可以降解83.6%的多菌靈［22］。有關(guān)環(huán)境因素與農(nóng)藥殘留量的相關(guān)性研究還較少。本研究對α萘乙酸在土壤中的降解微生物進行篩選和驗證，同時也進行了α萘乙酸降解菌株的降解效果初探，但尚缺乏培養(yǎng)基條件下降解菌株對α萘乙酸的降解試驗及探究其降解過程中的代謝產(chǎn)物等降解機制方面的研究。

此外，本研究分離的細菌1號和真菌2號

對過量施用α萘乙酸后的水稻株高、次生根條數(shù)、莖基部寬度及地上部、根系干物質(zhì)積累等生理指標都表現(xiàn)出很好的修復(fù)效果。但是只對兩種微生物降解菌單獨施用進行了研究，且施用劑量未做濃度梯度處理，僅按照微生物菌株田間施用量進行試驗，雖有很好的修復(fù)效果，但未對水稻生長起到促進作用。并且農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有多樣性、復(fù)雜性和不確定性，因此，還應(yīng)進一步深入研究兩種菌株與環(huán)境條件互作下對α萘乙酸的降解效果，并明確兩種降解菌對水稻秧苗α萘乙酸藥害修復(fù)的最適濃度，為這兩種菌株合理應(yīng)用提供更可行方案。

本研究分離獲得對α萘乙酸降解效果較好的尖海龍類共附生真菌和太平洋芽胞桿菌，對水稻α萘乙酸藥害具有明顯的修復(fù)效果。

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