接種氨氧化細菌對玉米旱后復水補償性生長的影響

熊翔英,王海紅,王曉凌*,司振強,吳迪

(1.河南科技大學農學院,河南 洛陽 471000;2.安陽市殷都區(qū)農業(yè)農村局,河南 安陽 455000)

水資源短缺嚴重威脅我國北方農作物的生產［1-3］,提高農業(yè)水分利用效率是解決該問題的有效途徑。作物在干旱脅迫下生長受到抑制,在復水期間加速生長,進而彌補甚至超過了受干旱脅迫而減少的生物量,即為旱后復水補償性生長［4-5］。植物的補償生長大體分為超補償、等補償和欠補償3種類型［6］。作物旱后復水補償性生長已在大豆、玉米、水稻等農作物中得到廣泛研究［7-9］,且補充灌溉、間歇灌溉、虧缺灌溉和集雨補灌等節(jié)水技術均以其為理論基礎［10-12］。

旱后復水期間作物大多經歷土壤缺水和供水即復水2個互相交替的階段。為進一步揭示不同階段接種AOB菌株對作物旱后復水補償性生長的影響,本研究擬將AOB菌株通過出苗后立刻接種和經歷干旱脅迫后在復水期接種到土壤中,驗證其是否能穩(wěn)定持續(xù)發(fā)揮作用,探究其對作物旱后復水補償性生長的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

接種菌為異養(yǎng)氨氧化細菌(AOB),該菌屬于根瘤菌科劍菌屬,菌株命名為S2_8_1,保藏于中國典型培養(yǎng)物保藏中心(武漢大學),其保藏編號為CCTCC NO:M2021374。試驗材料選用玉米(ZeamaysL.)品種‘鄭單985’,其抗旱性強,適應性好。

1.2 試驗設計及方法

1.2.1 試驗設計盆栽試驗在河南省洛陽市河南科技大學避雨條件下進行,年平均降雨量601 mm,年平均氣溫14.2 ℃。于2021年6月5日種植200盆,盆口直徑21.5 cm,盆高20.0 cm,每盆播種15粒玉米種子。每盆土壤約5.8 kg,有機碳含量24.7 g·kg-1,全氮含量2.15 g·kg-1。播種后6 d左右出苗。

出苗后6 d間苗,每盆留苗5株。挑選長勢均勻且良好的72盆幼苗,分為6組,每組12盆,設置6個試驗處理:濕潤(WT);濕潤并在濕潤期接種AOB菌株(WI);濕潤在復水期接種AOB菌株(WR);旱后復水(DT);出苗后接種AOB菌株進行旱后復水(DI);旱后復水在復水期即時接種AOB菌株(DR)。每個處理的12盆分為4個亞組,每個亞組3盆。每個亞組的3盆為每次測量時每個處理的3個重復。試驗流程如圖1所示。

圖1 試驗流程圖Fig.1 Flow chart of experiment WT、WI、WR、DT、DI和DR分別代表常規(guī)濕潤即空白對照、濕潤時期接種氨氧化細菌(AOB)菌株、保持濕潤在復水期間接種AOB菌株、旱后復水、出苗后接種AOB菌株然后旱后復水和旱后復水在復水期時接種AOB菌株。下同。WT,WI,WR,DT,DI and DR indicate treatments of conventional wetting means blank control,wet with ammonia oxdizing bacteria(AOB)strain inoculation during moist period,wet with AOB strain inoculation during rewatering period,rewatering after drought,inoculated with AOB strain after emergence and rehydrated after drought and rewatering after drought and inoculating AOB strain during the rewatering period. The same below.

1.2.2 試驗測定方法出苗后11～22 d為濕潤生長期。在濕潤生長期第1天,向DI處理和WI處理土壤中接種200 mL純化的AOB菌液,其他處理土壤中添加200 mL不含AOB的富集培養(yǎng)基。

在接下來的10 d復水期,各組保持濕潤。在復水期開始時,在DR和WR處理的亞組3和亞組4土壤中加入200 mL純化的AOB培養(yǎng)液,在其他處理亞組3和亞組4土壤中加入200 mL不含AOB的富集培養(yǎng)基。在復水后5和10 d,測定各處理亞組3和亞組4玉米生物量和ZR含量,并采集根際土壤。復水3 d后,測定各處理亞組3的Pn、Gs和Tr。在復水后6和9 d,每個處理的亞組4進行同樣的流程。

干旱脅迫的田間持水量為50%～55%。濕潤土壤的田間持水量為75%～80%。采用Wang等［21］的方法計算土壤含水量(Csw):

(1)

式中:Bt、Bd、Be、Bp和Cfw分別為臨時整盆重、凈干土重、空盆重、估算的所有植物鮮重和每盆田間持水量。

1.3 相關指標測定

1.3.1 生物量和水分利用效率將黏附在根系上的土壤用清水沖洗干凈。將根、莖、葉放置在65 ℃烘箱烘干72 h,得到生物量干物質。地上生物量為莖和葉干物質重的總和,總生物量為根、莖和葉干物質重的總和。所有生物量的數據以盆為單位計算。

每盆總生物量增加量除以整個干旱脅迫期和復水期的耗水量來計算水分利用效率。利用干旱脅迫期開始和復水期結束時總生物量的差值計算總生物量增加量。耗水量是通過在整個干旱脅迫和復水期間添加水量計算的。該試驗中整個干旱期間W組的耗水量為3 900 mL,旱后復水組D組的耗水量為2 510 mL。

1.3.2 光合特性采用LI-6400光合儀,光照強度、溫度和二氧化碳濃度分別設置為1 000 μmol·m-2·s-1、28 ℃和400～420 μmol·mol-1,測定Pn、Gs和Tr。在復水期的0、3、6和9 d上午10:00共測定4次,每個處理測定3株葉片作為重復。

1.3.3 玉米素核甘(ZR)把玉米從莖的根部剪斷,然后用1.0 g吸收棉覆蓋傷口,吸收木質部汁液12 h。用棉花增加的質量除以1 g·cm-3得到木質部汁液體積。把棉花壓實,擠出其中的木質部汁液,收集汁液用于ZR濃度的測定。參照Qin等［22］的方法,采用酶聯免疫法測定葉片和木質部汁液中ZR含量。以每小時采集的木質部汁液中的ZR含量表示根向葉的ZR傳遞速率。

2 結果與分析

2.1 不同處理對玉米生物量和水分利用效率的影響

如圖2所示,復水前,WI和DI處理玉米地上生物量和總生物量顯著高于其他未接種處理組;10 d干旱期結束后,復水0 d以及DT、DI、DR干旱處理玉米生長緩慢,玉米地上生物量和總生物量低于WT、WI、WR濕潤處理;復水后5和 10 d,DT處理總生物量和WT處理持平。WR和WI處理總生物量較WT處理分別提高58.6%和18.8%,旱后復水DR和DI處理總生物量較WT處理分別提高75.4%和22.7%?？梢?出苗后接種(DI)和復水0 d即時接種(DR)S2_8_1都發(fā)生了超補償生長現象,但是復水0 d即時接種S2_8_1的促進效果更好。

圖2 不同處理玉米每盆生物量和水分利用效率Fig.2 Biomass per pot and water use efficiency of corn in different treatments

從水分利用率來看,DR處理水分利用效率顯著高于其他處理,DR處理的水分利用效率分別是WT、WI、WR、DT和DI處理的3.16、2.82、1.75、2.09和1.72倍,同理,DI處理即出苗后接種S2_8_1也可以顯著提升水分利用效率,效果僅次于DR處理。DT處理的水分利用效率是WT處理的1.51倍。WT和WI處理的水分利用效率差異不顯著,而WR處理顯著高于這2組,因此,復水期接種S2_8_1可以促進水分利用。

2.2 不同處理對玉米光合特性的影響

如圖3所示,復水前,WT處理玉米的Pn、Gs和Tr顯著高于DT,WI處理顯著高于DI處理,WR處理顯著高于DR處理,表明干旱脅迫抑制了玉米的光合作用。復水后3、6、9 d,DI處理和DR處理的Pn均顯著高于DT、WT處理。WR處理Pn顯著高于WT處理,與WI處理差異不顯著。復水0 d濕潤處理的WT、WI、WR組Gs高于旱后復水處理的DT、DI和DR 組,復水后3、6 d接種S2_8_1的WI、WR、DI和DR處理高于其他未接種處理,復水9 d和先后接種差異不明顯。復水后6、9 d,接種S2_8_1Tr高于未接種,先后接種差異不明顯。

圖3 不同處理玉米Pn、Gs和TrFig.3 Pn,Gs and Tr of corn in different treatments

綜上表明,復水和接種S2_8_1促進了玉米的光合作用。旱后復水0 d接種S2_8_1的DR處理促進效果最好。在濕潤期接種S2_8_1的DI處理也有僅次于DR處理的促進效果,且與濕潤復水0 d接種S2_8_1的WR處理持平。

2.3 不同處理對玉米素核苷(ZR)的影響

如圖4所示,復水前,WT、WI和WR處理玉米葉片ZR含量、ZR傳遞速率(RZR)和木質部汁液濃度(CZR)分別顯著高于DT、DI和DR處理,因此,干旱脅迫降低了玉米葉片細胞分裂素含量以及從根部向葉片的轉運速率。相反,復水逆轉了這一趨勢,在復水后5 d,DI處理中葉片ZR含量較WI處理顯著增加,在復水后10 d,DT和DR處理的ZR含量分別比WT和WR處理顯著提升。WI、WR處理之間差異不明顯,但這2個處理的ZR含量顯著高于WT處理;DR處理ZR含量顯著高于DT、DI處理,因此,接種S2_8_1提高了葉片中ZR含量,且復水時接種S2_8_1(DR)比出苗接種S2_8_1(DI)對葉片ZR含量的促進作用更大。

圖4 不同處理玉米葉片ZR含量、RZR值和CZR值Fig.4 ZR content,RZR,and CZR of corn leaf in different treatmentsZR:玉米素核苷Zeatin nucleoside;RZR:ZR傳遞速率ZR transfer rate;CZR:木質部汁液濃度Concentration of xylem sap.

復水后DT、DI和DR處理的RZR分別低于WT、WI和WR處理,但無顯著性差異,而接種S2_8_1的WI和WR處理RZR顯著高于未接種的WT處理,DI和DR處理RZR顯著高于DT處理。復水后10 d各處理CZR沒有顯著差異,因此,在濕潤期和復水期接種S2_8_1對根向葉的RZR和CZR沒有影響?？傊?接種S2_8_1通過提高RZR提高了葉片ZR含量。

2.4 不同處理后對土壤硝化速率和土壤含量的影響

圖5 不同處理玉米根際土壤硝化速率及銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量Fig.5 Rhizosphere soil nitrification rate and ammonium and nitrate nitrogen contents of corn in different treatments

3 討論

3.1 接種AOB菌株對玉米旱后復水補償生長的影響

3.2 不同階段接種AOB菌株對玉米補償生長的影響

在實際農業(yè)生產中,作物經歷干旱后的水分供給主要來源于降雨和農業(yè)灌溉,灌溉時間會根據農作物生長需要決定,降雨時間不固定,因此DR處理在復水后即時接種S2_8_1在操作很難,實際應用性不高,比較浪費人力、物力和財力,相比之下,DI處理接種S2_8_1能在旱后復水之后仍在玉米根際土壤中持續(xù)穩(wěn)定發(fā)揮作用,提高根際土壤硝化速率,使細胞分裂素從根到葉的傳遞速率增加,促進葉片中細胞分裂素積累,從而促進玉米干旱脅迫后的補償生長和水分利用。出苗后即接種土壤AOB細菌(DI)在實際節(jié)水農業(yè)應用上更具有可實施性,有利于滿足農業(yè)生產需要,更為簡單、高效、經濟、實用。本研究結果可為制定作物用水策略和改良農業(yè)節(jié)水技術提供理論支撐。