微藻生物肥提高谷子對氮磷脅迫的耐受性

摘要： 【目的】氮磷營養(yǎng)缺乏是作物生長發(fā)育的重要限制因素。微藻生物肥是由單細(xì)胞光合藻類生物質(zhì)構(gòu)成的一種新型肥料，其促進(jìn)作物生長和改良土壤肥力的功效備受關(guān)注。本研究旨在解析微藻生物肥對谷子（Setariaitalica L.） 生長的促進(jìn)作用，特別是提高谷子對氮磷缺乏的耐受性的生物學(xué)功能，為微藻生物肥在谷子等作物的化肥減量和綠色可持續(xù)生產(chǎn)的應(yīng)用提供理論支撐?！痉椒ā抗┰嚬茸悠贩N為‘晉谷21’。采用水培試驗(yàn)，設(shè)置正常氮磷（霍格蘭標(biāo)準(zhǔn)營養(yǎng)液中氮和磷含量分別為210 和71 mg/L）、無氮磷（營養(yǎng)液中氮和磷含量均為0 mg/L）和1/2 氮磷（營養(yǎng)液中氮和磷含量分別為105 和35.5 mg/L） 3 個氮磷水平。制備小球藻（Chlorella sp. DT01）（DT）、埃氏小球藻（Chlorella emersonii） （AS） 和蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa） （DB） 3 種微藻生物肥，分別與3 個氮磷處理液等比混合，共構(gòu)成9 個處理，每個氮磷水平下設(shè)置1 個不添加微藻微生物溶液處理為對照。在谷子幼苗生長至兩葉一心時，將其移入處理液中，在溫室條件下連續(xù)培養(yǎng)9 天，期間每3 天補(bǔ)充1 次處理液。處理結(jié)束時，測定各處理谷子幼苗的生長指標(biāo)、生物量、色素含量、光合活性和氮磷含量等生理生化參數(shù)，并通過qRT-PCR 技術(shù)分析氮磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相關(guān)基因（SiNRT1.11、SiNRT2.1、SiPHT1.2 和SiPHT1.1） 的表達(dá)譜?！窘Y(jié)果】與正常氮磷處理相比，無氮磷和1/2 氮磷處理均顯著降低了谷子幼苗生物量、光合色素（葉綠素a，b 和類葫蘿卜素） 含量和光合作用。在3 種劑量氮磷處理下，施用3 種微藻生物肥處理均顯著提高谷子幼苗鮮重和干重、光合色素含量（特別是類胡蘿卜素） 和光合作用參數(shù)[ 實(shí)際光化學(xué)效率Y（II），光化學(xué)淬滅系數(shù)qP 和非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ]。此外，微藻生物肥還顯著增加了谷子幼苗全氮和全磷含量。微藻生物肥DT 處理的促生效應(yīng)最顯著。qRT-PCR 檢測谷子幼苗氮磷轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)顯示，微藻生物肥DT 處理顯著上調(diào)谷子幼苗地上部硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因SiNRT1.11 和根系硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因SiNRT2.1 的表達(dá)，以及根系中磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因SiPHT1.2 和SiPHT1.1 的表達(dá)?！窘Y(jié)論】施用微藻生物肥能顯著提高谷子幼苗地上部硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因SiNRT1.11 和根系硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因SiNRT2.1，以及根系中磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因SiPHT1.2 和SiPHT1.1 的表達(dá)，進(jìn)而改善谷子幼苗生長和光合生理特性，提高谷子對氮磷脅迫的抗性。

關(guān)鍵詞： 谷子（Setaria italica L.）； 微藻生物肥； 氮磷缺乏； 生理生化特性； 基因表達(dá)

氮和磷是植物生長發(fā)育必需的大量營養(yǎng)元素。氮、磷營養(yǎng)不足將阻礙作物養(yǎng)分吸收，導(dǎo)致生長發(fā)育異常，產(chǎn)量下降以及抗逆性降低等[1]。氮素作為蛋白質(zhì)、核酸和多種生物活性物質(zhì)的組成成分，其缺乏會限制植物的營養(yǎng)代謝和生物合成，最終導(dǎo)致作物減產(chǎn)[2]。磷素則是ATP、DNA、RNA 和磷脂等重要生物分子的關(guān)鍵組成成分，其供應(yīng)不足會損傷植物的能量轉(zhuǎn)移、信號傳導(dǎo)和基因表達(dá)調(diào)控等重要生物學(xué)過程[3]。氮磷等化學(xué)肥料施用是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的重要農(nóng)藝措施。然而，過量化肥的施用不僅增產(chǎn)有限，而且會導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染和土壤肥力下降[4]。因此，為實(shí)現(xiàn)化肥減量增效，促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色高效和可持續(xù)發(fā)展，迫切需要開發(fā)新型綠色肥料，構(gòu)建提高作物氮磷缺乏抗性的綠色農(nóng)藝技術(shù)。

微藻（microalgae） 作為一類單細(xì)胞光合自養(yǎng)生物，光合效率高，固氮能力強(qiáng)，營養(yǎng)成分豐富，且含有多種生物活性物質(zhì)。微藻繁殖快，適應(yīng)性廣，易大規(guī)模培養(yǎng)而獲得高量生物質(zhì)。通過選用合適的微藻株系，優(yōu)化培養(yǎng)條件，經(jīng)規(guī)?；囵B(yǎng)獲得微藻生物質(zhì)可用于制備微藻生物肥（microalgal biofertilizer）[5]。微藻生物肥作為一種新型綠色功能性肥料，已逐漸應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，顯示出促進(jìn)植物生長、改善植物產(chǎn)品營養(yǎng)品質(zhì)，以及提高土壤肥力等功效，有望發(fā)展成為化學(xué)肥料的替代品[6]。微藻生物肥還可制備成液體肥直接施用于土壤，或通過葉面噴施等方式應(yīng)用于農(nóng)作物生產(chǎn)[7]。已有研究表明，微藻生物肥的作用是多方面的。首先，微藻生物質(zhì)富含氮、磷、鉀等大量元素和微量元素，可以滿足植物的養(yǎng)分需求，從而促進(jìn)植物養(yǎng)分吸收和利用[8]；其次，微藻合成的有機(jī)物質(zhì)、氨基酸和植物生長激素等生物活性物質(zhì)，有助于調(diào)節(jié)植物的生理代謝，提高植物的抗逆性；第三，微藻生物肥不僅能促進(jìn)作物生長、提高養(yǎng)分的可利用性，還能有效控制病原微生物對植物的侵染，進(jìn)而提高作物生產(chǎn)力[9]。施用微藻生物肥還對土壤養(yǎng)分循環(huán)和有效性產(chǎn)生積極的影響。例如，微藻肥處理可以使土壤中磷緩慢釋放，增強(qiáng)土壤磷的有效性，提高磷的利用效率（PUE）。小麥盆栽試驗(yàn)顯示，施用微藻肥不僅提高了小麥PUE，還顯著增加了小麥產(chǎn)量[ 1 0 ]。一些微藻還具有較強(qiáng)的固氮能力，這些微藻的施用可顯著提升土壤固氮量，改善作物氮素營養(yǎng)水平。與傳統(tǒng)化肥相比，微藻生物肥的施用顯著減少了土壤中硝酸鹽的淋溶，并提高了葉片中氮的含量[11]。然而，微藻生物肥在應(yīng)用過程中仍存在一些問題，如微藻生物肥制備和存貯工藝有待完善，不同藻種制備的微藻生物肥對作物的促生效應(yīng)存在差異，施用方式也受土壤類型和氣候條件影響等。因此，有必要對不同藻種來源的微藻生物肥應(yīng)用于不同作物和不同土壤的功效進(jìn)行系統(tǒng)評估。