水稻青立病對植株與土壤重金屬含量及細(xì)菌多樣性的影響

周寧寧, 張榮萍, 馬 鵬, 阿什日軌, 馮婷煜, 周 林, 張坷塬, 廖雪環(huán), 阿爾力色

（西南科技大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010）

水稻青立病又名旱青立病，是水稻由于受到環(huán)境的脅迫，生長和發(fā)育不協(xié)調(diào)，出現(xiàn)穎花退化、穗軸部分或全部脫落、內(nèi)外穎張開、扭曲、彎嘴、空殼、穗部畸形直立等現(xiàn)象［1-3］。穗期發(fā)病導(dǎo)致灌漿不良，嚴(yán)重影響水稻產(chǎn)量［4-5］。謝彥等［6］研究認(rèn)為，砷等重金屬在稻穗上的富集導(dǎo)致水稻中毒，可能是青立病發(fā)生的原因之一。美國科學(xué)家曾在棉田土上種植水稻，發(fā)生了大面積水稻穗部畸形病，原因是稻田在淹水條件下，棉田中砷被還原活化進(jìn)入水稻植株引發(fā)水稻青立?。?］。四川稻區(qū)是我國雜交稻主要栽植區(qū)之一［8］，2023 年四川省綿陽市發(fā)現(xiàn)水稻青立病并嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厮井a(chǎn)量。因此，對該地區(qū)水稻青立病發(fā)病與未發(fā)病的水稻植株及其田塊土壤的重金屬、微生物進(jìn)行分析，探明水稻青立病土壤與植株重金屬含量及細(xì)菌多樣性的影響，進(jìn)而為厘清該地區(qū)水稻青立病發(fā)生原因并有效應(yīng)對水稻青立病提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2022年在四川省綿陽市江油市龍鳳鎮(zhèn)中坪村碩豐水稻種植專業(yè)合作社（31° 64′N，104° 74′E）進(jìn)行，試驗(yàn)地面積500 m2。當(dāng)?shù)厮旧L季的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)采集自試驗(yàn)場地附近的氣象站，詳見圖1。試驗(yàn)田土壤為潮土，土壤中有機(jī)質(zhì)含量為2.51%，全氮含量1.87 g/kg，有效磷含量為26.98 mg/kg，有效鉀含量為58.16 mg/kg，pH 6.69。

圖1 試驗(yàn)區(qū)2022年水稻生長季的氣溫和降水量

1.2 試驗(yàn)材料

以Y 兩優(yōu)1號為試驗(yàn)材料，種子由四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，審定編號為國審稻2013008，在長江上游作一季中稻種植。

1.3 試驗(yàn)方法

水稻種植采用濕潤直播方式，人工精量穴直播，播種量為23.5 kg/hm2，播種規(guī)格為36 cm×18 cm，每穴3～4 粒，3～4 葉期勻苗，每穴1株。水稻齊穗期，采用對角線法取未發(fā)病田塊和發(fā)病田塊中0～20 cm 土層土樣，各取樣3個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)取土壤約600 g，土樣混勻后，去除動(dòng)植物殘?bào)w等，裝袋放置于干燥通風(fēng)處，自然陰干，陰干后將土壤粉碎過篩，測定其重金屬成分和含量以及微生物成分。土壤細(xì)菌結(jié)構(gòu)測定，參照參考文獻(xiàn)［9］的細(xì)菌微生物測定方法。水稻齊穗后，取未發(fā)病和發(fā)病植株各9 株，設(shè)3 次重復(fù)，分別測定單株重、重金屬成分及含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

辛普森多樣性（Shannon）和香農(nóng)多樣性（Simpson）指數(shù)用于衡量物種多樣性，受樣品群落中物種豐度和物種均勻度的影響。Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù)值越大，說明樣品的物種多樣性越高。根據(jù)參考文獻(xiàn)［10］中的方法進(jìn)行相關(guān)指數(shù)測算。使用Excel 2010對試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和計(jì)算，SPSS7.0 進(jìn)行方差分析，Origin 2021作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻青立病對水稻干物質(zhì)積累的影響

由表1可知，齊穗期水稻青立病發(fā)病株的穗干物質(zhì)重比未發(fā)病穗顯著減少68.10%，發(fā)病株的莖葉干物質(zhì)重比未發(fā)病株顯著增加8.00%。說明青立病嚴(yán)重影響水稻穗部干物質(zhì)積累。

表1 齊穗期青立病發(fā)病與未發(fā)病水稻的單株干物質(zhì)重g

2.2 水稻青立病對水稻植株及土壤重金屬的影響

由圖2可知，未發(fā)病田塊與發(fā)病田塊土層重金屬含量基本上無顯著差異。而發(fā)病植株與正常植株的多種重金屬含量差異顯著（表2），與未發(fā)病植株穗相比，發(fā)病植株穗的鉻含量增加158.80%，鋅含量增加111.70%，砷含量增加2 000.00%，鎘含量增加94.44%；與未發(fā)病植株的地上部相比，發(fā)病植株地上部的鉻含量增加52.39%，鋅含量增加22.28%，鎘含量增加11.54%。說明青立病的發(fā)生可能與穗部砷、鉻和鋅含量高相關(guān)。

表2 水稻青立病發(fā)病與未發(fā)病植株的重金屬含量mg/kg

圖2 水稻青立病發(fā)病與未發(fā)病田塊的土壤重金屬含量

2.3 水稻青立病對土壤細(xì)菌多樣性的影響

由圖3可知，試驗(yàn)中未發(fā)病和發(fā)病田塊土壤覆蓋率均為99%，說明測序結(jié)果代表了樣本中微生物的真實(shí)情況。對于土壤細(xì)菌，無論是否發(fā)病，其微生物多樣性水平未見明顯變化（圖3），表明土壤中細(xì)菌多樣性對水稻青立病發(fā)生的影響較小。

圖3 水稻青立病發(fā)病與未發(fā)病田塊的土壤細(xì)菌多樣性指數(shù)

2.4 水稻青立病對土壤細(xì)菌門相對豐度的影響

由圖4可知，未發(fā)病和發(fā)病田塊土壤主要的細(xì)菌類群為變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteria）、綠彎菌門（Chloro?flexi）、粘球菌門（Myxococcota）、脫磺桿菌門（Desulfobacterota）、擬桿菌門（Bacte?roidota）、芽單胞菌門（Gemmatimonadota）、放線菌門（Actinobacteriota）、硝化螺旋菌門（Nitrospirota）等，10 類菌門占總豐度的95.51%～95.60%。其中優(yōu)勢細(xì)菌門（相對豐度>5%）為變形菌門（23.77%～25.04%）、酸桿菌門（20.39%～21.15%）、綠彎菌門（11.88%～14.63%）、粘球菌門（9.49%～10.44%）、脫磺桿菌門（5.67%～5.83%）、擬桿菌門（5.39%～5.48%）。

圖4 水稻青立病發(fā)病與未發(fā)病田塊的土壤細(xì)菌門相對豐度

與未發(fā)病田塊土壤相比，發(fā)病田塊土壤的綠彎菌門增加23.09%，放線菌門增加29.75%，硝化螺旋菌門增加17.84%，變形菌門減少5.08%，粘球菌門減少9.12%，芽單胞菌門減少15.89%，其他菌門差異不顯著。說明青立病發(fā)生會(huì)影響土壤中某些菌群的組成比例。

2.5 水稻青立病對土壤細(xì)菌屬相對豐度的影響

由圖5可知，未發(fā)病和發(fā)病田塊土壤主要的細(xì)菌包括厭氧粘桿菌屬（Anaeromyxo?bacter）、厭氧繩菌屬（Anaerolinea）、赭黃嗜鹽囊菌屬（Haliangium）、索利桿菌念珠菌屬（CandidatusSolibacter）共4 個(gè)屬。占總豐度的11.56%～12.36%。與未發(fā)病田塊土壤相比，發(fā)病田塊土壤的厭氧繩菌屬增加17.91%，索利桿菌念珠菌屬增加13.18%，赭黃嗜鹽囊菌屬減少5.11%，厭氧粘桿菌屬差異不顯著。說明青立病發(fā)生對土壤細(xì)菌的主要菌屬組成無顯著影響，但青立病發(fā)生會(huì)影響土壤中某些菌群的組成比例。

圖5 水稻青立病發(fā)病與未發(fā)病田塊的土壤細(xì)菌屬相對豐度

3 結(jié)論與討論

通過比較未發(fā)病與發(fā)病田塊的水稻植株重金屬成分、土壤重金屬成分及微生物組成結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，與未發(fā)病植株穗相比，發(fā)病植株穗部鉻增加158.80%，鋅增加111.70%，砷增加2 000.00%，鎘增加94.44%；未發(fā)病田塊與發(fā)病田塊的土壤細(xì)菌優(yōu)勢菌門組成無顯著差異，但與未發(fā)病田塊土壤相比，發(fā)病田塊土壤中綠彎菌門（Chloroflexi）、放線菌門（Acti?nobacteriota）、硝化螺旋菌門（Nitrospiro?tae）的相對豐度分別增加23.09%、29.75%、17.84%，變形菌門、粘球菌門、芽單胞菌門的相對豐度分別減少5.08%、9.12%、15.89%，其他菌門的相對豐度差異不顯著。綠彎菌門能參與碳循環(huán)增加土壤的有機(jī)質(zhì)含量，放線菌門可促使土壤中的動(dòng)植物遺骸腐爛，從而提高土壤肥力［11］。硝化螺旋菌門主要作用是將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)變成硝酸鹽，而硝酸鹽是土壤中作物易吸收的氮源形式。因此，土壤中硝化螺旋菌門相對豐度的增加可間接增加土壤氮肥力［12］，推測這可能是發(fā)病土壤微生物相對豐度升高的原因［13］。

試驗(yàn)結(jié)果表明，水稻青立病發(fā)病與水稻植株穗部重金屬砷、鎘和銅的含量偏高具有一定關(guān)系，與前人對美國阿肯色州［14-15］和中國江漢平原、華北平原［3，16-18］水稻青立病發(fā)病原因研究的結(jié)果一致，即穗部砷等重金屬含量較高是導(dǎo)致水稻青立病發(fā)生的主要因素。原因是砷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)和吸收是通過植物磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體系進(jìn)行的［19-20］，當(dāng)水稻植株的砷含量達(dá)到一定濃度時(shí)會(huì)產(chǎn)生砷毒害作用，影響水稻生長發(fā)育。另有研究表明，土壤溫度可能直接影響到有害物質(zhì)在土壤中的擴(kuò)散和運(yùn)輸，促進(jìn)根系吸收［21-22］，試驗(yàn)區(qū)域2021 年8 月8—27 日的日均溫度為24.2 ℃，而2022年同期的日均溫度為28.0 ℃，水稻分蘗期到孕穗期的高溫可能是水稻青立病發(fā)病的重要條件。