芽孢杆菌与壳寡糖混施对基质环境和黄瓜幼苗生长的影响

胡蒙爱,张雪艳

(宁夏大学 农学院,银川 750021 )

近年来,中国蔬菜产量大幅提升[1],其中蔬菜移栽苗年需求达6000亿～7300亿株,培育优质蔬菜商品苗已成为影响中国蔬菜产业发展的重要因素[2]。蔬菜产业的发展不仅要追求产量上的增长,现阶段更需注重品质提升。“壮苗五成收,孬苗五成丢”,培育壮苗有益于蔬菜后期的生产管理,增强其对逆境的应对能力,减少生产材料的浪费。有研究表明生物源的添加物对植物生长起到促进作用,壳寡糖与芽孢杆菌均为绿色安全,且在促进作物生长方面均可发挥显著效果的生物制剂,研究其对黄瓜幼苗的壮苗促生效果有助于提升设施黄瓜幼苗绿色生产进程。

壳寡糖[Chitooligosaccharide(COS)]是一种具有植物激发子效应的天然产物,可调控植物生长发育[3]。据报道,壳寡糖具有显著的抗菌、抗病毒及促进植物生长的能力[4]。已有研究表明,壳寡糖可以促进青蒿素的生物合成,增强幼苗活力,提升大田作物产量[5]。施加外源壳寡糖可增强作物光合能力、提高叶绿素含量,促进作物生长[6-7]。1μg·mL-1壳寡糖可以显著促进小麦根、苗和胚芽鞘的生长发育[8]。石欣隆等[9]发现壳寡糖通过增加根系直径的生长,增加生物量的累积 。壳寡糖处理7d后,小麦幼苗可溶性糖、可溶性蛋白和叶绿素含量分别提高59.4%、22.0%和20.3%,且小麦幼苗的净光合速率、Fv/F0和qP值分别提高11.0%、18.6%和14.7%[10]。外源施加壳寡糖对农作物的促生效果显著。

研究表明植物根际存在可以促进植物生长的细菌(PGPR),不同的根际促生菌通过直接或间接机制促进作物生长[11]。PGPR可以通过分泌生长素、ACC脱氨酶、细胞分裂素、赤霉素、固氮、解磷作用促进作物生长。解淀粉芽孢杆菌(Bacillusamyloliquefaciens)是一种于土壤中分离出来的生防菌剂[12]。常用于改变土壤微生物群落结构和功能,富集有益物种,改善基质环境,增加基质养分,促进农作物生长发育,已广泛用于辣椒、西瓜、小麦等作物[13]。据报道,解淀粉芽孢杆菌可以通过分泌吲哚乙酸(IAA) 、固氮、解磷、解钾改善土壤中的有效养分以及调节根际微生物群,促进作物生长[14]。有研究表明,解淀粉芽孢杆菌FH-1对黄瓜幼苗根际细菌群落有显著影响,增加变形菌门,减少酸杆菌门,促进了黄瓜幼苗的生长[15]。已有研究表明解淀粉芽孢杆菌在番茄、小麦等植物有促生效果[16]。比如西姆芽孢杆菌处理较对照番茄株高增加14.66%～15.68%,地上部鲜质量增加34.5%～65.09%,根部鲜质量增加75.3%～92.48%[17]。壳寡糖与解淀粉芽孢杆菌对作物均有促生效果,但壳寡糖在基质养分改善方面未有显著效果,解淀粉芽孢杆菌可显著改善基质养分,两者结合后的促生效果是否可以得到进一步的提升有待研究。

本试验壳寡糖与解淀粉芽孢杆菌浓度经预试验筛选而得。前期试验表明,500mg·L-1壳寡糖与107cfu·mL-1解淀粉芽孢杆菌分别施对黄瓜幼苗促生效果最优的处理。本研究以清水灌根为对照(CK),探究壳寡糖与解淀粉芽孢杆菌复合处理相较于单一壳寡糖处理及单一解淀粉芽孢杆菌处理对黄瓜幼苗的促生效果是否得到提升。通过系统分析不同处理的基质养分特性、黄瓜幼苗长势、光合特性、根系发育的变化,探究壳寡糖与解淀粉芽孢杆菌混配的引入对黄瓜幼苗生长的 影响,提供黄瓜幼苗绿色高效生产新思路新 技术。

1 材料与方法

1.1 试验材料及方法

试验于2021年6月20日—7月20日在宁夏大学农科实训基地玻璃温室内进行。以宁夏天缘种苗有限公司生产的一叶一心‘德尔LD-1’黄瓜幼苗为试验材料。试验幼苗于72穴盘内培养,基质配比为国产基质∶进口草炭∶珍珠岩∶蛭石=6∶1∶1∶1(体积比)。以清水灌根为对照(CK),设置500倍壳寡糖灌根(T1)、107cfu·mL-1解淀粉芽孢杆菌XY-13灌根(T2)、500倍壳寡糖与107cfu·mL-1解淀粉芽孢杆菌XY-13混配灌根(T3),每个处理3次重复,每个处理10株幼苗。各处理按照每穴15 mL灌根,灌溉3次,在试验的1、10、20 d进行,期间不再施加任何肥料。壳寡糖由黑龙江八一农垦大学提供,解淀粉芽孢杆菌XY-13于宁夏大学科技楼微生物实验室自行培养,菌剂促生特性见表1。

表1 XY-13的促生特性测试结果Table 1 Test results of growth-promoting characteristics of XY-13

表2 各处理对基质养分特性的影响Table 2 Effects of different treatments on nutrient characteristics of substrate

1.2 取样及测定方法

1.2.1 基质样品测定及干样的养分含量 7月20日随机选取50 g基质样品,风干后过1 mm筛,用于测定基质养分。pH采用pH计测定,电导率(EC)值采用电导率仪测定;总氮(TN)含量采用H2SO4-H2O2硝化-半微量凯氏定氮法测定[18];有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定;速效氮含量采用碱解扩散法测定;速效磷含量采用0.5 mol·L-1的NaHCO3浸提,钼锑抗比色法测定;速效钾含量采用1.0 mol·L-1醋酸铵浸提,火焰光度法测定[19]。

1.2.2 黄瓜植株长势测定 分别在6月20日、6月30日、7月20日随机选10株长势均一的代表性植株,测定植株茎粗、株高、叶绿素、光合指标。叶绿素含量采用SPAD-502叶绿素仪测定。计算幼苗壮苗指数,计算公式为:

壮苗指数=(茎粗/株高+地下部干质量/地上部干质量)×全株干质量

分别计算株高相对生长率(RGH-PH)和茎粗相对生长率(RGH-SV),叶片数相对生长率(RGH-LN)、壮苗指数公式如下[20]。

RGR-PH=[In(h2)-In (h1)]/(t2-t1)

(1)

RGR-SV=[In(d2d2h2)-In (d1d1h1)]/(t2-t1)

(2)

RGR-LN=[L(n2)-L(n1)]/(t2-t1)

(3)

其中,h1、h2代表两次测量的株高,d1、d2代表两次测量的茎直径,n1、n2代表两次测量的叶片数,t1、t2代表两次取样时间。

1.2.3 植株生物量测定 7月20日取代表性植株6株。用电子天平称量地上部与地下部鲜质量,将植株在105 ℃下杀青30 min后80 ℃烘干至恒量,分别测定地上部干质量与根干质量。

1.3 数据分析

所有数据重复3次,采用Excel 2019和SPASS 20.0软件对试验数据进行统计与分析。采用单因素ANOVA在P<0.05水平进行显著性分析,利用隶属函数对基质理化特性和植株生长指标进行综合评价,使用 Origin 2018软件制作数据图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对基质养分特性的影响

如表1所示,各处理速效磷含量无显著差异,壳寡糖和解淀粉芽孢杆菌单一和复合施用相对CK对基质养分均有一定的增加效果,且复合效果优于单一施用。相比CK,其他处理显著增加有机质、速效氮、pH和EC,且促进效果顺序分别为T3、T2和T1。相比CK,T3基质有机质、全氮、速效氮、EC显著提高了77.3%、31.6%、 394.8%、121.1%,且上述养分指标T3显著高于T1和T2处理。

2.2 不同处理对黄瓜植株长势的影响

如图1所示,株高、茎粗相对生长率、叶绿素含量、壮苗指数均呈CK

不同字母表示差异显著(P<0.05),下同

如图2所示,地上部干鲜质量及地下部干鲜质量均呈现CK

图2 不同处理对黄瓜幼苗生物量累积的影响Fig.2 Effects of different treatments on biomass accumulation of cucumber seedlings

2.3 不同处理对黄瓜幼苗根系发育的影响

如表3所示,T1、T2、T3处理根长、根表面积、根体积、根直径均显著高于CK。T2处理根长显著高于CK、T1处理48.7%、16.5%。T1、T2、T3处理间根表面积无显著差异但显著高于CK。T3根体积显著高于CK、T1、T2处理 276.9%、100.3%、25.8%。T1、T2处理间根直径无显著差异,相较CK、T1、T2处理,T3处理根直径显著增加了52.4%、30%、27%。

表3 不同处理对黄瓜幼苗根系生长特性的影响Table 3 Effects of different treatments on root growth characteristics of cucumber seedlings

2.4 不同处理对黄瓜光合指标的影响

如表4所示, T3的各项光合指标均为最高。T2、T3蒸腾速率显著高于CK、T1,CK与T1之间的蒸腾速率无显著差异;净光合速率T3> T2>T1>CK,且各处理间均存在显著性差异,相对CK、T1、T2处理,T3净光合速率显著提高 136.2%、80.6%、35.3%。各处理间的胞间CO2浓度无显著性差异。T2、T3的气孔导度显著高于CK 177.1%、200.2%。

2.5 相关性分析与主成分分析

相关分析结果表明, 基质养分对黄瓜幼苗光合指标影响显著(表5)。基质养分各指标与净光合速率均存在显著正相关相关关系,各养分与胞间CO2浓度均无显著相关。速效钾与蒸腾速率、胞间CO2浓度、气孔导度无相关关系,其他养分指标与蒸腾速率、气孔导度均存在显著正相关 关系。

表5 基质养分与黄瓜光合指标相关性Table 5 Correlation between substrate nutrients and photosynthetic index of cucumber

黄瓜幼苗光合指标与长势存在显著相关关系(表6)。蒸腾速率、净光合速率与长势各指标均存在显著正相关关系,气孔导度与除比根长外的其他长势指标存在极显著正相关关系。

表6 黄瓜幼苗光合特性与长势相关性Table 6 Correlation between photosynthetic characteristics and growth potential of cucumber seedlings

由于单一指标不能合理、科学地反应不同处理对黄瓜幼苗生长的影响,因此采用主成分分析方法对所有指标进行综合评价。由表7可知,以特征值大于1为标准,共提取了3个有效主成分,累计贡献率为100%。其中, PC1的解释方差为83.61%,除胞间二氧化碳和速效磷指标外其他指标均为具有较大载荷值的性状;PC2的解释方差为8.70%,具有较大载荷值的性状是速效磷指标;PC3的解释方差为7.69%,具有较大载荷值的性状是根长和胞间CO2浓度。根据表8不同处理隶属函数综合评价值及排序可知,T3处理为促进黄瓜幼苗生长的最佳处理。

表7 主成分的特征值与方差贡献率Table 7 Eigenvalues and rate variance contributions of principal components

3 讨 论

壳寡糖作为一种安全绿色的外源促生物质在农业领域已广泛应用,多用于促进种子萌发、促进植物生长、改善果实品质等[21]。但壳寡糖在改善基质养分,促进根系发育等方面鲜有报道。解淀粉芽孢杆菌在改善作物根际微生物群落,促进作物生长方面作用显著[22]。本试验探究壳寡糖和解淀粉芽孢杆菌复合对基质养分提升、作物生长的影响,对培育黄瓜壮苗具有重要意义。

本试验单一壳寡糖处理显著增加基质中有机质、速效氮及EC,降低基质pH。这与雷菲等[23]的研究结果相近。单一壳寡糖处理可以提升叶绿素含量,同时提升作物的光合作用,这与COS诱导的叶绿体直径增加和叶绿体中基因表达的调节有关[24]。有研究表明COS处理的水稻幼苗比未处理的地上部和根鲜质量分别增加了8.2%和 9.8%,COS处理后的根活力高于未处理的根活力[7]。本试验单一施用壳寡糖同样显著提升黄瓜幼苗生物量的累积、促进其根系发育。

解淀粉芽孢杆菌与黄瓜分泌物存在互作作用,可在黄瓜根际定殖[25],占据根部有利生态位点,促进幼苗生长提供了有利条件。单一解淀粉芽孢杆菌处理显著提升了速效氮、全氮、EC、有机质等指标,这与其本身具有的固氮能力和ACC脱氨酶活性有关。有研究表明解淀粉芽孢杆菌可通过溶解磷酸盐、生物固氮等提高植物根际养分的可利用性,直接促进作物生长[26]。接种固氮、溶磷菌株可以增加土壤中速效氮、磷、钾的含量,促进作物的生长[27]。王琪媛等[28]发现含有ACC脱氨酶的根际细菌能促进植株生长。郑娇莉等[29]发现,芽孢杆菌OC-4与OC-5能高效降解饵料浸出液培养基中的有机质和氨氮,培养3 d后COD降解率可达到85%以上,OD-1、OD-2对有机质的降解速率和降解效率最高,这可能与其具备多种类胞外酶分泌能力有关。杨淑娜等[30]研究发现,施用8%浓度芽孢杆菌菌肥后土壤有机质含量显著提高。芽孢杆菌菌肥浓度越高,土壤有机质含量越高,根系质量也增加,可能是由于菌肥本身富含有机质,在一定范围内施用量越大土壤肥力越高。

在长势及光合作用方面,解淀粉芽孢杆菌也表现出显著的促进作用。这可能与解淀粉芽孢杆菌可以分泌生长素、细胞分裂素、脱落酸、赤霉素和亚精胺等生长因子有关[11]。乔俊卿等[31]发现使用B1619菌液可以通过提高番茄叶片的蒸腾速率、光合速率等来促进光合作用达到促进效果。张德珍等[32]发现稀释的JF-1发酵液可以显著提高黄瓜幼苗的壮苗指数,有效增加黄瓜幼苗的侧根数、叶面积和叶绿素含量。依据相关性分析可知,基质养分与光合作用显著相关,而光合作用又与黄瓜幼苗长势紧密相关。基质养分的改善加强光合作用,光合作用的加强又促进黄瓜幼苗生物量的积累,促进黄瓜幼苗的生长。总体来说,单一菌剂处理对黄瓜幼苗的促生效果显著优于单一壳寡糖处理。

壳寡糖和解淀粉芽孢杆菌混配处理的黄瓜幼苗壮苗指数、生物量累积、净光合作用等指标均优于单一处理,且显著高于CK 91.3%、101%、 136.2%。这可能与解淀粉芽孢杆菌和壳寡糖之间的相互作用有关。一方面是因为,解淀粉芽孢杆菌能分泌壳聚糖酶,形成生物活性更高的壳寡糖[33],增强壳寡糖生物活性;另一方面是因为,基质添加壳聚糖对根际细菌具有定向调控作用,可显著改善根际基质的细菌群落结构,促进优势细菌群的保留与增殖,有助于解淀粉芽孢杆菌XY-13定殖于黄瓜幼苗根系,促进基质养分活化与作物根系发育[34]。基于壳寡糖与解淀粉芽孢杆菌原本的促生特性,二者混施进一步激发其对黄瓜幼苗的促生潜力,促生效果较单一施用更优。

4 结 论

壳寡糖与解淀粉芽孢杆菌均能促进黄瓜幼苗生长,且显著增加基质有机质、全氮、速效氮含量,并降低基质EC值,其中解淀粉芽孢杆菌增加基质养分和植株生长效果由于壳寡糖处理;解淀粉芽孢杆菌和壳寡糖复配组合显著优于单一处理,对改善幼苗基质养分、促进黄瓜幼苗地上部生长和根系发育效果显著。