宋鳳鳴,劉建華,史正軍,江亞雄,葉宇軒,許建新
(1.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司,廣東 深圳 518008;2. 深圳市中國科學(xué)院仙湖植物園/深圳市南亞熱帶植物多樣性重點實驗室,廣東 深圳 518004)
解磷解鉀根際促生菌的分離鑒定和篩選應(yīng)用
宋鳳鳴1,劉建華1,史正軍2,江亞雄1,葉宇軒1,許建新1
(1.深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司,廣東 深圳 518008;2. 深圳市中國科學(xué)院仙湖植物園/深圳市南亞熱帶植物多樣性重點實驗室,廣東 深圳 518004)
為了獲得具有高效解磷解鉀能力、適宜作為菌肥生產(chǎn)菌的根際促生菌,采用選擇性培養(yǎng)基,以稀釋培養(yǎng)法針對性地篩選具有解無機磷、解鉀能力的根際促生菌,通過生理生化實驗結(jié)合16S rDNA序列分析對分離菌株進(jìn)行鑒定,并比較其解磷解鉀效果,篩選出無拮抗的菌株并發(fā)酵菌液作為菌肥應(yīng)用。結(jié)果表明:多個細(xì)菌菌株中,b6巨大芽孢桿菌(Bacillus megaterium)解無機磷活性較強,b7膠質(zhì)芽孢桿菌(Bacillus mucitaginosus)解鉀活性較強。復(fù)合菌肥在實驗室盆栽條件下對山毛豆(Tephrosia candida)促生效果顯著,但其肥效與化肥仍有差距,可搭配減量化肥施用,提高化肥利用率。
根際促生菌;解鉀;解無機磷;鑒定;篩選
氮、磷、鉀是植物生長發(fā)育必不可少的元素,植物的需要量巨大。施用氮磷鉀化肥是我國農(nóng)業(yè)中使用普遍且見效快的施肥方法,但據(jù)統(tǒng)計,我國化肥的有效利用率很低,氮肥平均利用率為30%~35%,磷肥為10%~20%,鉀肥為35%~50%[1]。過度施肥會影響土壤結(jié)構(gòu),導(dǎo)致養(yǎng)分流失,引起部分地區(qū)土壤鹽堿化、酸化、板結(jié),水體富營養(yǎng)化,空氣污染等,給生態(tài)環(huán)境帶來很大的負(fù)面影響[2]。實際上,土壤中并不缺乏磷鉀源,地殼中磷元素的平均含量大約為0.28%(以P2O5計),分為無機磷和有機磷,主要以鈣、鐵、鋁等的磷酸鹽為主[3],溶解性差,難于被植物吸收。鉀在地殼中的含量達(dá)2.59%,鉀長石和云母等硅酸鹽礦物占地球表面巖石和土壤的60%以上,而土壤中90%~98%的鉀存在于以上硅酸鹽礦物中,只有經(jīng)過漫長的風(fēng)化作用后才能轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀恢参镏苯游绽玫挠行р洠?-5]。
植物根際促生菌(PGPR)是指自由生活在土壤或附生于植物根際的一類有益菌群,具有固氮、解磷、解鉀及分泌植物激素等生理活性[6]。已有研究表明,解磷細(xì)菌可產(chǎn)生和釋放有機酸,可降低植物根際土壤pH值,又能與Ca2+、Fe2+、Al3+等離子鰲合,使磷有效溶解,促進(jìn)土壤中的無效磷有效化[7-8]。解鉀細(xì)菌可通過有機酸、氨基酸、酶、生物膜、胞外聚合物、氧化還原作用和莢膜多糖絡(luò)合作用等方式風(fēng)化硅酸鹽礦物,將礦物中不溶性的鉀、鐵、硅等元素轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄栽兀?-12]。本研究從土壤中有針對性地篩選分離特定的根際促生菌,對分離菌株進(jìn)行鑒定,并比較其解無機磷活性和解鉀效果,篩選出無拮抗的菌株并發(fā)酵菌液作為菌肥應(yīng)用。
1.1 試驗材料
從深圳梧桐山不同海拔及朝向的坡面選取豬屎豆、簕仔樹等邊坡植物小苗,用抖落法獲得植物根際土壤,用無菌袋密封帶回實驗室分離。
培養(yǎng)基:(1) 細(xì)菌基礎(chǔ)培養(yǎng)基(LB培養(yǎng)基):胰蛋白胨10 g/L,酵母提取物5 g/L,NaCl 10 g/L,pH 7.4;(2)解鉀細(xì)菌培養(yǎng)基:蔗糖5.0 g,MgSO4·7H2O 0.5 g,Na2HPO42 g,NaCl 0.1 g,CaCO30.1 g,高嶺土5.0 g,瓊脂20 g,蒸餾水1 L,pH 7.0~7.5;(3)解鉀發(fā)酵培養(yǎng)基:蔗糖5.0 g,MgSO4·7H2O 0.5 g,Na2HPO42 g,F(xiàn)eCl30.005 g,K2HPO40.2 g,CaCO30.1 g,鉀長石5.0 g,pH 7.0~7.5;(4)解磷細(xì)菌培養(yǎng)基:葡萄糖10 g,(NH4)2SO40.5 g,KCl 0.3 g,MgSO4·7H2O 0.3 g,F(xiàn)eSO4·7H2O 0.03 g, MnSO4·4H2O 0.03 g,水1000 mL,瓊脂20 g,pH 7.0~7.5;(5)解磷發(fā)酵培養(yǎng)基(NBRIP):葡萄糖10 g,Ca3(PO4)25 g,MgCl25 g,MgSO4·7H2O 0.25 g,KCl 0.2 g,(NH4)2SO40.1 g,蒸餾水1000 ml,pH 7.0~7.5。
供試礦物長石與高嶺土純度均在98%以上,長石中主要化學(xué)成分含量分別為SiO265.5%、Al2O318.5%、K2O 12.0%。
生物菌肥產(chǎn)品的制備:將各菌接種至解磷、解鉀培養(yǎng)基中培養(yǎng)至穩(wěn)定期,將各菌發(fā)酵液等體積混合,3 000 r/min離心5 min后收集沉淀菌體,加入體積相等的無菌水復(fù)溶,即為成品肥液。
1.2 菌株分離和鑒定
采用磷酸三鈣為磷源的培養(yǎng)基分離解磷菌株,采用硅酸鹽專性營養(yǎng)培養(yǎng)基作為解鉀培養(yǎng)基分離解鉀菌株。將3 g土樣溶于50 mL無菌水充分振蕩并梯度稀釋成102、103、104倍土壤懸液,然后每個稀釋度各取500 μL均勻涂布于培養(yǎng)基平板上,37℃倒置培養(yǎng)。在解磷培養(yǎng)基上挑取具解磷圈的菌落,在解鉀培養(yǎng)基上挑選無色、透明、油滴狀并富有彈性的菌落,進(jìn)一步純化直至獲得純培養(yǎng)為止。最后將所獲得的純培養(yǎng)菌株轉(zhuǎn)入終濃度為25%的甘油中并密封保存于冰箱。
對細(xì)菌進(jìn)行革蘭氏染色及相關(guān)生理生化實驗(過氧化氫酶活性、檸檬酸鹽利用試驗、葡萄糖發(fā)酵試驗、甲基紅試驗、V.P試驗、淀粉水解試驗、吲哚試驗、明膠液化試驗),根據(jù)細(xì)菌菌落的形態(tài)及生理生化實驗將細(xì)菌初步鑒定到屬[13]。采用細(xì)菌基因組DNA提取試劑盒(DP302)進(jìn)行細(xì)菌DNA提取,對革蘭氏陽性菌加溶菌酶處理后再進(jìn)行DNA提取,用細(xì)菌通用引物27f,1492r,參照相關(guān)文獻(xiàn)報道的方法擴增。經(jīng)測序公司測序后用軟件BioEdit7.01中的CLUSTAL W多序列比對程序進(jìn)行序列比對,系統(tǒng)發(fā)育樹由MEGA 5.0軟件構(gòu)建,方法為鄰接法(Neighbor-Joining)。
1.3 根際細(xì)菌解磷解鉀試驗
將菌株分別接種于50 mL種子培養(yǎng)液中于37℃、180 r/min下擴大培養(yǎng)1 d,細(xì)菌培養(yǎng)進(jìn)入穩(wěn)定期,OD600值達(dá)到0.6后,作為種子液。用移液槍取1 mL種子液加入100 mL解無機磷細(xì)菌發(fā)酵培養(yǎng)液中,以不接任何菌液的發(fā)酵培養(yǎng)基為空白對照組,每個處理3次重復(fù),于28℃、150 r/min下培養(yǎng)7 d。培養(yǎng)結(jié)束后,先測定菌液pH值,用稀釋平板法測定活菌數(shù),剩余發(fā)酵液 6000 r/min離心10 min,將上清液定容至50 mL容量瓶中,消煮后用鉬磷比色法測定速效磷含量。
解鉀實驗中,發(fā)酵培養(yǎng)基選擇1.2中的解鉀發(fā)酵培養(yǎng)基。發(fā)酵液消煮后用火焰光度計測定鉀離子含量,其余操作同上。
1.4 細(xì)菌拮抗試驗
拮抗試驗采用瓊脂塊法,將一種待試菌接種于涂布好的另一種待試菌的平板上,正放12 h后再倒置培養(yǎng)24 h,觀察瓊脂塊周圍有無抑菌圈產(chǎn)生。
1.5 菌肥應(yīng)用試驗
土壤滅菌后裝入規(guī)格一致的花盆中,播種山毛豆種子于土中培養(yǎng),種子發(fā)芽后疏苗至每盆3株。試驗設(shè)施加肥液200 mL、施加肥液100 mL+史丹利1000倍水溶性復(fù)合肥100 mL、施加史丹利1000倍水溶性復(fù)合肥200 mL和空白對照(施加無菌水200 mL)4個處理,分別用A、B、C、CK表示。每個處理3次重復(fù),每個重復(fù)3盆。每隔7 d追肥1次,定期觀察各處理植株長勢,測量株高、冠幅等生長量。
2.1 菌株分離和鑒定
2.1.1 菌株分離結(jié)果 用解磷培養(yǎng)基分離出8個菌株,解鉀培養(yǎng)基僅分離出1個菌株b7。b7在硅酸鹽培養(yǎng)基上(28℃,培養(yǎng)3 d)表現(xiàn)為無色透明隆起油滴狀菌落,菌落表面光滑、粘稠、富有彈性,挑起時能拉成絲,其他菌株在硅酸鹽培養(yǎng)基上則表現(xiàn)為較小的點狀菌落。同時,b7還可以在解磷培養(yǎng)基上產(chǎn)生解磷圈。
革蘭氏染色、芽孢染色和生化測定結(jié)果表明,7株供試細(xì)菌均為革蘭氏陽性、可在好氧環(huán)境中產(chǎn)芽孢,芽孢中生或近中生、橢圓狀或柱狀,均應(yīng)屬于芽孢桿菌屬(Bacillus sp.)。b9為革蘭氏陰性菌,無芽孢,細(xì)胞短桿狀,大小約0. 6μm×1.2μm,菌落圓形、黃色、邊緣整齊,初步鑒定為假單胞菌屬(Pseudomonas sp.)。b8為革蘭陰性粗短桿菌,寬0.6~1.1μm、長1.2~3.0μm,有周身鞭毛,無芽孢無莢膜。菌落特征:LB培養(yǎng)基、30℃培養(yǎng),菌落白色、圓形、表面光滑、稍突起、邊緣整齊、不透明,菌落粘在培養(yǎng)基表面。
2.1.2 菌株生理生化試驗結(jié)果 各菌株中,b5、b7、b8、b9為革蘭氏陰性菌,其余為革蘭氏陽性菌各菌株生理生化試驗結(jié)果見表1。
表1 篩選菌株生理生化試驗結(jié)果
2.1.3 菌株分子鑒定結(jié)果 菌株b1~b7基于16S rDNA的進(jìn)化樹如圖1所示,其中b1菌株與枯草芽孢桿菌B. subtilis KP876486.1、b5與地衣芽孢桿菌B. licheniformis FJ447354.1、b6與巨大芽孢桿菌B. megaterium DQ408589.1序列的同源性均達(dá)到100%。b7與膠質(zhì)芽孢桿菌B. mucilaginosus HM579819.1、膠質(zhì)類芽孢桿菌Paenibacillus mucilaginosus JF810846.1序列的同源性均達(dá)到99%。結(jié)合生理生化實驗結(jié)果,將b1鑒定為枯草芽孢桿菌,b5鑒定為地衣芽孢桿菌,b6鑒定巨大芽孢桿菌,b7定為膠質(zhì)芽孢桿菌。b2、b3、b4親緣關(guān)系較近,與蠟狀芽孢桿菌、蘇云金芽孢桿菌16S rDNA序列同源性均為99%,根據(jù)16S rDNA序列和生理生化實驗結(jié)果仍無法鑒定至種,根據(jù)進(jìn)化樹推測b2、b4為蠟狀芽孢桿菌,b3為蘇云金芽孢桿菌。
圖1 菌株b1~b7基于16S rDNA的進(jìn)化樹
b8菌株與陰溝腸桿菌(KU051717.1)、產(chǎn)氣腸桿菌序列同源性較高(99%),進(jìn)化樹顯示其與陰溝腸桿菌聚在同一分支,親緣關(guān)系可能更接近于陰溝腸桿菌,結(jié)合生理生化實驗結(jié)果將b8定為陰溝腸桿菌(圖2)。
b9菌株與熒光性假單胞菌(Pseudomonas fluorescens)序列同源性較高,進(jìn)化樹與熒光性假單胞菌在同一分支,結(jié)合生理生化實驗結(jié)果將b9鑒定為熒光性假單胞菌(圖3)。
圖2 菌株b8基于16sRNA的進(jìn)化樹
圖3 細(xì)菌菌株b9基于16sRNA的進(jìn)化樹
2.2 解磷解鉀活性比較
2.2.1 細(xì)菌解無機磷效果比較 各菌株均具有較明顯的解無機磷效果,發(fā)酵培養(yǎng)結(jié)束后,各菌株發(fā)酵液速效磷含量較對照NBRIP溶液有了顯著增加。速效磷含量最高的是b6巨大芽孢桿菌發(fā)酵液,達(dá)128.26(±2.26)μg/mL,解磷能力最強;其次是b8陰溝腸桿菌120.43(±1.65)μg/mL、b5地衣芽孢桿菌118.35(±0.89)μg/ mL、b7膠質(zhì)芽孢桿菌114.35(±2.67)μg/mL、b9熒光性假單胞菌112.14(±1.10)μg/mL;其余菌株發(fā)酵液速效磷含量數(shù)值相差不大,但仍顯著高于對照(表2)。
發(fā)酵結(jié)束后,各菌株發(fā)酵液pH值均有不同程度下降,表明菌株在發(fā)酵過程中均產(chǎn)生了有機酸類代謝物質(zhì)。同時,菌株發(fā)酵液pH值越低,速效磷含量越高,即各菌株解磷能力與發(fā)酵液pH值下降值呈現(xiàn)出一定相關(guān)性,經(jīng)相關(guān)性分析后得到回歸方程y=46.048x+63.949,R2=0.5696,相關(guān)性達(dá)到顯著水平。
表2 細(xì)菌的長石搖床發(fā)酵實驗
2.2.2 細(xì)菌解鉀效果比較 各菌株中解鉀效果最顯著的是b7膠質(zhì)芽孢桿菌,發(fā)酵液速效鉀濃度達(dá)105.15(±1.73)μg/mL,較對照提高18.56%,其次是b6巨大芽孢桿菌和b8陰溝腸桿菌,速效鉀濃度較對照分別提高11.48%、10.09%,其余菌株發(fā)酵液速效鉀濃度數(shù)值相差不大,但仍顯著高于對照(表3)。
表3 細(xì)菌的長石搖床發(fā)酵實驗
從各菌株發(fā)酵液速效鉀比對照增加量與發(fā)酵液pH下降值的相關(guān)性分析得出,回歸方程為y=37.031x-36.294,R2=0.5514,相關(guān)性達(dá)到顯著水平,表明菌株解鉀作用同樣與有機酸的產(chǎn)生有關(guān)。
2.3 細(xì)菌拮抗試驗
菌株拮抗試驗結(jié)果表明,b8陰溝腸桿菌對芽孢桿菌和b9假單胞菌有輕微的相互拮抗,其他菌株間均沒有相互拮抗。根據(jù)微生物肥料生物安全通用技術(shù)準(zhǔn)則(NY1109-2006)規(guī)定,枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、膠質(zhì)芽孢桿菌的安全分級均為一級,為可免做毒理學(xué)試驗的菌種,可直接用于生產(chǎn)。且以上幾種芽孢桿菌相互間不存在拮抗現(xiàn)象,故將菌肥應(yīng)用菌株確定為以上4種。
2.4 菌肥應(yīng)用試驗
如圖4所示,4個處理中,對照生長情況最差,處理A的株高、冠幅等生長量均顯著優(yōu)于對照,表明菌肥對提高植物生長有顯著促進(jìn)作用。處理B、C的生長量又顯著優(yōu)于處理A,表明復(fù)合肥促進(jìn)植物生長的效果更明顯,全部施用菌肥肥效有限,處理B、C之間差異不顯著,表明半量菌肥與半量化肥配合施用可發(fā)揮較好的肥效,與全量化肥施用效果沒有顯著差異。
圖4 菌肥對山毛豆株高、冠幅生長量的促進(jìn)作用
試驗篩選的解磷細(xì)菌分別屬于芽孢桿菌屬、腸桿菌屬、假單胞菌屬,這與多數(shù)研究報道[14-16]結(jié)果一致。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道[7-8],微生物解磷作用復(fù)雜,不同細(xì)菌種類其解磷能力不同,部分菌株解無機磷效果不強,但卻具有顯著的解有機磷作用;在解無機磷方面,相同菌株在不同難溶性磷酸鹽為底物條件下的解磷能力也有差異,表明單一實驗很難全面測定一個菌株的解磷能力。但在土壤中,無機磷約占總磷的60%~80%,磷酸鹽中又以鈣鹽為主,因此細(xì)菌解磷酸三鈣的能力可在一定程度上反映出細(xì)菌在土壤中解磷能力的強弱,篩選解磷酸三鈣的能力較強的細(xì)菌用于菌肥生產(chǎn)更適合推廣應(yīng)用。
微生物解鉀研究一般以硅酸鹽細(xì)菌為主,膠質(zhì)芽孢桿菌可在無鉀源、無氮源的硅酸鹽細(xì)菌培養(yǎng)基中生長,而其他菌株在該培養(yǎng)基上菌落則表現(xiàn)出生長不良,但發(fā)酵實驗證明,所篩選的解磷菌株同時也具備一定的解鉀能力,推測是由于菌株生長活動的氧化還原反應(yīng)、所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物如有機酸等導(dǎo)致長石被一定程度風(fēng)化,從而導(dǎo)致可溶性鉀濃度升高。
土壤肥力由生物肥力、化學(xué)肥力、物理肥力3部分組成,使用微生物肥料可提高土壤的生物肥力,有利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,間接提高物理肥力。但在實際生產(chǎn)中,菌肥往往存在應(yīng)用效果不穩(wěn)定、增產(chǎn)效果不明顯等情況[6,8]。根據(jù)實驗結(jié)果,試驗菌株在實驗條件下具有一定解磷解鉀效果,在無菌土壤中可發(fā)揮較顯著肥效,可促進(jìn)植物生長。但在非實驗條件下,菌肥效果的發(fā)揮與菌群對施用土壤微環(huán)境的適應(yīng)性、菌株能否在植物根系較好定殖關(guān)系緊密。土壤中原有的土著微生物種類繁多、數(shù)量巨大,接種菌株需適應(yīng)施用土壤微環(huán)境、與土著微生物競爭后方可成為優(yōu)勢菌群,故接種菌株在施用土壤中很難達(dá)到實驗培養(yǎng)條件下的有效孢子濃度。因此,菌肥僅能產(chǎn)生有限的化學(xué)肥力,肥料有效性、速效性均不如化肥,用菌肥完全替換化肥不現(xiàn)實,這也是菌肥應(yīng)用的常見誤區(qū)之一。菌肥、化肥兩者配合施用則可以提高肥料利用率、減少部分化肥的投入、節(jié)約生產(chǎn)成本,同時也有利于土壤的良性發(fā)展。
生產(chǎn)中施用農(nóng)藥或過量化肥、高溫及過度曝曬等均可導(dǎo)致菌體死亡。為了促進(jìn)根際促生菌在植物根系的定殖,應(yīng)人為創(chuàng)造適宜促生菌生長的條件,如盡量使用生物農(nóng)藥替代化學(xué)農(nóng)藥、調(diào)節(jié)土壤酸堿度、增施有機肥、改良鹽堿化土壤、提高土壤物理肥力等。研究表明,有機肥作為一種能提供多種無機養(yǎng)分和有機養(yǎng)分的肥料,本身就是植物廢棄物堆肥發(fā)酵后形成的終產(chǎn)物,較適合作為微生物發(fā)酵載體,有機肥與菌肥復(fù)配可以提高菌肥的活菌保存率,未來兼具微生物肥效和有機肥效的生物有機肥推廣應(yīng)用的前景可能更佳[17]。對于生產(chǎn)中合理施用化肥、提高化肥利用率,有機肥、菌肥與化肥的最佳施用量及配比值得進(jìn)一步深入研究。
本試驗篩選的菌株中,膠質(zhì)芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、陰溝腸桿菌均有相對較顯著的解磷解鉀作用,且這幾種菌兼具一定固氮作用,較適合應(yīng)用于菌肥生產(chǎn)。目前前兩種菌已有推廣應(yīng)用,而陰溝腸桿菌則僅見于研究報道和小面積推廣應(yīng)用,如水稻根際固氮、烤煙菌肥、有機磷生物降解等方面,但應(yīng)避免與其拮抗菌菌肥同時施用,同時應(yīng)做毒理學(xué)試驗確認(rèn)其生物安全性再進(jìn)行推廣應(yīng)用,值得進(jìn)一步深入研究。
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(責(zé)任編輯 楊賢智)
Identification and screening of plant growth-promoting rhizobacteria(PGPR)with ability of phosphatesolubilizing or potassium-solubilizing
SONG Feng-ming1,LIU Jian-hua1,SHI Zheng-jun2,JIANG Ya-xiong1,YE Yu-xuan1,XU Jian-xin1
(1.Shenzhen Techand Ecology & Environment Company Limited in Guangdong Province, Shenzhen 518008,China;2. Fairylake Botanical Garden,Shenzhen & Chinese Academy of Sciences/Shenzhen Key Laboratory of Southern Subtropical Plant Diversity,Shenzhen 518004,China)
In order to obtain plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) strains with efficient activity on solubilizing phosphate or potassium, and the potentiality as fertilizer-producing bacteria, strains were isolated by using selective medium and diluting culture, then they were identified after a series of physiological and biochemical experiments and 16S rDNA sequence analysis. And the solubilization activity was tested, unopposed strains were selected and used as biological bacterial fertilizer. The results showed that b6 (Bacillus megaterium) had efficient activity on solubilizing inorganic phosphorus, b7 (B. mucitaginosus) had efficient activity on solubilizing potassium. Under laboratory conditions, the compound biological fertilizer had a significant promoting effect on Tephrosia candida, but it still couldn’t replace chemical fertilizers. Biological bacterial fertilizer can be used with the reduction of chemical fertilizer, to improve the fertilizer utilization.
plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR);potassium-solubilizing;inorganic phosphorussolubilizing;identification;screening and application
S144.9
A
1004-874X(2017)03-0094-07
2017-01-08
廣東省科技計劃項目(2014B090903015,2015B090904008)
宋鳳鳴(1987-),女,碩士,助理工程師,E-mail:490257804@qq.com
許建新(1982-),男,博士,高級工程師,E-mail:582546461@qq.com
宋鳳鳴,劉建華,史正軍,等.解磷解鉀根際促生菌的分離鑒定和篩選應(yīng)用[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2017,44(3):94-100.