申 鴻吳 波李洪海劉奕清吳興文楊星勇
(1西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶 400715;2農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所,四川成都 610041;3重慶文理學(xué)院特色植物產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,重慶 402160;4重慶天沛生姜研究院有限公司,重慶市生姜資源利用工程技術(shù)研究中心,重慶 402160;5重慶市梁平區(qū)經(jīng)濟(jì)作物技術(shù)推廣站,重慶 405200;6重慶師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,重慶 401331)
生姜(Zingiber officinale Roscoe)是藥食兩用蔬菜和保健功能食品,有數(shù)千年的栽培歷史,也是國(guó)家“十三五”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)特色蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系重要蔬菜之一。生姜多采用無(wú)性繁殖留種,導(dǎo)致姜種感染病原菌,極易引發(fā)姜瘟病等。無(wú)菌組培種姜(苗)是降低姜瘟病發(fā)生的有效途徑之一,如何提高生姜無(wú)菌組培種苗馴化移栽的成活率和種苗質(zhì)量,則是生姜組培種苗規(guī)模化生產(chǎn)的關(guān)鍵(劉奕清等,2010a)。
植物促生菌(plant growth promoting bacteria,PGPB)能夠提高植株對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收和利用,抑制病原微生物的繁殖。近年來(lái)植物促生菌在水稻、小麥、玉米、大豆等大田作物(吳皓瓊 等,2011;鄧振山 等,2012;高君君 等,2012),以及馬鈴薯、番茄、辣椒、甘藍(lán)、黃瓜、櫻桃、冬棗和獼猴桃等果蔬上已有大量應(yīng)用研究(林啟美 等,2002;Han & Lee,2006;呂德國(guó) 等,2008;劉方春 等,2012,2013;Islam et al.,2013;田婧 等,2016;Shen et al.,2016),但有關(guān) PGPB 在促進(jìn)生姜組培種苗生長(zhǎng)效應(yīng)等方面的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。
本試驗(yàn)在前期生姜組培種苗移栽基質(zhì)篩選及肥水調(diào)控研究基礎(chǔ)上(劉奕清 等,2010b),通過(guò)篩選出具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的紫色土土著PGPB,進(jìn)而制成復(fù)合菌劑,并開(kāi)展不同菌劑對(duì)生姜種苗生長(zhǎng)效應(yīng)的研究,以期為生姜種苗規(guī)模化種植應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。
2013年9月從西南大學(xué)國(guó)家紫色土肥力與肥料效應(yīng)監(jiān)測(cè)基地(30°26′N,106°26′E)的長(zhǎng)期輪作蔬菜〔普通白菜(小白菜)—萵苣—辣椒—大豆〕土壤中,選擇3塊1 m×1 m范圍土壤,按5點(diǎn)采樣法收集10~20 cm土層土壤,混合均勻后分裝,于4 ℃保存供菌種分離。
PGPB的分離、純化采用稀釋平板法,其中自生固氮菌、溶磷菌和解鉀菌的篩選分別采用阿須貝無(wú)氮培養(yǎng)基、PKO無(wú)機(jī)磷培養(yǎng)基和解鉀菌選擇培養(yǎng)基(Shen et al.,2016)。挑取生長(zhǎng)速度快或周圍有透明圈的菌株,使用劃線法于選擇培養(yǎng)基分離純化,直至純培養(yǎng)后轉(zhuǎn)接至LB斜面培養(yǎng),-80 ℃保存菌種。
采用凱氏定氮法測(cè)定固氮菌固氮能力(Akhter et al.,2012),采用鉬銻抗比色法測(cè)定溶磷菌溶磷能力(Perez et al.,2007),采用火焰分光光度計(jì)法測(cè)定解鉀菌解鉀能力(易浪波 等,2012)。菌株的形態(tài)學(xué)及生理生化鑒定參照《常見(jiàn)細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊(cè)》(東秀珠和蔡妙英,2001),以通用引物27F、1492R擴(kuò)增各菌株16S rDNA,PCR擴(kuò)增產(chǎn)物(1 300~1 500 bp)送上海英濰捷基貿(mào)易有限公司測(cè)序。所得結(jié)果在NCBI上進(jìn)行BLAST比對(duì),最后使用MEGA 6.06軟件的Neighbor-joining法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),進(jìn)行分子生物學(xué)鑒定。
1.2.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)于2015年4月在西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院盆栽場(chǎng)進(jìn)行。選擇株高4~5 cm、根系完整、葉色正常、生長(zhǎng)健壯的生姜組培種苗為供試植物(由重慶市特色植物種苗工程技術(shù)研究中心組培實(shí)驗(yàn)室提供);以紫色土為供試土壤,基本理化性質(zhì):pH=5.5,有機(jī)質(zhì)含量 8.44 g· kg-1,全氮 0.92 g · kg-1,全磷 0.54 g · kg-1,全鉀 16.7 g · kg-1,堿解氮 43.2 mg · kg-1,有效磷 11.0 mg · kg-1,速效鉀65.3 mg · kg-1;以生產(chǎn)中普遍應(yīng)用的牛糞做底肥(采自重慶市北碚區(qū)良種牛繁育中心),基本理化性質(zhì):含水量58.9%,全碳40.12%,全氮1.34%,全磷13.11 g · kg-1,全鉀8.11 g· kg-1,碳氮比32.11。
1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 設(shè)無(wú)牛糞-單施復(fù)合菌劑處理(T1)、牛糞-拌施復(fù)合菌劑處理(T2),以牛糞底肥育苗(CK1)和牛糞-拌施市售生物菌肥(CK2)為對(duì)照,共4個(gè)處理。其中T1為PGPB菌懸液與供試土壤混合成接種劑;T2為PGPB菌懸液與牛糞混合成接種劑,PGPB菌懸液為3菌株按1∶1∶1菌數(shù)比例混合,裝盆前與牛糞/土壤混合成接種劑(每克牛糞/土約含3×105cfu);CK2為市售生物菌肥寶祿1號(hào)(POLUMA-1,重慶寶祿滿農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司),裝盆前與牛糞混合成接種劑(每克牛糞約含 1×108cfu)。
選用2 L塑料花盆,每盆裝土1.5 kg,按接種量5%計(jì),每盆混施入各處理接種劑(或牛糞)80 g。3 d后移栽生姜組培苗,每盆2株,每處理4次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列。每天定量澆水,使土壤持水量為15%~20%。試驗(yàn)周期為90 d。
1.2.3 植株農(nóng)藝性狀測(cè)定 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)分別測(cè)定姜苗株高、葉片數(shù)、最大葉片葉面積、分蘗數(shù)等農(nóng)藝性狀和地上部、地下部鮮質(zhì)量,于105 ℃殺青10 min后,80 ℃烘干至恒重,測(cè)定植株地上部、地下部干質(zhì)量。
1.2.4 土壤理化性質(zhì)測(cè)定和微生物數(shù)量分析 試驗(yàn)結(jié)束時(shí),采用抖根法收集根際土,4 ℃保存,其中10 g用于微生物數(shù)量測(cè)定,余土風(fēng)干后用于土壤理化性質(zhì)分析。采用稀釋平板計(jì)數(shù)法測(cè)定土壤中自生固氮菌、溶磷菌、解鉀菌等細(xì)菌數(shù)目(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所微生物室,1985);分別采用酸度計(jì)法、鉻酸鉀容量法、凱氏定氮法、鉬藍(lán)比色法、火焰光度法、堿解擴(kuò)散法、Olsen法、NH4Ac-火焰光度法測(cè)定土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀含量(楊劍虹 等,2008)。
1.2.5 種苗生理生化指標(biāo)測(cè)定 采用H2SO4-H2O2消煮開(kāi)氏定氮法、釩鉬黃比色法、火焰光度法測(cè)定植株氮、磷、鉀含量(楊劍虹 等,2008)。
應(yīng)用Microsoft Excel 2007軟件制作圖表,使用SPSS 18.0軟件進(jìn)行AVONA單因素方差統(tǒng)計(jì)分析以及Duncan多重比較分析(P≤0.05)。
通過(guò)選擇培養(yǎng)基的篩選,共分離獲得6株自生固氮(GN)菌、6株溶磷(RP)菌和5株解鉀(JK)菌。本試驗(yàn)選取自生固氮菌GN03、溶磷菌RP01和解鉀菌JK02,作為PGPB候選菌株開(kāi)展研究。
從圖1-A、B和表1可以看出,自生固氮菌GN03在阿須貝無(wú)氮培養(yǎng)基上的菌落形態(tài)為白色半透明狀,光滑濕潤(rùn),圓形微隆起,邊緣整齊。革蘭氏陽(yáng)性菌,芽孢呈橢圓形、中生,莢膜肥厚。培養(yǎng)1~2 d,菌落直徑2~3 mm;培養(yǎng)3~5 d,菌落直徑6~8 mm。
從圖1-C、D和表1可以看出,溶磷菌RP01在溶磷菌選擇培養(yǎng)基上能形成明顯的溶磷圈,菌落形態(tài)濕潤(rùn)透明,難以挑起,邊緣整齊。革蘭氏陽(yáng)性菌,芽孢呈橢圓形、中生,莢膜肥厚。培養(yǎng)1~2 d,菌落直徑2~3 mm;培養(yǎng)3~5 d,菌落直徑5~6 mm。
圖1 菌株染色結(jié)果及菌落形態(tài)
表1 PGPB生理生化特征鑒定
從圖1-E、F和表1可以看出,解鉀菌JK02在解鉀菌選擇培養(yǎng)基上形成解鉀圈,菌落形態(tài)為濕潤(rùn)凸起,呈乳白色,邊緣整齊。革蘭氏陽(yáng)性菌,芽孢呈橢圓形、中生或次端生,莢膜肥厚。培養(yǎng)1~2 d,菌落直徑1~2 mm;培養(yǎng)3~5 d,菌落直徑5~7 mm。
對(duì) GN03、RP01、JK02菌 株 進(jìn) 行 基 于 16S rDNA系統(tǒng)發(fā)育分析,結(jié)果表明:GN03與多株解淀粉芽孢桿菌屬菌株相似度達(dá)到99%以上,RP01與多株短小芽孢桿菌屬菌株相似度達(dá)到99%以上,JK02與多株芽孢桿菌屬菌株相似度達(dá)到98%以上(圖2)。結(jié)合形態(tài)學(xué)、生理生化和16S rDNA鑒定結(jié)果,試驗(yàn)篩選的自生固氮菌鑒定為解淀粉芽孢桿菌(Bacillus amyloliquefaciens spp.),將其命名為B. amyloliquefaciens GN03;溶磷菌鑒定為短小芽孢桿菌(Bacillus pumilus spp.),將其命名為B.pumilus RP01;解鉀菌鑒定為環(huán)狀芽孢桿菌(Bacillus circulans spp.),將其命名為B. circulans JK02。這3個(gè)菌株的16S rDNA序列已提交GenBank,登錄號(hào)分別為KU922934、KU922935和 KU922936。
圖2 GN03、RP01、JK02菌株的16S rDNA系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)
盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明(表2),各處理生姜種苗根際土壤微生物數(shù)量存在顯著差異,土壤細(xì)菌總數(shù)排序?yàn)椋篢1>T2>CK2>CK1。其中,單施牛糞(CK1)和牛糞-拌施市售生物菌肥(CK2)2個(gè)處理的土壤細(xì)菌總數(shù)僅為(1~20)×106cfu·g-1,均處于較低水平。而接種PGPB復(fù)合菌劑的2個(gè)處理(T1和T2)的根際微生物數(shù)量顯著提升:與CK2相比,T2處理的根際細(xì)菌總數(shù)、固氮菌、溶磷菌和解鉀菌數(shù)量分別提高了212.2%、1 674.1%、8 709.1%和225.2%。
與單施牛糞(CK1)和單施復(fù)合菌劑(T1)處理相比,牛糞-拌施市售生物菌肥處理(CK2)和牛糞-拌施復(fù)合菌劑處理(T2)提高了生姜種苗根際土壤中全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷含量(表3)。其中T2處理的土壤速效磷、速效鉀含量分別較CK2顯著提高了87.5%和23.0%。
從表4可以看出,各處理生姜種苗的株高、葉片數(shù)、葉面積、地下部和地上部干質(zhì)量等指標(biāo)差異明顯,姜苗總體生長(zhǎng)勢(shì)表現(xiàn)為:T2>T1>CK2>CK1(圖3)。牛糞-拌施復(fù)合菌劑處理(T2)能顯著改善生姜植株種苗的生長(zhǎng),姜苗分蘗數(shù)、葉面積和地上部、地下部干質(zhì)量,分別較CK2提高了40.0%、45.9%和28.6%、25.0%。單施復(fù)合菌劑處理(T1)的植株生長(zhǎng)狀況雖略優(yōu)于CK1,但其姜苗分蘗數(shù)最少。
表2 不同復(fù)合菌劑處理對(duì)生姜種苗根際微生物數(shù)量的影響
表3 不同復(fù)合菌劑處理對(duì)姜苗根際土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀含量的影響
表4 不同復(fù)合菌劑處理對(duì)生姜種苗農(nóng)藝性狀的影響
圖3 植物促生菌對(duì)生姜幼苗農(nóng)藝性狀的影響(盆栽90 d)
表5 不同復(fù)合菌劑處理對(duì)姜苗氮、磷、鉀含量的影響 mg·kg-1
從表5可以看出,與生姜植株生長(zhǎng)狀況一致,牛糞-拌施復(fù)合菌劑處理(T2)的植株地下部和地上部N、P、K含量均高于其他處理,其中姜苗地上部鉀、地下部氮、磷含量較CK2分別提高了22.2%、30.0%和16.7%。
設(shè)施菜田土壤極易出現(xiàn)微生物多樣性下降、病原菌增多和寄生線蟲為害等土壤微生物學(xué)障礙問(wèn)題(田永強(qiáng) 等,2013)。與土著微生物種群相比,微生物肥料中的外源性PGPB可能沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),導(dǎo)致其定殖能力低下、遺傳性狀不穩(wěn)定(杜曉燕 等,2008),因此微生物肥料的有效性問(wèn)題長(zhǎng)期處于研究熱點(diǎn)。
本試驗(yàn)分別篩選、鑒定獲得紫色土土著PGPB自生固氮菌(Bacillus amyloliquefaciens GN03)、溶磷菌(Bacillus pumilus RP01)和解鉀菌(Bacillus circulans JK02)。將這3個(gè)菌株按1∶1∶1菌數(shù)與牛糞基質(zhì)混合制成復(fù)合菌劑,研究復(fù)合菌劑對(duì)生姜種苗的促生效應(yīng)。盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明,與接種牛糞-拌施市售生物菌肥相比,牛糞-拌施復(fù)合菌劑處理的根際細(xì)菌總數(shù)、固氮菌、溶磷菌和解鉀菌數(shù)量分別提高了212.2%、1 674.1%、8 709.1%和225.2%,表明試驗(yàn)篩選的GN03、RP01和JK02不僅具紫色土生態(tài)適應(yīng)能力,更較普通市售微生物肥料具有強(qiáng)烈的土著微生態(tài)環(huán)境競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),因此能顯著促進(jìn)植物根際促生菌的增殖。這與劉方春等(2013)接種PGPR對(duì)冬棗根際土壤微生態(tài)環(huán)境的研究結(jié)果一致。此外,土壤速效磷、速效鉀含量分別顯著提高了87.5%和23.0%,表明篩選并使用適宜的土著根際促生菌能促進(jìn)難溶態(tài)磷素等養(yǎng)分的供應(yīng),改善土壤養(yǎng)分狀況,這與冬棗(劉方春 等,2013)、獼猴桃(Shen et al. 2016)等根際土壤微環(huán)境特征的研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)中,姜苗地上部鉀、地下部氮、磷養(yǎng)分含量分別提高了22.2%、30.0%和16.7%,與辣椒(Han & Lee,2006)、黃瓜(Han &Lee,2006)、甜菜(Shi et al.,2011)以及獼猴桃(Shen et al.,2016)上的研究結(jié)果一致,表明接種適宜的PGPB能提高姜苗養(yǎng)分含量,顯著改善種苗對(duì)養(yǎng)分的吸收利用。與接種牛糞-拌施市售生物菌肥相比,接種牛糞-拌施復(fù)合菌劑的生姜種苗的分蘗數(shù)、葉面積和地上部、地下部干質(zhì)量分別提高了40.0%、45.9%和28.6%、25.0%,表明接種土著植物促生菌不僅能顯著改善生姜種苗的生長(zhǎng),還能夠促進(jìn)生姜種苗分蘗,與前人在玉米(Zahid et al.,2015)、甘藍(lán)(Piromyou et al.,2013)上的研究結(jié)果一致。
生姜種苗地下莖質(zhì)量和分蘗數(shù)等生物學(xué)性狀,直接影響種苗的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,因此,選擇適宜的植物促生菌,并結(jié)合適宜的有機(jī)質(zhì)配方制成PGPB復(fù)合微生物菌肥,對(duì)于生姜種苗的生產(chǎn)具有重要作用。在后續(xù)研究中,還需進(jìn)一步開(kāi)展植物促生復(fù)合微生物菌肥的應(yīng)用基礎(chǔ)研究,如各菌株的商業(yè)性擴(kuò)繁體系建立、商業(yè)化菌肥中各菌株投放比例、菌肥基質(zhì)的優(yōu)化、菌肥質(zhì)量控制體系的建立等,以期實(shí)現(xiàn)生姜種苗擴(kuò)繁制種的規(guī)?;瘧?yīng)用,為姜農(nóng)提供優(yōu)質(zhì)姜種。
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