張文平,王 清,黃詩宸,吳佩佳,程 新
(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院,江西 南昌 330045)
近年來,為追求高產(chǎn)高效,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上大量使用農(nóng)藥化肥的生產(chǎn)方式導(dǎo)致土壤生態(tài)環(huán)境急劇惡化,土壤板結(jié)等現(xiàn)象日益嚴(yán)重。將微生物及其代謝產(chǎn)物作用于農(nóng)作物,對于提高農(nóng)作物的生長特性及改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境有重要意義[1]?,F(xiàn)有報(bào)道表明,分離自土壤、根際、植物內(nèi)部等來源的功能性微生物不僅有固氮、解磷、改善土壤結(jié)構(gòu)、拮抗植物病原菌等作用,而且菌體分泌的植物激素、多糖等次級代謝產(chǎn)物還能起到促進(jìn)植物生長的良好效果[2]。
微生物多糖是一種新型植物調(diào)節(jié)劑,具有促進(jìn)作物生長和提高植物抗逆性等特性。Sandhya等[3]發(fā)現(xiàn),接種高產(chǎn)胞外多糖的惡臭假單胞菌(PseudomonasputidaGAP-P45)對干旱脅迫條件下向日葵幼苗的存活率、生物量、根冠比等指標(biāo)均有顯著的提高作用;閆亞南[4]的研究發(fā)現(xiàn),高產(chǎn)胞外多糖的植物促生菌(Rhizobiumsp. W33)對小麥生長有很好的促進(jìn)作用,且以對根部生長的促進(jìn)作用尤為明顯,同時,土壤中脲酶及蔗糖酶活性也得到了顯著提高;Xu等[5]研究發(fā)現(xiàn),藍(lán)藻多糖可以顯著提高灌木檸條(CaraganakorshinskiiKom)種子的發(fā)芽率及幼苗代謝活性,同時通過清除活性氧、提高抗氧化酶活性等方式減少植物的氧化損傷,具有恢復(fù)荒漠地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的潛在能力;馬曉穎等[6]發(fā)現(xiàn),不同來源的微生物多糖均對玉米生長有一定的促生及誘導(dǎo)抗逆性效果,以真菌多糖的效果最好。
綜合近年來的研究結(jié)果,微生物多糖對作物生長具有一定的促進(jìn)效果,這一點(diǎn)與葡萄糖等單糖的作用類似,但關(guān)于多糖與單糖在促進(jìn)作物生長的機(jī)理上是否存在差異這一點(diǎn),在本研究檢索范圍內(nèi)尚未見報(bào)道。本研究以水稻為試驗(yàn)對象,探討乳酸菌胞外多糖對水稻幼苗生長的影響,并通過土壤農(nóng)化分析及酶學(xué)測定等方式研究微生物多糖與葡萄糖對水稻生長促進(jìn)作用機(jī)理的異同,為微生物多糖應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論與實(shí)踐依據(jù)。
1.1.1 試驗(yàn)材料
供試菌株為植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum),江西農(nóng)業(yè)大學(xué)微生物資源開發(fā)與利用實(shí)驗(yàn)室保藏。水稻品種為準(zhǔn)兩優(yōu)608。供試土壤為紅壤,取自江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)訓(xùn)基地。土壤有機(jī)質(zhì)含量27.31 g·kg-1,堿解氮含量22.81 mg·kg-1,有效磷含量1.63 mg·kg-1,速效鉀含量76.88 mg·kg-1,pH 5.80。
1.1.2 培養(yǎng)基的配制
改良乳酸細(xì)菌培養(yǎng)基(MRS):蛋白胨10.0 g、牛肉膏10.0 g、酵母膏5.0 g、蔗糖20.0 g、乙酸鈉5.0 g、檸檬酸氫二銨2.0 g、K2HPO4·3H2O 2.0 g、MgSO4·7H2O 0.2 g、MnSO4·H2O 0.05 g、吐溫-80(聚山梨酯-80) 1 mL,加蒸餾水至1 000 mL,pH 6.8,121 ℃滅菌20 min[7]。
1.1.3 胞外多糖的提取
將活化的植物乳桿菌接種于改良的MRS,37 ℃發(fā)酵24 h。參照Rimada等[8]的方法提取胞外多糖。
試驗(yàn)于2017年7月10日在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行。將不同濃度的多糖溶液施用于裝有2 kg過20目篩菜園土的育秧盤(規(guī)格:57.5 cm×27.5 cm×2.5 cm)中,混勻,水稻種子經(jīng)消毒、浸種、催芽后,挑選大小一致的水稻種子播種于育秧盤,每盤200粒,播種方式為旱育秧。鋪上一層過0.25 mm篩的細(xì)土,定期定量澆水,保持土壤濕潤不見明水狀態(tài)。設(shè)置葡萄糖和蒸餾水作為對照。根據(jù)前期試驗(yàn)基礎(chǔ),設(shè)置多糖濃度為100、1 000 mg·L-1。共設(shè)5個處理,分別是施加蒸餾水的空白處理(CK),施加100 mg·L-1胞外多糖的處理(E1),施加1 000 mg·L-1胞外多糖的處理(E2),施加100 mg·L-1葡萄糖的處理(G1),施加1 000 mg·L-1葡萄糖的處理(G2)。每處理設(shè)置3次重復(fù)。
1.3.1 形態(tài)指標(biāo)
在播種后第15天、第30天時隨機(jī)取樣,測定水稻的形態(tài)指標(biāo),包括株高、葉長、葉鞘、根長、根體積等形態(tài)指標(biāo):株高為莖基部至第二長葉葉尖的長度;葉長為第二片葉的長度;葉寬為第三片葉的寬度;葉鞘為包圍著莖基部呈鞘狀的長度;根長為主根長度。根體積:取20株洗凈的秧苗根系完全浸入事先裝好3 mL清水的5 mL量筒,上升的刻度數(shù)即為20株秧苗根系的總體積。
1.3.2 土壤理化性質(zhì)
分別于播種后第15、30天取水稻根際土測定土壤理化性質(zhì)。采用濕篩法測定水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體比例[9-10];土壤pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀等指標(biāo)參照鮑士旦主編的《土壤農(nóng)化分析》[11]測定;土壤脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定;蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定;酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定[12];過氧化氫酶活性采用紫外分光光度法測定[13]。
試驗(yàn)結(jié)果采用DPS 7.5進(jìn)行單因素方差分析,對有顯著(P<0.05)差異的處理采用Duncan法進(jìn)行多重比較。采用SIMCA-P 13.0軟件進(jìn)行主成分分析(principle component analysis, PCA)。采用Origin 8.1制圖。
與空白組(CK)相比,在土壤中添加不同濃度的乳酸菌多糖對水稻幼苗生長有顯著(P<0.05)的促進(jìn)作用(表1)。生長15 d,添加100 mg·L-1乳酸菌多糖的處理組(E1)水稻幼苗的株高、葉長、葉鞘、根長、根體積分別比CK提高了24.77%、15.83%、37.57%、17.76%、31.82%,但其促進(jìn)效果略遜于同等劑量的葡萄糖處理。當(dāng)幼苗生長30 d,2個乳酸菌多糖處理(E1、E2)與低濃度葡萄糖處理(G1)對水稻幼苗的促進(jìn)效果基本相當(dāng),而高濃度葡萄糖處理(G2)對水稻幼苗部分指標(biāo)(株高、葉長等)相較CK反而有一定的抑制效果。
幼苗生長至15 d時,添加不同濃度的乳酸菌多糖和葡萄糖對土壤pH均無顯著影響,但在30 d時,添加乳酸菌多糖可以顯著(P<0.05)提高土壤的pH,而葡萄糖并無類似效果。添加不同濃度乳酸菌多糖和葡萄糖后,土壤有機(jī)質(zhì)含量均有提高,特別是30 d時低濃度的糖(E1、G1)效果最為明顯。不同濃度的乳酸菌多糖和葡萄糖處理均可以顯著(P<0.05)提高土壤中堿解氮含量,1 000 mg·L-1乳酸菌多糖處理還能顯著(P<0.05)提高土壤速效鉀含量,但各處理對土壤有效磷含量無顯著作用。
土壤團(tuán)聚體是評價土壤肥力的重要指標(biāo)。由圖1可知,添加乳酸菌多糖可以提高水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體比例,隨著乳酸菌多糖濃度增加,水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體的比例亦提高。15 d時,添加1 000 mg·L-1乳酸菌多糖處理(E2)的土壤中水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體比例較CK顯著(P<0.05)提高了39.74%,但外源添加葡萄糖處理(G1、G2)對水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體作用不顯著。第30天與第15天相比,添加乳酸菌多糖的處理組土壤團(tuán)聚體比例有所下降,但與空白組相比仍有顯著性差異。
表1不同處理對水稻秧苗生物學(xué)性狀的影響
Table1Effect of different treatments on biological traits of rice seedling
t/d處理Treatment株高Plant height/cm葉長Leaf length/cm葉鞘Leaf sheath/cm根長Root length/cm根體積Root volume/mL15CK10.94±1.20 c9.79±1.41 c3.38±0.18 d7.77±1.26 c0.22±0.01 dE113.65±1.15 a11.34±1.28 b4.65±0.28 c9.15±0.59 b0.29±0.02 cE212.61±0.89 b11.08±0.96 b4.55±0.32 c9.07±0.44 b0.41±0.02 aG114.34±1.25 a12.83±1.60 a5.89±0.50 a9.31±0.83 b0.36±0.06 bG212.71±1.76 b10.90±1.83 b5.06±0.29 b11.50±0.37 a0.35±0.05 b30CK16.59±1.09 b11.55±0.77 c5.88±0.49 d10.44±1.27 d0.57±0.03 cE117.62±1.34 a12.87±1.46 b6.14±0.18 bc12.57±0.31 c0.73±0.06 bE218.47±1.03 a12.75±1.38 b6.38±0.35 ab12.87±0.64 bc0.79±0.04 aG118.29±1.64 a14.11±0.83 a6.47±0.35 a13.30±0.57 b0.77±0.04 aG215.10±0.95 c10.94±0.46 c6.10±0.25 cd13.93±0.62 a0.77±0.05 a
同一處理時間內(nèi)同列數(shù)據(jù)后無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。
Data marked without the same letters in the same column of the same treatment time indicated significant difference atP<0.05. The same as below.
表2不同處理對土壤理化性質(zhì)的影響
Table2Effect of different treatments on soil physicochemical properties
t/d處理TreatmentpH有機(jī)質(zhì)Organic matter/(g·kg-1)堿解氮Alkali hydrolysablenitrogen/(mg·kg-1)有效磷Available phosphorus/(mg·kg-1)速效鉀Available potassi-um/(mg·kg-1)15CK5.40±0.02 a26.27±4.15 b15.21±0.18 e2.08±0.13 a52.02±2.07 cE16.08±0.33 a33.06±4.15 ab19.01±0.22 d2.00±0.20 a69.57±2.07 bE26.55±1.29 a35.78±4.15 a22.81±0.26 c2.29±0.35 a84.19±6.20 aG15.86±0.40 a30.35±4.15 ab26.61±0.31 a2.68±0.58 a56.41±4.14 cG26.04±1.07 a34.42±4.15 a23.57±0.27 b2.11±0.52 a53.48±4.14 c30CK5.43±0.23 c20.83±4.15 c15.97±0.18 e1.86±0.09 ab37.40±2.07 bE16.64±0.29 a42.57±4.15 a22.81±0.26 c2.35±0.33 a41.78±4.14 bE26.15±0.30 b28.99±4.15 b26.61±0.31 a2.06±0.59 ab69.57±6.20 aG15.34±0.09 c42.57±4.15 a20.53±0.24 d2.11±0.14 ab40.32±2.07 bG25.52±0.11 c35.78±4.15 ab23.57±0.27 b1.54±0.48 b41.78±4.14 b
同一處理時間內(nèi)不同處理間沒有相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。The bars without the same lowercase letters in the same treatment time indicated significant difference at P<0.05. The same as below.圖1 不同處理對水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體的影響Fig.1 Effect of different treatments on proportion of water-stable soil aggregate
添加乳酸菌多糖可以顯著(P<0.05)提高土壤脲酶及土壤酸性磷酸酶活性(圖2),隨著乳酸菌多糖濃度升高,土壤脲酶及酸性磷酸酶活性均呈上升趨勢,與CK相比,添加1 000 mg·L-1乳酸菌多糖的處理組(E2),在第15天和第30天土壤脲酶活性分別提高了23.70%和29.66%,土壤酸性磷酸酶活性分別提高了26.17%和28.10%。添加葡萄糖對土壤脲酶的促進(jìn)效果不及乳酸菌多糖,但對土壤酸性磷酸酶活性的促進(jìn)效果更明顯。
處理15 d,與CK相比,除E1外,其余處理的土壤蔗糖酶與CK無顯著差異,但各處理對土壤過氧化氫酶活性均有顯著(P<0.05)促進(jìn)作用。處理30 d時,添加乳酸菌多糖的處理可以顯著(P<0.05)提高土壤蔗糖酶及過氧化氫酶活性,隨著乳酸菌多糖濃度增加,蔗糖酶及過氧化氫酶活性有所下降。與CK相比,添加100 mg·L-1乳酸菌多糖的處理組(E1)中,土壤蔗糖酶及過氧化氫酶活性分別提高了28.89%、68.19%,添加葡萄糖的處理(E1、E2)對于土壤蔗糖酶活性有一定的促進(jìn)效果,但對土壤過氧化氫酶活性則表現(xiàn)出抑制作用。
添加乳酸菌多糖和葡萄糖均會對土壤酶活性產(chǎn)生較大影響,但影響效果有異,說明二者的作用機(jī)理可能并不相同。
由表3可知,水稻株高與葉長、有效磷、脲酶指標(biāo)存在顯著(P<0.05)相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別為0.89、0.82和0.85;根長與根體積、酸性磷酸酶有極顯著(P<0.01)相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.93和0.95;根體積與堿解氮、酸性磷酸酶的相關(guān)系數(shù)分別為0.88、0.86,呈顯著(P<0.05)相關(guān)性;土壤pH與土壤蔗糖酶、過氧化氫酶顯著(P<0.05)相關(guān),土壤有效磷和脲酶、過氧化氫酶均表現(xiàn)出顯著(P<0.05)相關(guān)性。以上結(jié)果說明,土壤理化及酶學(xué)指標(biāo)與水稻植株生長間存在緊密的關(guān)聯(lián)性,需要做更進(jìn)一步的分析。
主成分分析是將多個變量通過線性變換選出較少個數(shù)重要變量的一種降維的多元統(tǒng)計(jì)分析方法,可以去除不重要的信息,保留所需要的重要信息[14]。對第15天及第30天所測定的試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,結(jié)果如表4和表5所示。
圖2 不同處理對土壤酶活的影響Fig.2 Effect of different treatments on soil enzymes activities
表3各水稻生理指標(biāo)及土壤環(huán)境因子的相關(guān)性
Table3Correlation of physiological indexes of rice and soil environmental factors
指標(biāo)PLLLLSRLRVWSApHOMAhnAphApoUASAApaCAIndexPL1LL0.89*1LS0.690.791RL-0.050.180.651RV0.250.350.810.93**1WSA0.580.300.47-0.120.151pH0.350.160.080.060.25-0.181OM0.210.550.570.710.63-0.460.281Ahn0.220.120.590.730.88*0.210.540.361Aph0.82*0.780.39-0.140.070.050.660.410.111Apo0.490.150.500.220.520.740.40-0.200.760.161UA0.85*0.630.520.010.340.360.780.230.510.86*0.631SA0.310.280.420.550.67-0.210.87*0.620.800.520.420.681Apa-0.060.200.680.95**0.86*0.04-0.240.590.58-0.290.17-0.150.281CA0.530.320-0.28-0.06-0.100.91*0.150.210.84*0.250.82*0.63-0.531
PL,株高;LL,葉長;LS,葉鞘;RL,根長;RV,根體積;WSA,土壤團(tuán)聚體;OM,有機(jī)質(zhì);Ahn,堿解氮;Aph,有效磷;Apo,速效鉀;UA,脲酶;SA,蔗糖酶;Apa,酸性磷酸酶;CA,過氧化氫酶。下同。*,**分別表示相關(guān)性達(dá)顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)水平。
PL, Plant height; LL, Leaf length; LS, Leaf sheath; RL, Root length; RV, Root volume; WSA, Water-stable soil aggregate; OM, Organic matter; Ahn, Alkali hydrolysable nitrogen; Aph, Available phosphorus; Apo, Available potassium; UA, Urease activities; SA, Sucrase activities; Apa, Acid phosphatase activities; CA, Catalase activities. The same as below. *, ** represented significant correlation atP<0.05 orP<0.01, respectively.
當(dāng)水稻生長至15 d時:決定第一主成分(PC1)的主要有株高、葉鞘、根體積、堿解氮等指標(biāo),反映了原始數(shù)據(jù)48.45%的信息;決定第二主成分(PC2)的主要有脲酶、蔗糖酶、有效磷、速效鉀等指標(biāo),前2個主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為78.27%;決定第三主成分(PC3)的主要有水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體比例、根長和過氧化氫酶等指標(biāo),前3個主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為91.67%。當(dāng)水稻幼苗生長至30 d時:決定第一主成分的主要有脲酶、蔗糖酶、葉鞘等指標(biāo),反映了原始數(shù)據(jù)44.31%的信息;決定第二主成分的主要有酸性磷酸酶、過氧化氫酶、根長,前2個主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為70.96%;決定第三主成分的指標(biāo)為水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體比例,前3個主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為87.26%。
表4各指標(biāo)主成分分析
Table4Principal component analysis of each index
項(xiàng)目Item第15天 15th dayPC1PC2PC3第30天 30th dayPC1PC2PC3特征值Eigen value7.274.472.016.654.002.44方差Variance/%48.4529.8213.3944.3126.6616.29累計(jì)貢獻(xiàn)率Cumulative/%48.4578.2791.6744.3170.9687.26
表5各指標(biāo)主成分分析旋轉(zhuǎn)后的成分載荷矩陣
Table5Rotated component matrix of principal component analysis of each index
指標(biāo)Index第15天 15th dayPC1PC2PC3第30天 30th dayPC1PC2PC3PL0.310.130.130.28-0.22-0.28LL0.290.23-0.040.27-0.09-0.16LS0.310.250.110.370.17-0.24RL0.200.090.450.210.410.12RV0.34-0.01-0.170.300.310.00WSA0.16-0.27-0.490.10-0.05-0.60pH0.30-0.24-0.080.25-0.240.31OM0.30-0.210.130.230.180.32Ahn0.320.23-0.040.300.180.03Aph0.190.32-0.370.26-0.320.08Apo0.20-0.35-0.280.24-0.02-0.32UA0.10-0.45-0.050.33-0.26-0.05SA0.23-0.310.270.320.000.38Apa0.290.28-0.130.150.46-0.03CA0.21-0.190.410.20-0.390.22
從圖3能夠直觀地看出,當(dāng)水稻幼苗生長至15 d時,CK落在第三區(qū)間,E1、E2都落在第一區(qū)間,G1、G2落在第四區(qū)間,與E1、E2差異明顯。當(dāng)培養(yǎng)至30 d時,葡萄糖處理(G1、G2)有明顯向左移動的趨勢,G2處理組已移至第三區(qū)間,而E1、E2仍落在第一區(qū)間,與單糖處理的差異更加明顯。上述結(jié)果說明,葡萄糖和多糖均影響水稻的生長及土壤性質(zhì),但其作用方式有較大區(qū)別。
添加外源糖類物質(zhì)已成為促進(jìn)作物生長、提高作物品質(zhì)的有效途徑[15]。據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道,多糖和單糖的添加對作物生長均具有較好的促進(jìn)作用[16-20],但關(guān)于多糖與單糖促進(jìn)作物生長機(jī)理的差異研究則鮮見報(bào)道。根據(jù)現(xiàn)有報(bào)道,單糖對水稻的促進(jìn)效果更多地表現(xiàn)為作為營養(yǎng)物質(zhì)被植物直接吸收利用或者加速土壤微生物的生長,進(jìn)而促進(jìn)植物的快速生長[21],這在某種程度上也解釋了本研究中葡萄糖的促進(jìn)效果作用時間較短,且短期內(nèi)葡萄糖的促進(jìn)效果略微好于多糖這一現(xiàn)象。多糖對植物生長促進(jìn)作用的機(jī)理研究目前尚不多見,從本研究結(jié)果可以看出,盡管短期內(nèi)多糖對作物生長的促進(jìn)效果較葡萄糖略差,但隨著生長時間延長,兩者之間的差異逐漸縮小,表明乳酸菌多糖的添加可以持續(xù)性地促進(jìn)水稻生長,同時對土壤團(tuán)聚體、pH等土壤理化性質(zhì)亦有極大影響,這與艾雪[22]的研究結(jié)果一致。添加相同濃度的葡萄糖處理對前述指標(biāo)作用并不明顯,說明兩者的作用機(jī)理并不相同,后續(xù)的PCA分析結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。
圖3 第15天(A)和第30天(B)5個處理的主成分分析得分圖Fig.3 Principal component analysis score chart for 5 treatments on 15th day (A) and 30th day
土壤是作物生長的環(huán)境基礎(chǔ),對作物生長起著至關(guān)重要的作用。水稻是喜微酸的作物,但土壤的過度酸化對其種子萌發(fā)及幼苗生長均會產(chǎn)生不利的效果[23-24],這一點(diǎn)在南方紅壤地區(qū)表現(xiàn)得更加明顯。本研究表明,添加乳酸菌多糖可以有效提高土壤pH。隨著乳酸菌多糖濃度的增加,其土壤pH有逐步升高的趨勢,而且隨著時間延長,乳酸菌多糖對提升土壤pH的效果更加明顯。然而,添加葡萄糖對土壤pH并無顯著影響。這與崔文明[25]的試驗(yàn)結(jié)果并不一致,說明不同類型的土壤可能會對試驗(yàn)結(jié)果有較大影響。土壤酶活是土壤生物學(xué)活性的重要組成部分,也是反映土壤生物化學(xué)動向和強(qiáng)度的重要指標(biāo)[26-27]。本研究發(fā)現(xiàn),添加乳酸菌多糖可以提高土壤脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶等酶活,與孫姍姍[28]利用3種外源糖處理玉米種子顯著提高根際土壤酶活、改善土壤環(huán)境、促進(jìn)作物生長的研究結(jié)果類似。然而添加葡萄糖對脲酶、蔗糖酶活性均無顯著效果,對過氧化氫酶活性甚至還有一定的抑制作用。綜合上述結(jié)果,在本試驗(yàn)條件下,微生物多糖對土壤理化性質(zhì)的改善效果更明顯。
綜合本研究結(jié)果,在土壤中添加一定濃度的乳酸菌胞外多糖可以有效促進(jìn)水稻幼苗的生長,改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤酶活。但微生物多糖與葡萄糖對作物生長和土壤特性的影響效果并不一致,說明兩者之間的作用機(jī)理可能存在較大差異,需要進(jìn)一步分析。