譚梅娟,張 婷,李雅吉,王嘉姝,陳靜玥,王 捷*

(太原師范學(xué)院 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山西 晉中 030619)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,大量化學(xué)肥料的濫用導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降,化肥利用率低下,農(nóng)作物品質(zhì)下降和農(nóng)業(yè)污染等一系列問(wèn)題[1-3].近年來(lái),隨著全球氣候變暖及世界人口的激增,對(duì)糧食的需求也不斷增加,必須在不影響環(huán)境的情況下解決糧食需求問(wèn)題[4].2022年國(guó)家發(fā)布《科技支持碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案(2022-2030)》通知,提出要開(kāi)發(fā)微藻肥技術(shù)、生物固氮增匯肥料技術(shù),研究鹽藻或藍(lán)藻固碳增強(qiáng)等技術(shù)推動(dòng)碳達(dá)峰及碳中和.在農(nóng)業(yè)方面,為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)消費(fèi)和生產(chǎn)模式(第12個(gè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)),有必要選擇天然或生物肥料來(lái)替代合成肥料的使用[5-6].在這種背景下,生物刺激劑,包括多糖、植物激素、維生素、氨基酸等作為能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)的天然物質(zhì)受到了廣泛關(guān)注[7].近年來(lái),微藻已成為農(nóng)業(yè)中一種很有前途的生物肥料和生物刺激劑的來(lái)源,用于促進(jìn)植物健康以提高作物產(chǎn)量[8].

淡水微藻含有高比例植物生長(zhǎng)所需的大量及微量營(yíng)養(yǎng)元素,且含有各種植物生長(zhǎng)促進(jìn)物質(zhì),如多糖、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和植物激素等[9],微藻細(xì)胞提取物處理過(guò)的種子表現(xiàn)出更高的萌發(fā)率[10,11],葉面和土壤施用提取物均可提高植物生長(zhǎng)率,其可溶性糖、蛋白質(zhì)和游離葉綠素含量也有升高趨勢(shì)[12].柵藻是淡水中常見(jiàn)的浮游藻類(lèi),對(duì)有機(jī)污染物具有較強(qiáng)的耐性,是有機(jī)污水氧化塘中的優(yōu)勢(shì)藻種,且在水體凈化有一定作用[13,14].柵藻是有機(jī)物的高效生產(chǎn)者,以柵藻的細(xì)胞提取物為研究對(duì)象,對(duì)種子引物、葉面噴霧劑和生物肥料的施用效果進(jìn)行評(píng)價(jià).當(dāng)用量超過(guò)0.75 g/mL時(shí),種子萌發(fā)提前兩天,側(cè)根發(fā)育更大.葉面噴施3.75 g/mL提取物可提高株高、花數(shù)和單株分枝數(shù),并可促進(jìn)早期果實(shí)發(fā)育[15].鑒于微藻含有高比例的微量營(yíng)養(yǎng)素和植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)素,并且是環(huán)境友好和高效的化肥替代品[16,17],因此微藻生物刺激劑作為生物肥料具有潛在的應(yīng)用前景.

目前有關(guān)微藻生物刺激劑的研究主要集中在大型海藻和具有固氮能力的藍(lán)藻上,而對(duì)其他藻類(lèi)研究較少.綠藻門(mén)中的柵藻生長(zhǎng)迅速,分布范圍廣,可做到全年生產(chǎn),具有作為生物刺激劑的潛力.本研究選取我國(guó)重要糧食作物小麥(TriticumaestivumLinn.)(作為實(shí)驗(yàn)植物,對(duì)其施加?xùn)旁迳锎碳?旨在研究柵藻提取物(25 mg/L～800 mg/L)對(duì)小麥種子萌發(fā)的影響以及其提取物和微藻懸浮液對(duì)小麥幼苗生長(zhǎng)的影響.細(xì)胞活性物質(zhì)的提取,隨后用于種子處理以提高種子的發(fā)芽率及發(fā)芽勢(shì),通過(guò)土壤施用提高植物生長(zhǎng).植物的生長(zhǎng)參數(shù)是根據(jù)生物量、根莖長(zhǎng)度來(lái)決定.同時(shí),測(cè)定了收獲后植物生物量的葉綠素、可溶性蛋白及可溶性總糖的含量.本結(jié)果為進(jìn)一步研究柵藻生物刺激劑對(duì)小麥生長(zhǎng)的應(yīng)用提供參考,為探索柵藻源生物刺激劑最佳施用濃度,提高施用效益,降低施用成本提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

小麥(TriticumaestivumLinn.)種(子購(gòu)自農(nóng)貿(mào)市場(chǎng),常溫儲(chǔ)存;柵藻(Scenedesmussp.),(由太原師范學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院藻種庫(kù)提供.該藻分離自山西省太原市晉陽(yáng)湖景區(qū).

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 微藻肥的制備

取對(duì)數(shù)期生長(zhǎng)的柵藻,離心10 min(4000 r/min),離心完畢后沉淀為藻泥,用蒸餾水沖洗藻泥并充分混合后再次離心,以排除小球藻肥料中培養(yǎng)基的影響,重復(fù)3次后得到純凈藻泥.向離心洗凈后的一半藻泥加入適當(dāng)體積的蒸餾水,得到所需濃度的微藻懸浮液(細(xì)胞密度為 7.8×1012個(gè)/mL).另外一半純凈藻泥于-40 ℃冷凍干燥機(jī)內(nèi)冷凍干燥48 h制成藻粉.0.5 g藻粉放入100 mL燒杯內(nèi),加50 mL蒸餾水.放入超聲波破碎儀超聲處理,之后離心,離心后的上清液為提取物母液.其濃度為 0.01 g/mL,用蒸餾水稀釋到不同濃度(25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、400 mg/L、800 mg/L),4 ℃保存?zhèn)溆?

1.2.2 種子萌發(fā)試驗(yàn)

選取大小一致飽滿的小麥種子,將種子在20 mL 0.5% NaClO溶液中浸泡30 min消毒,無(wú)菌水沖洗 3 次.于25 ℃黑暗條件下,將種子放于蒸餾水中浸泡后,然后分配到90 mm培養(yǎng)皿中,于25 ℃、相對(duì)濕度為60%、光周期為12 h∶12 h條件下培養(yǎng),添加不同濃度柵藻提取液處理(T1∶25 mg/L、T2∶50 mg/L、T3∶100 mg/L、T4∶200 mg/L、T5∶400 mg/L、T6∶800 mg/L).蒸餾水處理作為對(duì)照(CK),每個(gè)處理重復(fù) 3 次.之后定期灌溉以替換損失的水.每日觀察、記錄發(fā)芽粒數(shù).測(cè)定的萌發(fā)參數(shù)為:發(fā)芽率(GP)、發(fā)芽勢(shì)(GS)、發(fā)芽指數(shù)(GI).

1.2.3 盆栽試驗(yàn)

選取大小一致飽滿的小麥種子,用 0.5% NaClO浸泡30 min消毒,無(wú)菌水沖洗3次.25 ℃黑暗條件下種子于蒸餾水浸泡后,于培養(yǎng)皿中孵育2 d,選取長(zhǎng)勢(shì)一致的種子放入含有基質(zhì)(蛭石和泥炭混合物,1∶1 v/v)的萌發(fā)盤(pán),小麥種子均勻放于萌發(fā)孔中間,種子種植深度約1 cm.于25 ℃,相對(duì)濕度為60 %,光周期為12 h∶12 h條件下培養(yǎng).加入不同濃度微藻提取液和微藻懸浮液處理(T1∶25 mg/L、T2∶50mg/L、T3∶100 mg/L、T4∶200 mg/L、T5∶400 mg/L、T6∶800 mg/L、T7∶柵藻懸浮液),蒸餾水處理作為對(duì)照(CK),每個(gè)處理重復(fù)3次.每天補(bǔ)充流失的水分.兩周后實(shí)驗(yàn)結(jié)束,所有植株的器官都被收獲.

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)種子分析師協(xié)會(huì)(AOSA 2005)的方法測(cè)定各處理組小麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù).盆栽實(shí)驗(yàn)用直尺測(cè)定以及測(cè)量株高、根長(zhǎng),用電子天平測(cè)量莖葉和根的鮮重及干重(以10株記).幼苗葉片中葉綠素含量的測(cè)定采用乙醇提取分光光度計(jì)法測(cè)定、可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定、可溶性糖含量測(cè)定采用蒽酮法測(cè)定[18].

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行整理,計(jì)算數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差,用SPSS 21.0軟件進(jìn)行方差分析,用Origin Pro 8.5軟件制圖.

2 結(jié)果

2.1 微藻提取液對(duì)種子萌發(fā)的影響

由圖1可知,與對(duì)照組相比,不同濃度藻提取液處理的小麥種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)及發(fā)芽指數(shù)均有所提高.其中T4處理的影響最顯著,發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)分別為90.47%、73.01%和23(P<0.05).T1、T2、T3、T4、T5處理組對(duì)小麥種子發(fā)芽率分別顯著增加了17%、22%、24%、7%、4%(P<0.05);對(duì)發(fā)芽勢(shì)分別增加了21%、29%、35%、3%、3%;對(duì)發(fā)芽指數(shù)分別增加了20%、21%、28%、4%、3%.T6高濃度處理對(duì)小麥種子的萌發(fā)影響不顯著.

圖1 不同濃度柵藻提取物對(duì)小麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)的影響

2.2 微藻提取液對(duì)幼苗生長(zhǎng)的影響

由圖2可知,與對(duì)照幼苗相比,添加低濃度柵藻提取物顯著刺激了營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)參數(shù).與其他處理方法相比,用T3處理幼苗莖長(zhǎng)最高,為 15.07±1.080 cm,T4處理的根長(zhǎng)最長(zhǎng)為15.22±1.86 cm.與對(duì)照組相比,T1、T2、T3、T4、T5處理組莖高顯著增加23%、29%、38%、21%、20%(P<0.05).T7處理組對(duì)莖高提高了4%.T3處理后的植株生物量的積累最高,莖葉鮮重和干重分別為1.5575±0.12 g 和 0.1548±0.01 g,根的鮮重和干重分別為0.7854±0.064 g 和 0.0787±0.0051 g,未處理的植株產(chǎn)量最低.其中T2、T3、T4、T7處理組對(duì)莖葉鮮重顯著提高了18%、24%、21%、25%(P<0.05),T1、T5分別提高了9%和7%.其中T2、T3、T4、處理組對(duì)根鮮重顯著提高了27%、27%、26%、(P<0.05).T1、T5、T6、T7 分別提高了18%、13%、4%、13%.T2、T3、T4、T7處理組對(duì)莖葉干重顯著提高了24%、29%、35%、31%(P<0.05).T1、T5分別提高了13%、16%.柵藻提取液及懸浮液對(duì)小麥根干重的影響不顯著.

圖2 不同濃度柵藻提取物及懸浮液對(duì)小麥幼苗莖葉及根的長(zhǎng)度、鮮重和干重的影響

2.3 小麥幼苗中葉綠素含量的變化

由圖3可知,處理組的葉綠素含量均高于對(duì)照組,T3處理組對(duì)葉綠素a的含量顯著提高了35%(P<0.05),T1、T2、T4、T5、T6、T7分別提高了14%、24%、13%、6%、8%和12%.T1-T7處理組中葉綠素b含量分別提高了29%、47%、14%、13%、3%、1%和27%.

圖3 不同濃度柵藻提取物及懸浮液對(duì)小麥葉片葉綠素含量的影響

2.4 小麥幼苗中蛋白質(zhì)含量的變化

由圖4可知,各處理組較對(duì)照組相比均提高了小麥幼苗中可溶性蛋白質(zhì)的含量,其中T3、T7明顯增加,顯著提高了可溶性蛋白質(zhì)含量19%和12%(P<0.05).T1、T2、T4、T5、T6促進(jìn)作用不明顯.

圖4 不同濃度柵藻提取物及懸浮液對(duì)小麥葉片可溶性蛋白含量的影響

2.5 小麥幼苗中可溶性糖含量的變化

由圖5可知,各處理組可溶性總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于對(duì)照組,T1、T2處理組與對(duì)照相比對(duì)小麥幼苗中可溶性總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著提高了56%和65%(P<0.05).其余處理組效果不顯著.

圖5 不同濃度柵藻提取物及懸浮液對(duì)小麥葉片可溶性總糖含量的影響

3 討論

3.1 柵藻提取物對(duì)種子萌發(fā)的影響

種子在不同環(huán)境條件下均勻快速發(fā)芽的能力是包括小麥在內(nèi)的大多數(shù)植物所需要的基本特征.發(fā)芽勢(shì)體現(xiàn)在種子的生活能力,發(fā)芽是否整齊,出苗是否一致等方面.發(fā)芽率體現(xiàn)出了每次處理中發(fā)芽的種子數(shù)的存活率.本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明小麥種子在不同濃度柵藻提取液的處理下,發(fā)芽指標(biāo)均有所提高,說(shuō)明小麥種子受到柵藻提取物內(nèi)活性化合物的影響,促進(jìn)了小麥種子的萌發(fā).在種子處理過(guò)程中吸收的代謝物或生物活性化合物,將作為生化途徑的前體,幫助胚根的早期突出.已研究表明從藻類(lèi)生物量中提取的碳水化合物、蛋白質(zhì)和其他微量和宏觀元素能被種子被皮吸收,從而增加了吸脹速率,并提供了影響萌發(fā)過(guò)程中胚根的生化途徑加快突出的前體[19].研究報(bào)道海藻粗提物(10 mL/L)使牛角瓜發(fā)芽率提高了42%[20].與上述類(lèi)似的研究也報(bào)道了海藻提取物處理番茄種子,其發(fā)芽率增加了6%～37%.用富含植物激素和植物生長(zhǎng)促進(jìn)劑的微藻提取物處理種子,可以減少種子休眠,促進(jìn)有效萌發(fā)[21].

3.2 柵藻提取物及懸浮液對(duì)小麥幼苗生長(zhǎng)的影響

當(dāng)小麥幼苗受到柵藻提取液及懸浮液影響時(shí),小麥體內(nèi)的主要生理過(guò)程也會(huì)因此受到影響,主要體現(xiàn)在小麥植株莖葉長(zhǎng)、根長(zhǎng)及生物量的變化.本研究表明,添加?xùn)旁逄崛∥锖蛻腋∫禾岣吡酥参锷L(zhǎng)參數(shù),其中添加低濃度的柵藻提取物后,根、莖葉的長(zhǎng)度、鮮重和干重均顯著增加.可能是柵藻提取物中所含的活性物質(zhì)誘導(dǎo)了小麥的生理反應(yīng),促進(jìn)了生物量的積累,結(jié)果與Blanca 等人對(duì)柵藻處理幼苗的研究結(jié)果一致[22].研究表明,藻類(lèi)提取物及其純化的化合物可以誘導(dǎo)植物產(chǎn)生強(qiáng)烈的生理反應(yīng),并增加地上部和根的重量[23-25].

3.3 柵藻提取物及懸浮液對(duì)小麥幼苗生理的影響

可溶性蛋白和可溶性總糖是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),葉綠素是存在于植物中的綠色色素,參與光合作用的進(jìn)行,因此葉綠素含量是植物整體生長(zhǎng)的一種衡量指標(biāo)[26].葉綠素含量越高,植物的光合作用和生長(zhǎng)速率就越高.從而促進(jìn)幼苗體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累.實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,柵藻提取物和懸浮液提高了小麥葉片中葉綠素的含量,同時(shí)也促進(jìn)了可溶性糖和蛋白的積累.結(jié)果與Mutale-Joan等人對(duì)多種藻類(lèi)提取物處理番茄植株能促進(jìn)葉綠素含量增加的結(jié)果一致[27].不同濃度柵藻提取物對(duì)小麥葉綠素、可溶性蛋白及總糖的含量的促進(jìn)效果呈現(xiàn)先升高后降低的狀態(tài),施用微藻提取物的濃度越低或濃度越大,促進(jìn)作用均不明顯,只有在最適濃度下促進(jìn)生長(zhǎng)最佳.其原因可能是當(dāng)濃度過(guò)小時(shí),具有刺激生長(zhǎng)作用的成分含量太少,無(wú)法起作用,而當(dāng)濃度過(guò)大時(shí),影響植物細(xì)胞吸收水分,導(dǎo)致促進(jìn)效果減弱.何銳和Silambarasan等研究也顯示出適當(dāng)濃度時(shí)促進(jìn)效果最佳,濃度過(guò)低或過(guò)高均會(huì)減弱其促進(jìn)效果[28,29].

4 結(jié)論

柵藻提取物處理對(duì)種子萌發(fā)和柵藻提取物及懸浮液土壤澆灌對(duì)植物生長(zhǎng)速率均有積極的影響.研究結(jié)果表明,100 mg/L柵藻提取物處理種子顯示最大促進(jìn)效果,發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)及發(fā)芽指數(shù)分別為90.47±0.047(%)、73.01±0.055(%)和23±1.24.效果最佳的藻類(lèi)提取物濃度為 100 mg/L,株高為15.07±1.08 cm,根長(zhǎng)14.29±0.79 cm,莖葉鮮重和干重分別為1.5575±0.12 g和0.1548±0.01 g,根的干重和鮮重分別為0.7854±0.064 g和0.0787±0.0051 g,總?cè)~綠素含量5.6315±0.5700 mg/g,可溶性蛋白含量為20.8309±1.771 mg/g.本研究結(jié)果確定了柵藻源生物刺激劑對(duì)小麥的最佳施用濃度,為其在農(nóng)業(yè)和化工業(yè)的應(yīng)用提供理論依據(jù),柵藻提取物作為生物刺激劑具有潛在的應(yīng)用前景.